Алкандар

Алкандар — молекула құрамындағы көміртек атомдары өзара тек дара σ-байланыстар арқылы байланысқан жалпы формуласы C_nH_2n+2 болатын алифатты қаныққан көмірсутектер.

Ең қарапайым алкан — метанның құрылымы

Алкандардың молекуласындағы әр көміртек атомының барлық төрт валенттігі толығымен, яғни шетіне дейін сутек және көміртек атомдарымен қаныққан. Сондықтан алкандар қаныққан (шектелген) көмірсутектерге жатады.

Алкандарды бірінші мүшесі метан болғандықтан, метан қатарының көмірсутектері немесе парафиндер деп те атайды.

Енді метанның мысалында алкандардың жалпы формуласын пайдаланып есептеу жүргізейік. Жалпы формуладағы C_nH_2n+2, n - көміртек атомының санын көрсететін бүтін сандар. Көміртек атомының саны бірге тең болғанда (n= 1), сутек атомының саны 2n+2 =2∙1+2 = 4 болады да, ең қарапайым органикалық қосылыс, қаныққан көмірсутек—метанның молекулалық формуласы СН₄ шығады.

Көмірсутек молекуласындағы көміртек атомдарының саны екіге тең болғанда (n= 2), алкандардың екінші мүшесі — этанның формуласын С₂Н₆ табамыз. Осылай алкандардың келесі екілдері: үшінші көмірсутек — пропанның С₃Н₈, төртінші — бутанның С₄Н₁₀ және т.б. басқа алкандардың формулалары анықталады. Яғни, жалпы формуланы C_nH_2n+2, пайдаланып, алкандар қатарының кез келген мүшесінің формуласын құрастыруға болады.

Алкандардың алғашқы мүшесі метан СН₄ мен келесі мүшесі этанның С₂Н₆ молекулалық құрамын салыстырсақ, бір-бірінен СН₂ тобына айырмашылығы бар екенін табамыз. Осы сияқты, этан С₂Н₆ мен пропанның С₃Н₈, пропан С₃Н₈ мен бутанның С₄Н₁₀, яғни әр келесі көмірсутектің молекулалық құрамы өзінің алдындағы көмірсутектен СН₂ тобына өзгеретіндігін байқауға болады

Жалпы формулалары бірдей, химиялық қасиеттері ұқсас, ал құрамдары бір немесе бірнеше СН₂ тобына өзгеріп отыратын заттар гомологтар деп аталады (гр. homologos —ұқсас). Гомологтарды салыстырмалы молекулалық массаларының өсуіне қарай орналастырса, гомологтық қатар түзіледі. СН₂ гомологтық айырым деп аталады.

Мұндай гомологтык қатарлар органикалық қосылыстардың барлық кластарына тән. Көмірсутек молекуласынан сутек атомдары үзілген кезде көмірсутек радикалдары түзіледі. Мысалы, метаннан СН₄ бір сутек үзілгенде, СН₃∙ (СН₃—) метил радикалы түзіледі. Радикалдарды атағанда, сәйкес алканның -aн жұрнағы -ил жұрнағына алмастырылады.

Алкандардың изомерлері мен атаулары

Изомерленудің бірнеше себебі болатынын өткен тақырыптардан білесіңдер. Алкандарға құрылымдық (көміртек қаңқасының) изомерлену тән. Ол молекуладағы көміртек атомдарының өзара орналасуынан болады. Тармақталмаған көміртек тізбегі нормалді изомер деп аталады.

Алкандардың изомерленуі бутаннан (С₄Н₁₀) басталады. Бутанның молекуласында барлық көміртек атомдары тізбектеліп орналасады (н-бутан). Ал изобутанда көміртек атомдары тармақталып байланысады, негізгі көміртек тізбегі үш атомнан тұрады да, 4-көміртек атомы үзіліп, бүйірінен 2-көміртекпен байланысады.

Тармақталған изомерлерде радикалдар әр түрлі орналасуы мүмкін.

Қосылыс құрамындағы көміртек атомдарының сандары өскен сайын изомерлердің сандары да көбейе береді.

Алкандардың бастапқы төрт көмірсутегі тривиальді аттармен аталады: метан, этан, пропан, бутан. Ал бесінші көмірсутек— пентаннан бастап грек сандарына -ан жұрнағы жалғанып аталады.

Рационалды атау бойынша көмірсутектер бір немесе бірнеше сутек атомдары радикалдарға алмасқан метанның туындылары ретінде қарастырылады. Егер формулаларда бірдей радикалдар қайталанса, грекше ди-, три-, тетра-, т.б. сандармен көрсетіледі. Метан көміртегінің негізі етіп ең көп тармақталған көміртек атомы алынады.

Физикалық қасиеттері

Алкандардың гомологтық қатарында салыстырмалы молекулалық массаларының өсуіне байланысты балқу және қайнау температуралары мен тығыздықтары біртіндеп артады.

Гомологтық қатардағы заттардың қасиеттері ұқсас болады және белгілі бір заңдылықпен өзгереді. Гомологтық қатардың бір мүшесінің қасиеті белгілі болса, сол арқылы басқа мүшелерінің қасиеттерін болжауға болады. Сонымен қатар гомологтық қатарларда диалектиканың сан өзгерісінің сапа өзгерісіне ауысу заңы айқын байқалады. Молекула құрамы келесі әр СН₂ тобына өскен сайын зат қасиетінің біртіндеп өзгеретінін көреміз. Сан өзгерісінің сапа өзгерісіне ауысуы химияда жиі кездеседі.

Алкандардың бастапқы төрт мүшесі — газдар, пентаннан бастап пентадеканға (С₁₅Н₃₂) дейін — сұйық заттар, ал құрамында С₁₆ және одан да көп көміртек атомдары бар жоғары молекулалы алкандар — қатты заттар болады. Қалыпты жағдайда қысымды жоғарылатқанда, пропан мен бутан сұйыққа айналады. Изомер алкандардың физикалық және химиялық қасиеттерінде айырмашылықтар болады. Мысалы, нормальді құрылымды алкандардың қайнау және балқу температуралары сәйкес тармақталған алкандардың қайнау, балқу температураларынан жоғары.

Алкандар — полюссіз қосылыстар. Олар судан жеңіл және сумен араласпайды (ерімейді). Сол сияқты басқа полюсті еріткіштерде де ерімейді, органикалық еріткіштерде ериді. Сұйық алкандар көптеген органикалық, заттардың еріткіші ретінде қолданылады.

Метан мен этанның және үлкен молекулалы алкандардың иістері жоқ, ал кейбір ортаңғы мүшелерінің өздеріне тән иістері болады.

Алкандар — жанғыш заттар.

Химиялық қасиеттері

Алкандар орынбасу, айырылу, изомерлену және тотығу реакцияларына түседі. Алкандардың басқа көмірсутектермен салыстырғандағы бір ерекшелігі — олардың құрамындағы көміртек атомдарының валенттіктері толығымен сутек атомдарымен қаныққан. Сондықтан алкандар қосылу реакцияларына түспейді.

Алкандар құрамындағы тағы бір ерекшелік — оларда едәуір берік коваленттік σ-байланыстың болуы. Бұл байланыстың полюстігі төмен, сондықтан алкандар, негізінен, SRмеханизмі бойынша реакцияларға түседі. С—С байланыс едәуір қатаң жағдайда үзіліп, реакцияға қиын түседі. Алкандардың парафиндер деп аталу себебі осы.

Алкандар химиялық реакцияларға энергия берген (қыздыру немесе ультракүлгін сәулелердің әсерінен) жағдайда ғана түседі. Реакция барысында көміртек пен сутек С—Н арасындағы байланыс үзіліп, сутек атомы басқа атомдар мен атом топтарына алмасады немесе көміртек атомдарының С—С араларындағы байланыстар үзіледі. Алкандар полюссіз қосылыстар болғандықтан, байланыстардың үзілуі негізінен радикалдар түзе, гомолиттік механизм бойынша жүреді.

Орынбасу реакциялары Қаныққан көмірсутектерге тән реакциялар. Бұл кезде С—Н байланысы үзіліп, сутек атомы басқа атомға немесе атом топтарына алмасады. Сутек атомдарының алмасулары үшіншілік көміртек атомдарында ең оңай, екіншілік көміртек атомдарында қиындау, ал біріншілік көміртектерде қиын жүреді. Қаныққан көмірсутектердің орынбасу реакияларының бірінші сатысын жалпы түрде былай жазуға болады:

RH + ХҮ → RX + НҮ

1. Галогендену реакциялары — алкандардың практикалық маңызды реакцияларының бірі, жарықтың немесе жоғары температураның әсерінен іске асады. Жарықтың әсерінен жүретін реакциялар фотохимиялық реакциялар деп аталады. Алкандардың галогендермен орынбасу реакциялары хлормен жеңіл, броммен қиындау, йодпен қиын жүреді. Ал фтормен қопарылыс түзе жүретін болғандықтан, реакцияны инертті газ қатысында сұйылтып жүргізеді. Сутектердің орнын галогендерге алмастырғанда, алкандардыц галогентуыидылары түзіледі.

Метанның хлорлану реакциясы жарықтың ([hν—"аш ню" арқылы жарық кванты белгіленеді) немесе температураның әсерінен жүреді. Реакция метанның хлортуындылары мен хлорсутек түзе жүреді:

СН₄ + Сl₂ → СН₃Сl +HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂+ HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ +HCl

СНСl₃ + Сl₂ → ССl₄ + HCl

2. Нитрлеу реакциясы. Бұл реакцияны орыс ғалымы М. И. Коновалов (1888 ж.) ашқандықтан, Коновалов реакциясы деп аталады. Қысым мен температураны аздап жоғарылатқанда, алкандар сұйылтылған азот қышқылымен орынбасу реакциясына түседі:

C₂H₅ + HNO₃C₂H₅NO₂ + H₂O

Алкандарды нитрлеу реакциясы да бос радикалды механизм бойынша жүреді.

Айырылу (ыдырау)реакциялары қыздырғанда жүреді. 3. Қыздырғанда алкандар термиялық айырылады. Метанды жоғары температурада (1000°С шамасында) ауа қатыстырмай қыздырғанда жай заттарға айырылады:

СН₄ → С + 2Н₂

4. Метанды бұдан да жоғарырақ температурада қыздырғанда (1500°С), реакция қанықпаған көмірсутек — ацетилен түзе және сутек бөле жүреді:

2СН₄ → НС = СН + ЗН₂

Сутек бөліне жүретін ыдырау реакциялары дегидрлену реакциясы деп аталады.

Алкандардың дегидрлену реакцияларының басқа қанықпаған көмірсутектер алу үшін өнеркәсіптік маңызы зор. Алкандарды өршіткі қатысында қыздырғанда (Ni, 500°С), дегидрленіп, сутек бөлінеді және канықпаған көмірсутектер түзіледі:

CH₃—CH₃ → CH₂ = CH₂ + H_2</sub

5. Алкандар 500°С-тан жоғары температурада көміртек атомдары арасындағы С—С байланыстары үзіле айырылады. Нәтижесінде, құрамы қарапайымдау, көміртек атомдарының сандары азырақ көмірсутектер (қаныққан немесе қанықпаған) түзіледі. Бұл процесс крекинг деп аталады. Бұған біз мұнай өңдеуді қарастырғанда толығырақ тоқталамыз.

6. Риформинг реакциялары нәтижесінде алкандар ароматты көмірсутектерге, мысалы, гексан бензолға айналады:

C₆H₁₄ → C₆H₆ + 4H₂

Реакция өршіткі қатысында қыздырғанда жүреді.

7. Изомерлену реакциялары барысында С—С байланыстары үзіліп, түзу көміртек тізбегі тармақталғанға айналады.

Изомерлену процесі өршіткі (АlСl₃) қатысында және қыздырғанда (-400 °С) жүреді.

Тотығу реакциялары

8. Жану—алкандар түсетін ең маңызды реакциялардың бірі болып табылады. Көмірсутектердің қолданылуының негізгі бір саласы жану реакциясының нәтижесінде энергия бөлінуіне байланысты. Ауада қыздырғанда, алкандар тұтанып жанады. Оттек жеткілікті болса, реакция нәтижесінде көміртек (IV) оксиді мен су түзіледі және жылу бөлінеді:

СН₄ + 2O₂ → СO₂ + 2Н₂O ΔН =-890 кДж/моль

Метанның оттекпен (1:2 көлемдік қатынастағы) қоспасы немесе ауамен (1:10) қоспасы қопарылғыш. Басқа көмірсутектердің де ауамен қоспалары қопарылғыш болады. Көмірсутектер жиналатын және олар қолданылатын жерлерде, көмір шахталарында, бу қазандары орнатылған жерлерде, тұрғын үйлерде қопарылғыш қоспа түзілуі мүмкін. Сондықтан көмірсутектерді өндіру кезінде де, пайдалану кезінде де қопарылу қаупі болады. Шахталарда қауіпсіздікті қамтамасыз ету үшін метанның пайда болғанын хабарлайтын автоматты аспаптар-сигнализаторлар және газды сыртқа шығаратын қуатты желдеткіштер орнатылады.

Октан сияқты сұйық алкандар тек бу күйінде ғана жанады:

С₈Н₁₈(г) + 12,5O₂(г) → 8СO₂(г) + 9Н₂O(с) ΔН =-5510 кДж/моль

Бұл реакциялар іштен жанатын қозғалтқыштарда жүреді. Бензин құрамындағы көмірсутектердің қайнау температуралары аса жоғары болмағандықтан, олар жанар алдында қозғалтқышта буланады. Оттек жетіспеген жағдайда жану толық жүрмей, күйе және улы иіс газы — көміртек (II) оксиді CO түзіледі. Бұл газ түссіз және иіссіз болғандықтан, өте қауіпті, адам оның түзілгенін байқамай қалады. Көміртек (II) оксиді гемоглобинмен косылып, оның организмдегі оттек тасу қабілетін жойып, адам өміріне қауіп төндіруі мүмкін. Автокөліктерден бөлінетін газдардың құрамында 5%-ке дейін CO болады.

9. Алкандар қалыпты жағдайда тотығуға тұрақты, тіпті КМnO₄, К₂Сr₂O₇ сияқты, т.б. күшті тотықтырғыштар да оларға әсер етпейді. Бірақ өршіткі қатысында және қыздырғанда, алкандар тотығу реакциясына түседі. Реакция жағдайына байланысты әр түрлі оттекті қосылыстар (спирттер, альдегидтер, карбон қышқылдары, т.б.) түзіледі.

10. Метанның конверсиялануы— оттекпен, су (Н₂O) буымен және көміртек (IV) оксидімен (СO₂) тотығуы оның негізгі қолданылу салаларының бірі:

2СН₄ + O₂ → 2СО + 4Н₂

СН₄ + Н₂O → СО + ЗН₂

СН₄ + СO₂ → 2СО + 2Н₂

Бұл реакциялардың нәтижелерінде түзілген синтез-газ (су газы) көмірсутектер, метанол, метаналь, т.б. органикалық қосылыстар алынатын бағалы шикізат болып табылады.

Алкандардың жеке өкілдері және олардың қолданылуда

Алкандар жанған кезде көп жылу бөлінетіндіктен, отын ретінде кең түрде қолданылады.

Метан СН₄— түссіз, иіссіз, ауадан екі еседей жеңіл, жанғыш газ. Суда нашар ериді.

Табиғи газ құрамындағы метан тұрмыста және өндірісте отын ретінде кеңінен пайдаланылады. Оттекпен немесе ауамен қоспасы қопарылғыш келеді. Газдың бөлінгенін байқау үшін оған (газ баллоны, т.б.) иісті заттар қосады. Метанды айыру арқылы алынған күйенің, сутектің, ацетиленнің қолданылу аялары да үлкен (3-сызбанүеқа). Күйе каучук пен резеңке өндірісінде, типографиялық бояу ретінде қолданылады. Түзілген сутек экологиялық таза отын ретінде, аммиак және азотты тыңайтқыштар алуға қолданылады. Ацетиленнің қолданылуымен "Алкиндердің жеке өкілдері және олардың қолданылуы" деген тақырыпта танысасыңдар.

Метан — химия өнеркәсібінің бағалы шикізаты. Одан галогентуындылар, метанол, формальдегид, синтез-газ, т.б. көптеген заттар алынады.

Этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, пентан С₅Н₁₂— сәйкес қанықпаған көмірсутектерді алуға қолданылады. Пропан мен бутанның қоспасын баллондарға құйып, отын ретінде тұрмыста пайдаланады.

Изооктпан (2,2,4- триметилпентан) — жоғары сапалы іштен жанатын қозғалтқыштардың жанармайларының (бензиннің) негізгі құрамды бөлігі.

Автокөліктердің іштен жанатын қозғалтқыштарында бензин буы жанған кезде жоғарғы температурада қызған газдардың көп мөлшері түзіледі. Бұл газдар цилиндрдің поршенін итеріл, айналмалы біліктерді қозғап жұмыс істеткізеді. Жану энергиясын толық пайдалану үшін бензиннің ауамен қоспасын тұтату алдында сығады. Осы кезде қозғалтқыштағы жанатын қоспа өздігінен тұтанып кетпейтін, яғни жанармайлар детонацияға тұрақты болулары керек. Қоспа өздігінен тұтанып, детонация болса, цилиндрде қысым күрт көбейеді де, поршеньге соққы беріліп, мотор сартылдап, қозғалтқыштың дұрыс жұмыс істеуіне кедергі келтіреді. Тармақты көмірсутектер детонацияға тұрақты болады. Детонацияға тұрақтылық стандарты ретінде изооктанның (2,2,4-триметилпентанның) тұрақтылығы 100-ге тең деп қабылданған, ал өте оңай детонацияланатын н-гептанның СН₃СН₂СН₂СН₂СН₂СН₂СН₃ октан саны нөлге тең деп есептеледі. Бензиннің сапасы "октан санымен— изооктанның проценттік үлесімен сипатталады. Мысалы, бензиннің құрамында 76% изооктан мен 24% гептан болса, ондай бензиннің октан саны 76-ға тең деп есептеледі. Бензиннің 72, 76, 80, 85, 91, 93, 96, т.б. маркалары болады. Тармақталмаған көмірсутектердің детонациялануын төмендеткіш қасиеттері бар заттар антидетонаторлар деп аталады. Тетраэтил- қорғасынның Рb(С₂Н₅)₄ (ТЭҚ) антидетонаторлық қасиеті болғандықтан, оны бензинге қосады. Цилиндрдің ішкі жағына қорғасын оксиді жабысып қалмас үшін ТЭҚ-пен бірге бензинге 1,2-дибромэтан ВгСН₂СН₂Вг қосылады. Нәтижесінде, пайдаланылған қорғасын ұшқыш тетрабромидке айналып, автокөліктен бөлінетін газбен бірге атмосфераға тарап, қоршаған ортаны ластайды. Организмде қорғасынның аз мөлшерінің өзі адамды депрессияға ұшыратып, көңіл күйін төмендетеді.

Қоршаған орта мен адам организміне қорғасынның қосылыстары зиянды болғандықтан, тармақты көмірсутектерден тұұатын бензин өндірудің маңызы зор.

Алкандардың гомологтық қатарының ортаңғы мүшелері (С₇—С₁₆), негізінен, еріткіштер ретінде қолданылады.

Қасиеттері ұксас заттар бір-бірінде жақсы еритіні белгілі. Сұйық алкандардың молекулалары әлсіз полюсті. Майлар, табиғи шайырлар, каучук сияқты әлсіз полюсті заттар сұйық алкандар мен олардың қоспаларында (бензин, керосин, т.б.) жақсы ериді.

Сонымен қатар сұйық алкандар мотор отыны ретінде қолданылады.

Жоғарғы алкандардан (С₁₇-ден жоғары) спирттер, карбон қышкылдары, синтетикалық майлар, сабын, жағармайлар, қанықпаған қосылыстар, т.б. заттар алынады.