Углеводороды

Алканы

Органическая химия

Мы приступаем к новому разделу – органической химии. Совершенно необязательно (и даже преступно по отношению к собственному времени!) знать наизусть, зубрить свойства органических веществ.

По мере изучения вы поймете, что свойства вещества определяются его строением, и научитесь легко предсказывать ход реакций ;)

В этой связи особый интерес представляет теория химического строения, которая была создана А.М. Бутлеровым в 1861 году. Она включает в себя несколько основных положений:

  • Атомы в молекуле соединены в определенной последовательности, в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов отражает химическое строение.
  • Зная свойства веществ, можно установить их химическое строение, и наоборот, зная строение вещества можно сделать вывод о его свойствах.
  • Атомы или группы атомов оказывают взаимное влияние друг на друга непосредственно или через другие атомы
  • Свойства вещества зависят от количественного и качественного состава, а также от химического строения молекулы

Алканы (парафины) – насыщенные углеводороды, имеющие линейное или разветвленное строение, содержащие только простые связи. Относятся к алифатическим углеводородам, так как не содержат ароматических связей.

Алканы являются насыщенными соединениями – содержат максимально возможное число атомов водорода. Общая формула их гомологического ряда – CnH2n+2.

Номенклатура алканов

Номенклатура (от лат. nomen – имя + calare – созывать) – совокупность названий индивидуальных химических веществ, а также правила составления этих названий. Названия у алканов формируются путем добавления суффикса “ан”: метан, этан, пропан, бутан и т.д.

Гомологами называют вещества, сходные по строению и свойствам, отличающиеся на одну или более групп CH2

Перечисленные выше алканы, являются по отношению друг к другу гомологами, то есть составляют один гомологический ряд (греч. homólogos – соответственный).

Названия алканов формируются по нескольким правилам. Если вы знаете их, можете пропустить этот пункт, однако я должен познакомить читателя с ними. Итак, алгоритм составления названий следующий:

  • В структурной формуле вещества необходимо выбрать самую длинную (пусть и изогнутую на рисунке!) цепь атомов углерода
  • Атомы выбранной цепи нумеруют, начиная с того конца, к которому ближе разветвление (радикал)
  • В начале название перечисляют радикалы и другие заместители с указанием номеров атомов углерода, с которыми они связаны. Если в молекуле имеется несколько одинаковых радикалов, то цифрой указывают нахождение каждого из них в главной цепи и перед их названием соответственно ставят частицы ди-, три-, тетра- и т.д.
  • Основой названия служит наименование предельного углеводорода с тем же количеством атомов углерода, что и в главной цепи

Внимательно изучите составленные для различных веществ названия ниже.

В углеводородной цепочке различают несколько типов атомов углерода, в зависимости от того, с каким числом других атомов углерода соединен данный атом. Различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода.

Изомерами (греч. isomeros – составленный из равных частей) называют вещества, имеющие одну молекулярную формулу, но отличающиеся по строению (структурная изомерия) или расположению атомов в пространстве (пространственная изомерия).

Изомерия бывает структурной (межклассовая, углеродного скелета, положения функциональной группы или связи) и пространственной (геометрической, оптической). По мере изучения классов органических веществ вы узнаете о всех этих видах.

В молекулах алканов отсутствуют функциональные группы, кратные связи. Для алканов возможна изомерия только углеродного скелета. Так у пентана C5H12 существует 3 структурных изомера.

Некоторые данные, касающиеся алканов, надо выучить:

  • В молекулах алканов присутствуют одиночные сигма-связи (σ-связи), длина которых составляет 0,154 нм
  • Тип гибридизации атомов углерода – sp 3
  • Валентный угол (между химическими связями) составляет 109°28′

Природный газ и нефть

Алканы входят в состав природного газа: метан 80-97%, этан 0.5-4%, пропан 0.2-1.5% , бутан 0.1-1%, пентан 0-1%. Состав нефти нельзя выразить одной формулой, он непостоянен и зависит от месторождения.

В состав нефти входят алканы с длинными углеродными цепочками, например: C8H18, C12H26. Путем крекинга из нефти получают алканы.

Получение алканов

В промышленности алканы получают путем:

    Крекинга нефти

В ходе крекинга нефти получается один алкан и один алкен.

Гидрогенизацией угля (торфа, сланца)

Гидрированием оксида углерода II

В лабораторных условиях алканы получают следующими способами:

    Синтез Дюма

Данный синтез заключается в сплавлении соли карбоновой кислоты с щелочью, в результате образуется алкан.

Эта реакция заключается во взаимодействии галогеналкана с металлическим натрием, калием или литием. В результате происходит удвоение углеводородного радикала, рост цепи осуществляется зеркально: в том месте, где находился атом галогена.

В ходе синтеза Гриньяра с помощью реактива Гриньяра (алкилмагнийгалогенида) получают различные органические соединения, в том числе несимметричные (в отличие от реакции Вюрца).

На схеме выше мы сначала получили реактив Гриньяра, а потом использовали его для синтеза. Однако можно записать получение реактива Гриньяра и сам синтез в одну реакцию, как показано на примерах ниже.

В результате электролиза солей карбоновых кислот может происходить образование алканов.

В результате разложения карбида алюминия образуется метан и гидроксид алюминия.

Гидрированием ненасыщенных углеводородов

Химические свойства алканов

Алканы – насыщенные углеводороды, не вступают в реакции гидрирования (присоединения водорода), гидратации (присоединения воды). Для алканов характерны реакции замещения, а не присоединения.

    Галогенирование

Атом галогена замещает атом водорода в молекуле алкана. Запомните, что легче всего идет замещение у третичного атома углерода, чуть труднее – у вторичного и значительно труднее – у первичного.

Читайте также:
Тренировочные задания. Характерные химические свойства неорганических веществ

Реакции с хлором на свету происходят по свободнорадикальному механизму. На свету молекула хлора распадается на свободные радикалы, которые и осуществляют атаку на молекулу углеводорода.

Реакция Коновалова заключается в нитровании алифатических (а также ароматических) соединений разбавленной азотной кислотой. Реакция идет при повышенном давлении, по свободнорадикальному механизму.

Для удобства и более глубокого понимания, азотную кислоту – HNO3 – можно представить как HO-NO2.

Все органические вещества, в их числе алканы, сгорают с образованием углекислого газа и воды.

В ходе каталитического, управляемого окисления, возможна остановка на стадии спирта, альдегида, кислоты.

Пиролиз (греч. πῦρ – огонь + λύσις – разложение) – термическое разложение неорганических и органических соединений. Принципиальное отличие пиролиза от горения – в отсутствии кислорода.

В реакциях, по итогам которых образуются изомеры, используется характерный катализатор AlCl3.

Вам уже известно, что в результате крекинга образуется один алкан и один алкен. Это не только способ получения алканов, но и их химическое свойство.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Углеводороды

Углеводороды (hydrocarbon) – это органические соединения, состоящие из углерода и водорода.
Углеводороды служат фундаментальной основой органической химии: молекулы любых других органических соединений рассматривают как их производные.

Соотношения между углеродом и водородом в углеводородах колеблются в широких пределах (10-90 %).
Соединения углеводородов отличаются друг от друга количеством атомов углерода и водорода, строением углеродного скелета и типом связей между атомами.

Большинство углеводородов в природе встречаются в сырой нефти.
Кроме того, основными источниками углеводородов являются природный газ, сланцевый газ, попутный нефтяной газ, горючие сланцы, уголь, торф.

Классификация углеводородов

Алканы (парафины) – углеводороды общей формулы CnH2n+2, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой σ-связью, а остальные их валентности предельно насыщены атомами водорода.
Отсюда другое название алканов – предельные углеводороды.
Первым представителем данного гомологического ряда является метан СН4.

Алкены (олефины) относятся к непредельным углеводородам общей формулы CnH2n.
В молекуле алкена кроме σ-связей содержится одна π-связь.
Первый представитель гомологического ряда – этилен С2Н4, поэтому алкены называют также «этиленовыми углеводородами».

Диеновые углеводороды содержат в молекуле 2 двойные связи.
Общая формула СnН2n-2.
Первым представителем ряда является бутадиен СН2=СН–СН=СН2.

Алкинами называются углеводороды общей формулы CnH2n-2, молекулы которых содержат тройную связь.
Первый представитель гомологического ряда – ацетилен С2Н2, поэтому алкины называют также «ацетиленовыми углеводородами».

Молекулы циклоалканов содержат циклы разной величины, атомы углерода в которых связаны между собой только σ-связью.
Общая формула СnH2n.

Циклоалкены содержат одну двойную связь и имеют общую формулу СnН2n-2.
Углеводороды, имеющие кратные связи, легко вступают в реакции присоединения по месту разрыва π-связей.

Ароматические углеводороды (арены) – углеводороды общей формулы CnH2n-6.
Первые представители ароматических углеводородов были выделены из природных источников и обладали своеобразным запахом, поэтому и получили название «ароматические».
Важнейшим представителем ароматических углеводородов является бензол С6Н6.
В молекуле бензола 6 атомов углерода, соединяясь σ-связями, образуют правильный шестиугольник.
В результате сопряжения 6 свободных р-электронов образуется единое π-электронное облако над и под плоскостью кольца.

Природные источники углеводородов

Каменный уголь – плотная осадочная порода черного, иногда сepo-черного цвета, дающая на фарфоровой пластинке черную черту.
Каменный уголь представляет собой продукт глубокого разложения остатков растений, погибших миллионы лет назад (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений).
В органическом веществе угля содержится 75-92 % углерода, 2,5-5,7 % водорода, 1,5-15 % кислорода.
Международное название элемента углерода происходит от лат. carbō («уголь»).

Природный газ – полезное ископаемое, основным компонентом которого является метан СН4 (75-98 %).
В природном газе содержатся также его ближайшие гомологи: этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Н10 и следовые количества более тяжелых легкокипящих углеводородов.
Существует следующая закономерность: чем выше относительная молекулярная масса углеводорода, тем меньше его количество в природном газе.
Содержание сероводорода и его органических производных (тиолов) в природном газе в сумме может достигать 5-25 %.

Попутные нефтяные газы – газы, которые находятся в природе над нефтью или растворены в ней под давлением.
Их состав может быть выражен примерным соотношением компонентов: метан – 31 %, этан – 7,5 %, пропан – 21,5 %,
бутан – 20 %, пентан и гексан (легкокипящие жидкости) – 20 %.
С каждой тонной добытой нефти выделяется около 50 м 3 газов, которые вплоть до середины 20 го в. сжигали в факелах, причиняя двойной ущерб – теряли ценное сырье и загрязняли атмосферу.
Первым предприятием в России, на котором стали использовать попутные нефтяные газы, стала Сургутская ГРЭС.
6 основных энергоблоков, работающих на попутном газе, были введены в строй в 1985-1988 гг.
В настоящее время попутные нефтяные газы улавливают и используют как топливо (в том числе и автомобильное) и ценное химическое сырье.

Нефть – смесь углеводородов от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом.
Нефть намного легче воды и в ней не растворяется.
В зависимости от происхождения нефть может содержать большое количество алифатических, циклических или ароматических углеводородов.
Так, например, бакинская нефть богата циклоалканами и содержит сравнительно небольшое количество алифатических предельных углеводородов.
Значительно больше алканов в грозненской, ферганской, а также нефти штата Пенсильвания (США).
Пермская нефть содержит ароматические углеводороды.
В небольших количествах в состав нефти могут входить также кислородсодержащие соединения, как, например, альдегиды, кетоны, эфиры и карбоновые кислоты.

Читайте также:
Элементы группы VIA

Углеводороды

Углеводоро́ды — органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода. Углеводороды считаются базовыми соединениями органической химии, все остальные органические соединения рассматривают как их производные.

Поскольку углерод имеет четыре валентных электрона, а водород — один, простейший углеводород — метан (CH4).

При систематизации углеводородов принимают во внимание строение углеродного скелета и тип связей, соединяющих атомы углерода. В зависимости от топологии строения углеродного скелета углеводороды подразделяют на ациклические и карбоциклические. В зависимости от кратности углерод-углеродных связей углеводороды подразделяют на предельные (алканы) и непредельные (алкены, алкины, диены). Циклические углеводороды разделяют на алициклические и ароматические.

Ациклические (с открытой цепью) Карбоциклические (с замкнутой цепью)
предельные непредельные предельные непредельные
с одинарной связью с двойной связью с тройной связью с двумя двойными связями с одинарной связью с бензольным кольцом
ряд метана (алканы) ряд этилена (алкены) ряд ацетилена (алкины) ряд диеновых углеводородов ряд полиметиленов (нафтены) ряд бензола (ароматические углеводороды, или арены)

Углеводороды, как правило, не смешиваются с водой, поскольку атомы углерода и водорода имеют близкую электроотрицательность, и связи в углеводородах малополярны. Для предельных углеводородов характерны химические реакции замещения, а для непредельных — присоединения.

Основные источники углеводородов — нефть, природные газы и каменный уголь.

См. также

  • Сравнительная таблица углеводородов
  • Углеводы
Углеводороды
Алканы Метан • Этан • Пропан • Бутан • Пентан • Гексан • Гептан • Октан • Нонан • Декан • Ундекан • Додекан • Тридекан • Тетрадекан • Гексадекан • Эйкозан .
Алкены Этилен • Пропен • Бутен • Пентен • Гексен • Гептен • Октен .
Алкины Ацетилен • Пропин • Бутин
Диены Пропадиен • Бутадиен • Изопрен
Другие ненасыщеные Винилацетилен • Диацетилен
Циклоалканы Циклопропан • Циклобутан • Циклопентан • Циклогексан • Декалин • Индан
Ароматические Бензол • Толуол • Диметилбензолы • Этилбензол • Пропилбензол • Кумол • Стирол • Фенилацетилен • Индан • Циклобутадиен • Дифенил • Дифенилметан • Трифенилметан • Тетрафенилметан
Полициклические Нафталин • Антрацен • Пентацен • Фенантрен • Пирен • Бензпирен • Азулен • Хризен
CH He
CLi CBe CB CC CN CO CF Ne
CNa CMg CAl CSi CP CS CCl CAr
CK CCa CSc CTi CV CCr CMn CFe CCo CNi CCu CZn CGa CGe CAs CSe CBr CKr
CRb CSr CY CZr CNb CMo CTc CRu CRh CPd CAg CCd CIn CSn CSb CTe CI CXe
CCs CBa CHf CTa CW CRe COs CIr CPt CAu CHg CTl CPb CBi CPo CAt Rn
Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
La CСе Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Ac Th Pa CU Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Химическая связь с углеродом
Основные соединения Большое применение в химии
Академические исследования Соединение неизвестно/не получено
Органические вещества
Углеводороды Алканы · Алкены · Арены · Алкины · Диены · Циклоалканы
Кислородсодержащие Спирты · Простые эфиры · Альдегиды · Кетоны · Кетены · Карбоновые кислоты · Сложные эфиры · Ортоэфиры · Углеводы · Жиры · Хиноны · Фенолы · Енолы · Оксикислоты · Оксокислоты
Азотсодержащие Амины · Окиси аминов · Амиды · Гидразиды · Нитросоединения · Нитрозосоединения · Оксимы · Нитрилы · Изонитрилы · Аминокислоты · Белки · Пептиды
Серосодержащие Меркаптаны · Тиоэфиры · Сложные тиоэфиры · Дисульфиды · Сульфокислоты · Тиоальдегиды · Тиокетоны · Тиокарбоновые кислоты
Фосфорсодержащие Фосфины · Фосфонистые кислоты · Фосфиновые кислоты · Фосфоновые кислоты · Нуклеиновая кислота · Нуклеотиды
Галогенорганические Фторорганические соединения · Хлорорганические соединения · Броморганические соединения · Иодорганические соединения
Кремнийорганические Силаны · Силазаны · Силтианы · Силоксаны · Силиконы
Элементоорганические Германийорганические · Борорганические · Оловоорганические · Свинецорганические · Алюминийорганические · Ртутьорганические · Другие металлоорганические
Другие важные классы Галогенуглеводороды · Гетероциклические соединения · Перфторуглеводороды

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Спирты
  • Замещённые углеводороды

Полезное

Смотреть что такое “Углеводороды” в других словарях:

углеводороды — углеводороды: Смесь паров всех несгоревших и частично окисленных углеводородов топлива и масла, образующихся в процессах горения топлива и выпуска продуктов сгорания из цилиндра, обозначаемая символом СН. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

УГЛЕВОДОРОДЫ — УГЛЕВОДОРОДЫ, органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода. Различают ациклические углеводороды, в молекулах которых атомы углерода образуют линейные или разветвленные цепи (например, этан, изобутан), и … Современная энциклопедия

УГЛЕВОДОРОДЫ — УГЛЕВОДОРОДЫ, органические соединения, содержащее только УГЛЕРОД и ВОДОРОД. Существуют тысячи различных углеводородов, включая соединения с незамкнутой цепью, такие как АЛКАНЫ (парафины), алкены (олефины) и АЛКИНЫ (ацетилены). Ароматические… … Научно-технический энциклопедический словарь

Углеводороды — орг. соединения, состоящие только из углерода и водорода газообразные, жидкие и твердые в зависимости от молекулярного веса и от хим. структуры. Существуют У. с открытой цепью (см. Соединения алифатические (жирные) и циклические, Соединения… … Геологическая энциклопедия

УГЛЕВОДОРОДЫ — (УВ) органические соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода. Являются важнейшими компонентами нефти и природного газа, продуктов их переработки. Широко применяют как сырье в промышленности, как топливо и др.… … Российская энциклопедия по охране труда

углеводороды — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN carbohydrates … Справочник технического переводчика

УГЛЕВОДОРОДЫ — обширный класс газообразных, жидких и твёрдых органических соединений, в состав молекул которых входят только атомы углерода и водорода. В зависимости от строения и свойств различают У.: насыщенные, или предельные (простейший представитель метан… … Большая политехническая энциклопедия

углеводороды — органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода. Различают алифатические, или ациклические, углеводороды, в молекулах которых атомы углерода образуют линейные или разветвлённые «открытые» цепи (например,… … Энциклопедический словарь

Углеводороды — класс органических соединений, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода. В зависимости от строения различают ациклические, или алифатические, У., в молекулах которых атомы углерода связаны друг с другом в линейные или … Большая советская энциклопедия

Углеводороды — ► hydrocarbons Органические соединения, твердые, жидкие и газообразные, состоящие из углерода (С) и водорода (Н) и не содержащие никаких других элементов. По типу строения образуют различные гомологические ряды. Существуют углеводороды с открытой … Нефтегазовая микроэнциклопедия

Углеводороды, виды и их классификация

Углеводороды, виды и их классификация.

Углеводороды – это органические соединения, состоящие из атомов углерода и водорода. Они служат фундаментальной основой органической химии

Углеводороды:

Углеводороды – это органические соединения, состоящие из атомов углерода и водорода. Углеводороды служат фундаментальной основой органической химии – молекулы любых других органических соединений рассматривают как их производные.

Если в углеводороде один или несколько атомов водорода замещён на другой атом или группу атомов, называемую функциональной группой, то данное соединение называется производным углеводорода.

Атом углерода имеет 4 электрона на внешней оболочке, а потому способен образовывать четыре химические связи с другими атомами. Поэтому атом углерода является стабильным только в том случае, если все из этих связей – все четыре связи используются.

Существует огромное количество совершенно различных соединений углеводородов, которые различаются количеством атомов углерода и водорода, строением углеродного скелета и типом связей между атомами.

Большинство углеводородов в природе Земли встречаются в сырой нефти. Кроме того, основными источниками углеводородов являются природный газ, сланцевый газ, попутный нефтяной газ, горючие сланцы, уголь, торф.

Классификация и виды углеводородов:

При систематизации (классификации) углеводородов принимают во внимание строение углеродного скелета и тип связей, соединяющих атомы углерода.

В зависимости от строения углеродного скелета углеводороды подразделяют на ациклические и карбоциклические.

Ациклические соединения (ациклические углеводороды) – класс органических соединений, в молекулах которых отсутствуют циклы (кольца), и все атомы углерода соединены между собой в прямые или разветвлённые (открытые) цепи.

Ациклические соединения также в литературе называются алифатическими соединениями.

Карбоциклические соединения (карбоциклические углеводороды) – класс органических соединений, характеризующихся наличием колец (циклов) из атомов углерода. Карбоциклические соединения отличаются от гетероциклических соединений отсутствием в кольцах каких-либо других атомов, помимо атомов углерода.

В зависимости от кратности углерод-углеродных связей ациклические углеводороды подразделяют на предельные (алканы) и непредельные (алкены, алкины, диены) углеводороды. Предельные ациклические углеводороды также называются насыщенными, а непредельные – ненасыщенными.

В свою очередь циклические углеводороды в зависимости от кратности углерод-углеродных связей подразделяются на алициклические (циклоалканы, циклоалкены, циклоалкины) и ароматические (арены) углеводороды.

Предельные (насыщенные) ациклические углеводороды:

Алканы (также именуемые насыщенные углеводороды, предельные углеводороды, парафины) – ациклические углеводороды линейного или разветвлённого строения, содержащие только простые (одиночные) связи между атомами углерода и образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n+2.

Насыщенными алканы называются потому, что они содержат максимально возможное число атомов водорода для заданного числа атомов углерода.

Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp 3 -гибридизации – все 4 гибридные орбитали атома углерода идентичны по форме и энергии, 4 связи направлены в вершины тетраэдра под углами 109°28′. Связи C-C представляют собой σ-связи, отличающиеся низкой полярностью и поляризуемостью. Длина связи C-C составляет 0,154 нм, длина связи C-H – 0,1087 нм.

Алканы образуют гомологический ряд, также называемый рядом метана. К алканам относятся: метан CH4, этан C2H6, пропан C3H8, бутан C4H10, пентан C5H12, гексан C6H14, гептан C7H16, октан C8H18, нонан C9H20, декан C10H22 и т.д., которые имеют формулу CnH2n+2. Алкан с самой длинной цепью – нонаконтатриктан C390H782.

Алканы, число атомов углерода в которых больше трёх, имеют изомеры. Изомерия предельных углеводородов обусловлена простейшим видом структурной изомерии – изомерией углеродного скелета , а начиная с гептана – также оптической изомерией. С ростом числа атомов углерода в молекуле количество изомеров быстро возрастает.

Непредельные (ненасыщенные) ациклические углеводороды:

Алкены (также именуемые олефины, этиленовые углеводороды) – ациклические непредельные углеводороды , содержащие одну двойную связь между атомами углерода , образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n.

Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp² гибридизации и имеют валентный угол 120°. Связи C=C представляют собой π-связи. Длина связи C=C составляет 0,134 нм.

По номенклатуре IUPAC названия алкенов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ен»; положение двойной связи указывается арабской цифрой.

Алкены образуют гомологический ряд, также называемый рядом этилена. К алкенам относятся: этен (этилен) C2H4, пропен (пропилен) C3H6, бутен (бутилен) C4H8, пентен C5H10, гексен C6H12, гептен C7H14, октен C8H16, нонен C9H18, децен C10H20 и т.д., которые имеют формулу CnH2n.

Алкены, число атомов углерода в которых больше двух (т.е. кроме этилена), имеют изомеры. Для алкенов характерны изомерия углеродного скелета, положения двойной связи, межклассовая и геометрическая (пространственная). С ростом числа атомов углерода в молекуле количество изомеров быстро возрастает.

Алкины (также именуемые ацетиленовые углеводороды) – ациклические непредельные углеводороды, содержащие тройную связь между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n-2.

Атомы углерода при тройной связи находятся в состоянии sp-гибридизации и имеют валентный плоский угол 180°. Таким образом у алкинов связь С≡С линейна (угол 180°) и находится в одной плоскости. Связи C≡C образованы одной σ-связью и двумя π-связями. Длина связи C≡C составляет 0,121 нм.

По номенклатуре IUPAC названия алкинов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-ин»; положение тройной связи указывается арабскими цифрами.

Алкины образуют гомологический ряд, также называемый рядом ацетилена. К алкинам относятся: этин (ацетилен) C2H2, пропин C3H4, бутин C4H6, пентин C5H8, гексин C6H10, гептин C7H12, октин C8H14, нонин C9H16, децин C10H18 и т.д., которые имеют формулу CnH2n-2.

Алкины, число атомов углерода в которых больше трех (т.е. кроме ацетилена и пропина), имеют изомеры. Для алкинов характерны изомерия углеродного скелета, положения тройной связи и межклассовая. С ростом числа атомов углерода в молекуле количество изомеров быстро возрастает.

Диены (именуемые также алкадиены) – ациклические непредельные углеводороды, содержащие две двойных связи между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n-2.

В зависимости от взаимного расположения кратных связей, диены подразделяются на три группы:

– сопряжённые диены, в которых двойные связи разделены одинарной (1,3-диены)

– аллены с кумулированными двойными связями (1,2-диены)

– диены с изолированными двойными связями, в которых двойные связи разделены несколькими одинарными.

По номенклатуре IUPAC названия диенов образуются от названий соответствующих алканов заменой суффикса «-ан» на «-диен»; положение двух двойных связей указывается двумя арабскими цифрами.

Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp² гибридизации. Связи C=C представляют собой π-связи. В сопряженных диенах длина связи C=C составляет 0,137 нм, а C-C – 0,146 нм.

Диены образуют гомологический ряд. К диенам относятся: пропадиен (С3Н4), бутадиен (С4Н6), пентадиен (С5Н8), гексадиен (С6Н10), гептадиен (С7Н12), октадиен (С8Н14), нонадиен (С9Н16), декадиен (С10Н18) и т.д., которые имеют формулу CnH2n-2.

Диены, число атомов углерода в которых больше четырех (т.е. кроме пропадиена и бутадиена), имеют изомеры. Для диенов характерны изомерия углеродного скелета, положения двойной связи, межклассовая и геометрическая (пространственная, цис-транс-изомерия). С ростом числа атомов углерода в молекуле количество изомеров быстро возрастает.

Алициклические углеводороды:

Алициклические углеводороды – циклические углеводороды, молекулы которых содержат замкнутые кольца из атомов углерода (но не имеющие ароматического кольца), которые являются частично или полностью насыщенными. Алициклические соединения классифицируют по числу атомов в кольце, по числу колец, по наличию или отсутствию кратных связей.

К алициклическим углеводородам относятся циклоалканы, циклоалкены, циклоалкины.

Алициклические углеводороды имеют изомеры. Для них характерны изомерия углеродного скелета (кольца и боковых цепей), положения заместителей в цепи, положения двойной или тройной связи, межклассовая и геометрическая (пространственная, оптическая, цис-транс-изомерия, конформационная). С ростом числа атомов углерода в молекуле количество изомеров быстро возрастает.

Циклоалканы (именуемые также полиметиленовые углеводороды, нафтены, цикланы, циклопарафины) – насыщенные алициклические углеводороды, имеющие циклическое строение (т.е. имеющие замкнутое кольцо атомов углерода), содержащие только простые (одиночные) связи между атомами углерода и образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n (n⩾3).

По номенклатуре IUPAC названия циклоалканов образуются от названий соответствующих алканов добавлением приставки «цикло-».

Атомы углерода при С-С связи находятся в состоянии sp 3 гибридизации.

Циклоалканы образуют гомологический ряд. К циклоалканам относятся: циклопропан C3H6, циклобутан C4H8, циклопентан C5H10, циклогексан C6H12, циклогептан C7H14, циклооктан C8H16, циклононан C9H18, циклодекан C10H20 и т.д., которые имеют формулу CnH2n.

Циклоалкены (также именуемые циклоолефины) – ненасыщенные алициклические углеводороды, имеющие циклическое строение (т.е. имеющие замкнутое кольцо атомов углерода), содержащие одну двойную связь между атомами углерода и образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n-2 (n⩾3).

По номенклатуре IUPAC названия циклоалкенов образуются от названий соответствующих алкенов добавлением приставки «цикло-».

Циклоалкены образуют гомологический ряд. К циклоалкенам относятся: циклопропен C3H4, циклобутен C4H6, циклопентен C5H8, циклогексен C6H10, циклогептен C7H12 и т.д., которые имеют формулу CnH2n-2.

Циклоалкины – ненасыщенные алициклические углеводороды, имеющие циклическое строение (т.е. имеющие замкнутое кольцо атомов углерода), содержащие одну тройную связь между атомами углерода и образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n-4 (n⩾5).

По номенклатуре IUPAC названия циклоалкинов образуются от названий соответствующих алкинов добавлением приставки «цикло-».

Циклоалкины образуют гомологический ряд. К циклоалкинам относятся: циклопентин C5H6, циклогексин C6H8, циклогептин C7H10 и т.д., которые имеют формулу CnH2n-4.

Ароматические углеводороды:

Ароматические углеводороды (арены) – циклические углеводороды, которые имеют в своём составе ароматическую систему.

Ароматическая система – это электронная система молекулы, содержащая (в кольце), в соответствии с правилом Хюккеля, 4n+2 электронов (где n = 0, 1, 2, …).

Различают бензоидные (арены и структурные производные аренов, которые содержат бензольные ядра) и небензоидные (все остальные) ароматические углеводороды.

Состав аренов с одним бензольным кольцом отвечает общей формуле CnH2n-6 (n⩾6).

Атомы углерода в бензольном кольце находятся в состоянии sp 2 гибридизации и имеют валентный угол 120°. Каждый атом углерода образует 3 σ-связи. Бензольное кольцо имеет плоскую форму и образуют шестигранник. У каждого атома есть негибридная р-обиталь, на которой находится неспаренный электрон. Эта орбиталь перпендикулярна плоскости и поэтому все 6 π-электронов образует единую π-электронную систему. Длина связи между атомами углерода в бензольном кольце составляет 0,139 нм.

Ароматические углеводороды имеют множество изомеров.

УГЛЕВОДОРОДЫ

Углеводороды — органические соединения, молекулы к-рых построены из двух элементов — углерода и водорода. Углеводородные цепи составляют основу многих природных соединений: витаминов (см.), жирных кислот (см.), липидов (см.), антибиотиков (см.), каротиноидов (см.), природных красителей (см.) и др.; в организме человека и животных Углеводороды, особенно жиры (см.), являются основным видом резервных питательных веществ. В медицине многие Углеводороды используются непосредственно в качестве лекарственных средств или являются основой для их синтеза. Углеводороды в животных организмах часто образуют защитные пленки, у растений У. составляют основу синтезируемых полимеров, напр. каучуков (см.), входят в состав растительных масел (см. Масла растительные). Многие органические соединения (см.) представляют собой продукты замещения Углеводородов и являются их производными. Углеводороды составляют основу большинства горючих ископаемых и широко используются в народном хозяйстве.

В зависимости от того, как соединены между собой атомы углерода (см.) в углеродной цепи, Углеводороды делят на несколько типов. У. с открытой, неразветвленной или разветвленной насыщенной углеродной цепью (У. алифатического, или жирного, ряда) называют алканами, или парафинами. Первыми представителями ряда неразветвленных алканов являются метан (см.), этан, пропан, бутан. Названия следующих членов ряда состоят из приставки, указывающей число углеродных атомов (пент-, гекс-, гепт- и т. д.), и окончания «

ан», указывающего на принадлежность соединения к алканам; для того, чтобы указать на неразветвленность углеродной цепи, обычно добавляют приставку «н-» (нормальный). Приставка «изо-» используется в названиях соединений, в к-рых две метильные группы находятся на конце неразветвленной цепи, приставка «нео-» указывает на наличие трех метильных групп на конце неразветвленной цепи. При образовании названий другого типа У.— разветвленных — их рассматривают как продукт замещения более простого У. замещающими группами — радикалами (метилом, этилом, бутилом и др.). У., содержащие циклы (кольца), состоящие из углеродных атомов, связанных между собой простыми связями, называют циклоалканами (алициклическими У., циклопарафинами) . Богатым источником циклоалканов является нефть (см.), поэтому иногда их называют нафте-нами. Названия циклоалканов образуются путем добавления приставки «цикло-» к названиям соответствующих алканов (напр., циклопропан, циклопентан, циклогексан. и др.). Циклоалканы могут быть моно-циклическими, бициклическими и полициклическими. В природе наиболее широко распространены соединения с пяти- и шестичленными циклами.

Углеводороды, содержащие двойные связи, так наз. ненасыщенные У., называют алкенами, олефинами, или олефиновыми У. При образовании названий алкенов в названии соответствующего алкана окончание «-ан» заменяется на «-илен» (напр., этилен, пропилен, бутилен и т. д.). У., содержащие две или больше двойных связей, называют алкадиенами (две двойные связи), алкатриенами (три двойные связи) и т. д. Алкинами называют У., имеющие в молекуле тройные углерод — углеродные связи. Простейшим представителем этого класса У. является ацетилен (см.). Названия алкинов образуют из названий алканов, заменяя окончания «-ан» на «-ин» (напр., этин, бутин, гексин и т. д.). По числу тройных связей эти У. делят на алкадиины, алкатриины и т. д. У., содержащие одновременно двойные и тройные связи, называют алкенинами, алкадиенинами и т. д. в соответствии с числом двойных и тройных связей в их молекулах.

К циклическим У., содержащим двойные связи,— ароматическим У., или аренам, относится бензол (см.). Ароматическими называют все соединения, в молекулу к-рых входит бензольное кольцо, поэтому ароматический ряд соединений обозначают также как ряд бензола. К моно-циклическим У. ряда бензола относятся толуол (см.), ксилолы (см.) и др. Кроме того, существуют ряды ароматических У. с несколькими бензольными ядрами в молекуле. Ядра в них могут быть связаны простыми связями (бифенил), через промежуточные цепи атомов углерода (дифенилметан) или могут иметь общие углеродные атомы (нафталин, антрацен, фенантрен и др.). У. последнего типа носят название ароматических соединений с конденсированными бензольными ядрами. Сложные конденсированные ароматические У. делят на линеарные, напр, антрацен, центры бензольных ядер к-рых лежат на одной прямой, и ангулярные, напр, фенантрен (см.), бензольные ядра в их молекулах комбинируются т. о., что на одной прямой лежат центры только части этих ядер. Основными источниками ароматических У. являются нефть (сухая перегонка, или риформинг) и каменные угли (коксование).

У. в зависимости от количества углеродных атомов в их цепи могут быть газами (метан, этан), жидкостями и твердыми веществами (гексадекан, октадекан и др.). В ряду алканов с каждой дополнительной CH2-группой температура кипения повышается примерно на 30°, возрастают плотность и, в меньшей степени, температура плавления веществ. Температуры кипения и плавления циклоалканов выше, чем у соответствующих алканов. По мере увеличения количества двойных связей в молекулах алкенов или числа конденсированных ядер у ароматических У. эти соединения из бесцветных становятся окрашенными (каротин, гексацен). Алканы, алкены, алкины, циклоалканы и ароматические У. различаются УФ-, инфракрасными спектрами и спектрами ядерного магнитного резонанса (см.).

Все Углеводороды на воздухе сгорают с образованием воды и углекислого газа. Из всех У. алканы и циклоалканы в хим. отношении наиболее инертны. Алкены и алкины, наоборот, обладают высокой реакционной способностью и легко вступают в реакции присоединения по двойной и тройной связям. Высокой реакционной способностью обладают также соединения с сопряженными двойными связями (когда двойные связи чередуются с простыми связями между атомами углерода). Алкены и алкины способны к реакциям полимеризации (см.). Ароматические У. особенно легко вступают в разнообразные реакции замещения, чем определяется их широкое использование для разнообразных хим. синтезов.

Углеродные цепи У. в организме животных и растений синтезируются при участии ацил-КоА (см. Жирные кислоты, Саркозин, Трикарбоновых кислот цикл). Большинство аэробных клеток способно к полному окислению углеводородных цепей жиров до углекислого газа и воды в результате процессов, протекающих в матриксе митохондрий эукариотических клеток.

Углеводороды как профессиональные вредности

Все У. обладают наркотическими свойствами; интенсивность их наркотического действия возрастает в гомологических рядах до определенного члена ряда (так наз. правило Ричардсона). У разветвленных У. сила наркотического действия ослабляется пропорционально степени разветвления углеродной цепи. Высшие алкены наряду с наркотическим обладают судорожным действием, кроме того, они оказывают на дыхательные пути слабое раздражающее действие. Алициклические У. (циклоалканы) обладают более сильным действием, чем соответствующие У. жирного ряда. Алициклические У. раздражают кожу и слизистые оболочки, действуют на кровь и кроветворные органы (особенно непредельные алициклические У.).

Наркотическое действие У. обусловлено их взаимодействием с ц.н.с. на уровне нейрона и межнейронной синаптической связи. Специфическое действие на кровь и кроветворные органы алициклических У., в т. ч. ароматических У., в первую очередь, связывают с особенностями их метаболизма в организме и образованием фенолов и полифенолов.

Особое место среди У. с точки зрения профвредности (см. Профессиональные вредности) занимают ароматические У. с конденсированными бензольными ядрами, многие из них обладают онкогенными свойствами (см. Онкогенные вещества).

Опасность проф. отравлений У. в значительной степени обусловлена их летучестью. У. жирного ряда, представляющие собой в нормальных условиях газообразные вещества, могут содержаться в воздухе в любых концентрациях и приводить в ряде случаев к недостатку кислорода в шахтах и горных выработках и к взрывам. Пары предельных У. с длиной углеродной цепи 6 — 9 атомов углерода, входящих в состав бензинов (см.), уайт-спирита, керосина, могут создавать значительные концентрации в воздухе производственных помещений в резинотехнической, лакокрасочной, машиностроительной и других отраслях промышленности. Воздействие на человека смесей У. возможно при переработке нефти и газа, при синтезе спиртов и жирных к-т, в производстве детергентов (см.) и др., а также при использовании смесей У. в качестве топлива, смазочных масел, растворителей и при применении их для органического синтеза.

Хрон. отравления насыщенными У. характеризуются нарушениями со стороны в. н. с. Эти сдвиги наиболее выражены при хронических отравлениях смесями насыщенных и ненасыщенных У., а также У. нефти, бензинов, смазочных масел и др. Функциональные изменения со стороны ц. н. с. и в. н. с. сопровождаются сердечно-сосудистыми нарушениями, расстройствами жел.-киш. тракта, нарушениями функций печени, изменениями со стороны крови (коагулопатия) и поражением кроветворных органов.

При переработке и получении нефти, а также применении мазутов, битумов, смазочно-охлаждающих материалов, смазочных масел и др. возможны случаи поражения кожи: токсический меланоз (см.), проф. дерматиты (см.), экземы (см. Экзема), кератозы (см.), бородавчатые разрастания (см. Бородавка), папилломы (см. Папиллома, папилломатоз). Онкогенное действие продуктов перегонки каменного угля, горючих сланцев и нефтяных продуктов обусловлено присутствием в них полициклических У.

Лечение при хрон. отравлениях симптоматическое.

Острые отравления У. характеризуются неспецифическими симптомами, выражающимися бледностью, головной болью, слабостью, тошнотой, рвотой, понижением АД, потерей сознания. В ряде случаев, особенно при отравлении ненасыщенными алициклическими У., отмечают сильное раздражение слизистых оболочек, судороги. При отравлении ароматическими У. характерно кровотечение из слизистых оболочек, неврологические расстройства.

Первая помощь и неотложная терапия

Пострадавшего необходимо вынести в теплое, хорошо проветриваемое помещение, освободить от стесняющей дыхание одежды. Если токсическое вещество попало на кожу, его удаляют теплой водой с мылом. При остановке дыхания — немедленно искусственное дыхание, срочная доставка в специализированное леч. учреждение. При попадании высокотоксичного У. в желудок — промывание желудка 10—15 л воды с последующим введением 100—200 мл вазелинового или касторового масла. Необходима госпитализация, при поступлении желательно проведение гемодиализа.

В клинике — патогенетическая и симптоматическая терапия, особое внимание необходимо уделить профилактике и лечению экзотоксического шока (см.). Для лечения коагулопатии — введение гепарина, для улучшения гемодинамики и защиты печени от токсического действия У.— трасилол (50 000—100 000 ЕД в сутки внутривенно). Витамины группы В, глюкоза, липокаин, кокарбоксилаза, липоевая и глутаминовая к-ты. Длительность терапии определяется тяжестью состояния .

Экспертиза трудоспособности

Если хроническое или острое отравление Углеводородами не вызвало склонного к прогрессированию заболевания, заболевший может быть временно переведен на работу, не связанную с профвредностями. В случае рецидива болезни или ее утяжеления пострадавшего отстраняют от работы, сопровождающейся контактом с профвредностями.

См. также Отравления, профессиональные; Профессионалъные болезни, Экспертиза.

Меры профилактики отравлений Углеводородами: строгое гиг. нормирование (см. Нормативы гигиенические), замена токсических У. на безопасные или менее опасные, совершенствование технологии, герметизация оборудования, автоматизация технологического процесса, местная и общеобменная вентиляция, соблюдение мер индивидуальной защиты. Необходимой профилактической мерой являются предварительные (при поступлении на работу) и периодические медосмотры (см. Медицинский осмотр), а также специальное питание (см. Питание лечебно-профилактическое).

Предельно допустимая концентрация для алифатических насыщенных У. с длиной углеродной цепи до 10 углеродных атомов в воздухе рабочей зоны, в пересчете на углерод 300 мг/м 3 (класс опасности 4). ПДК отдельных алифатических и алициклических У. в воздухе рабочей зоны составляют: амилены (смесь изомеров) — 10 мг/м 3 , 1,3-бутадиен — 100 мг/м 3 , изопрен — 40 мг/м 3 , винил ацетилен — 20 мг/м 3 , циклогексан — 80 мг/м 3 , метилциклогексан — 50 мг/м 3 , циклопентадиен — 5 мг/м 3 , дициклопентадиен — 1 мг/м 3 .

Библиогр.: Бруевич Т. С. Бластомогенность продуктов переработки нефти, М., 1980; Вредные вещества в промышленности, под ред. Н. В. Лазарева и Э. Н. Левиной, т. 1, с. 9, Л., 1976; Люблина Е. И., Минкина Н. А. и Рылова М. Л. Адаптация к промышленным ядам как фаза интоксикации, Л., 1971; Мецлер Д. Биохимия, пер. с англ., т. 1, с. 80 и др., М., 1980; Робертс Дж. и Касерио М. Основы органической химии, пер. с англ., т. 1, с. 248, т. 2, с. 310, М., 1978; Саноцкий И. В. и Уланова И. П. Критерии вредности в гигиене и токсикологии при оценке опасности химических соединений, М., 1975; Справочник по профессиональной патологии, под ред. Л. Н. Грацианской и В. Е. Ковшило, Л., 1981.

И. Уланова (гиг.), Н. В. Проказова (биохим.).

УГЛЕВОДОРОДЫ

Углеводороды являются родоначальниками основных классов органических соединений, поэтому необходимо уделить особое внимание их изучению. При их рассмотрении необходимо заострить внимание на таких положениях, как: гомологический ряд, изомерия, номенклатура, углеводородный и свободный радикалы.

Углеводороды – класс простейших органических соединений, состоящий из углерода и водорода, подчиняющийся общей формуле СnНm.

При замещении атомов водорода на различные функциональные группы или радикалы получают самые разнообразные соединения, которые группируются в гомологические ряды, в которых каждый последующий гомолог отличается от предыдущего на группу СН2, называемую гомологической разностью. Каждый гомологический ряд подчиняется общей формуле и имеет сходные химические свойства. Гомологи могут отличаться физическими свойствами – результат перехода количественных изменений в качественные.

Углеводороды в зависимости от строения углеродного скелета и характера связи между атомами углерода делятся на алканы (предельные), алкены, алкины, диеновые (непредельные), арены (циклические непредельные), алициклические (циклоалканы).

Характерной особенностью алканов является то, что атомы углерода, находящиеся в состоянии sр 3 гибридизации, соединены между собой одной -связью, а все остальные валентности насыщены атомами водорода. Общая формула алканов СnН2n+2. Гомологический ряд алканов составляют метан (СН4), этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10), пентан (С5Н12) и т. д.

При изучении алканов надо научиться составлять структурные формулы, помня при этом, что углерод в органических соединениях четырехвалентен. Составляя структурные формулы, обратите внимание на существование изомеров, т. е. органических веществ, имеющих одинаковый состав, но отличающихся расположением атомов в молекулах. Соединения с неразветвленной углеродной цепью называются нормальными, с разветвленной – изосоединениями. Например:

Структурные формулы, показывающие порядок химической связи атомов в молекуле, не передают их пространственного расположения. Вместе с тем молекулы алканов существуют в виде различных конформаций или поворотных изомеров – энергетически неравноценных форм молекул, переходящих друг в друга только за счет свободного вращения или изгиба связей, т. е. для алканов характерна конформационная разновидность пространственной изомерии.

Углеродные атомы в молекулах алканов могут быть первичными, когда они соединены с одним атомом углерода, вторичными – с двумя, третичными – с тремя, четвертичными – с четырьмя атомами углерода.

Общепринятой номенклатурой для алканов является международная ИЮПАК, в соответствии с которой углеводороды имеют окончание -ан, а радикалы, полученные от них путем отнятия одного атома водорода, -ил. Например:

Необходимо разобраться с основными принципами построения названий алканов с разветвленными цепями. Приступая к изучению химических свойств, следует иметь в виду, что алканы обладают малой химической активностью. Для них характерны реакции замещения (галогенирование, нитрование, сульфохлорирование), реакции с разрывом цепи (крекинг, окисление). Следует обратить внимание на свободнорадикальный механизм реакций замещения в алканах, а также изучить методы их получения (синтез Вюрца, гидрирование алкенов, сплавление солей карбоновых кислот со щелочью).

Углеводороды, в молекулах которых помимо простых -связей углерод-углерод и углерод-водород имеется углерод-углеродная -связь, называются алкенами. Общая формула алкенов СnН2n. Название каждого члена гомологического ряда алкенов соответствует названию алканов с тем же числом атомов углерода, только окончание -ан заменяется на -ен.

Для алкенов простого строения сохранились и такие названия, как этилен (этен), пропилен (пропен). Углеводородные радикалы имеют окончание -енил. Например:

При названии алкенов с разветвленной цепью углеродных атомов в качестве главной цепи выбирается цепь, содержащая двойную связь, и нумеруется так, чтобы атом углерода, от которого начинается двойная связь, получил наименьший номер, который и указывает положение двойной связи. Например:

При изучении явления изомерии у алкенов обратите внимание на структурную изомерию, обусловленную не только строением углеродного скелета, но и положением двойной связи. Кроме того, соединения, содержащие у атомов углерода, связанных двойной связью, хотя бы по одному разному заместителю, могут существовать в виде двух пространственных изомеров. Расположение пары одинаковых заместителей по одну сторону плоскости двойной связи дает цис-изомер, по разные – трансизомер.

При изучении химических свойств алкенов следует обратить внимание на свойства двойной связи, состоящей из -связи и -связи менее прочной и легко деформируемой. Этим и объясняется реакционная способность алкенов, выражающаяся в их способности вступать в реакции присоединения, полимеризации, окисления. При этом следует учитывать, что реакции присоединения галогенводородов, воды и т. п. в несимметричных алкенах идут по правилу Марковникова, т. е. водород присоединяется к более гидрогенизированному атому углерода, а в присутствии перекисей – к менее гидрогенизированному.

Качественной реакцией на двойную связь является реакция с бромной водой, а для определения положения двойной связи в молекуле используют реакцию озонирования.

Алкины – углеводороды, содержащие тройную связь (-связь и две -связи) у одной пары углеродных атомов. Общая формула гомологического ряда алкинов Сn Н2n-2.

Для алкинов характерна структурная изомерия, т. е. изомерия углеродной цепи и положения тройной связи.

В соответствии с международной номенклатурой название каждого члена гомологического ряда алкинов соответствует названию алкенов с тем же числом атомов углерода, только окончание -ен заменяется на -ин.

Однако для алкинов простого строения сохранились и тривиальные названия, например, ацетилен (этин).

В разветвленных алкинах для указания положения тройной связи и замещающих групп цепь нумеруют так же, как в алкенах: выбор главной цепи и начало нумерации определяет тройная связь.

Радикалы алкинов называют алкинильными группами, а наиболее простые из них имеют тривиальные названия:

Изучая химические свойства алкинов, следует обратить внимание на особенности тройной связи. Все реакции присоединения, свойственные алкенам, наблюдаются и у алкинов и протекают с нуклеофильными реагентами даже несколько легче. Однако некоторые реакции протекают своеобразно (реакция М. Г. Кучерова). Большое значение имеют реакции присоединения спиртов, синильной кислоты, карбоновых кислот, альдегидов, кетонов, реакции димеризации, поскольку продукты этих реакций являются важнейшим сырьем для синтеза веществ, используемых в сельском хозяйстве. Другой особенностью алкинов является наличие у некоторых из них подвижного атома водорода (С-Н), обладающего кислотными свойствами, т. е. способностью замещаться на металлы с образованием ацетиленидов.

4. Диеновые углеводороды

Молекулы диеновых углеводородов содержат две двойные связи. Общая формула гомологического ряда СnН2n-2. Название диеновых углеводородов по международной номенклатуре образуется от названия соответствующего предельного углеводорода с добавлением окончания -диен. Цифрами указывается положение двойных связей.

При рассмотрении изомерии диеновых углеводородов обратите внимание на структурную изомерию (положение двойных связей и углеродной цепи), а также пространственную цис- и транс-изомерию. Среди диеновых углеводородов наибольшее практическое значение имеют соединения с сопряженными (1, 3) связями, так как они легко полимеризуются. Наиболее важными из диеновых углеводородов являются бутадиен, изопрен, хлоропрен. В связи с этим необходимо изучить их методы синтеза, уметь писать реакции полимеризации, присоединения, исходя из свойств сопряженных связей, т. е. наличия общего для всей молекулы -электронного облака. Например:

Атомы водорода и брома присоединяются не к двум соседним атомам углерода (1, 2), а к первому и четвертому (1, 4), в результате между 2-м и 3-м атомами углерода возникает двойная связь. Аналогично идут реакции полимеризации, которые лежат в основе получения синтетических каучуков. При изучении строения природного каучука обратите внимание на стереоизомерию: натуральный каучук имеет цис-строение цепей.

Изучая арены (ароматические углеводороды), следует обратить внимание на строение молекулы бензола, разобраться в понятиях «ароматичность», «резонанс». Для аренов, в основном, применяют тривиальные названия (бензол, толуол, нафталин, антрацен и др.). Называя более сложные производные бензола, нумеруют бензольное кольцо от заместителя по принципу: сумма цифр номеров заместителей должна быть наименьшей.

Радикал бензола С6Н5– носит название фенил, толуола (С6Н5-СН2-) – бензил. Однозамещенные бензола не имеют изомеров, а двухзамещенные производные бензола могут существовать в виде орто-, мета- и параизомеров (положение 1,2-орто; 1,3-мета, 1,4-пара).

Будучи непредельными по составу (общая формула аренов СnН2n-6) и по строению (наличие -электронного облака из шести р-электронов), арены не проявляют в обычных условиях свойств непредельных соединений. Они легче вступают в реакцию замещения, а не присоединения, устойчивы к действию окислителей. Изучите механизм реакций электрофильного замещения в бензольном ряду.

Реакции замещения в гомологах бензола имеют свои особенности. При рассмотрении их следует обратить внимание на то, что каждый заместитель в бензольном ядре, в зависимости от взаимодействия с ним, обладает определенным направляющим действием. По своему направляющему действию заместители делятся на электронодонорные и электроноакцепторные. Электронодонорные группы (ОН, NН2, NНR, NR2, ОR, СН3 и любой алкил, SН, SR, NНСОR, галогены) направляют последующие вводимые группы в орто- и параположения, в которых под их влиянием происходит повышение электронной плотности бензольного кольца.

Электроноакцепторные группы (NО2, SO3Н, СНО, СОR, СООН, СООR, СN) направляют последующие вводимые группы в метаположения. В присутствии электроноакцепторных групп электронные облака бензольного кольца смещаются в сторону этих групп, реакции замещения протекают с трудом и преимущественно в метаположении.

В зависимости от природы заместителей и их взаимного расположения в бензольном ядре направляющее действие их может быть согласованным и несогласованным.

При изучении ароматических углеводородов обратите внимание на использование их производных в качестве инсектицидов, гербицидов.

6. Алициклические углеводороды

Алициклические углеводороды (циклоалканы) представляют собой соединения, содержащие одно или более замкнутых колец углеродных атомов, соединенных простыми -связями, т. е. это несколько групп СН2, соединенных в цикл. Их состав выражается формулой СnН2n, как и состав алкенов, однако это предельные углеводороды.

Названия алициклических углеводородов строятся аналогично алканам с добавлением приставки цикло-: циклопропан, циклобутан и т. д. При наличии заместителей в цикле нумерацию следует вести по правилу: сумма номеров должна быть минимальной.

При изучении изомерии обратите внимание на ее виды и разновидности. В ряду алициклов имеют место оба вида изомерии: структурная (по величине цикла, положению заместителя в цикле, в боковых цепях) и пространственная (цис- и транс-, конформационная). Обратите также внимание на то, что по реакционной способности алициклические углеводороды различаются между собой в связи с наличием в различных циклических структурах избыточного углового напряжения (теория Байера). Наиболее реакционным является циклопропан, благодаря освобождению энергии напряжения при раскрытии цикла, например при реакциях гидрирования и галогенирования. Менее реакционноспособным является циклобутан, а циклопентан и циклогексан не отличаются от алканов, т. е. для них характерны реакции замещения.

Среди алициклов большое практическое значение приобретают полиэдрические циклоалканы (кубан – С8Н8, адамантан – С10Н16 и другие), которые рассматриваются как перспективные топливные смеси.

Предельные углеводороды – особенности строения, общая характеристика и основные свойства

Общая классификация

Общая формула предельных углеводородов — CnH2n+2. Если водород образует всего 1 связь, то у углерода их целых 4. Но это не свидетельствует о том, что между ними имеет место соотношение 1 к 4. Существуют не только одинарные, но и двойные, тройные связи между атомами углерода. По такому показателю выделяют классы углеводородов:

  1. Предельные. Их ещё называют алканами.
  2. Непредельные, или ненасыщенные алкены и алкины, соответственно, 2 и 3 связи.

Другая классификация относится к характеристикам молекул. В соответствии с ней выделяют углеводороды:

  • алифатические;
  • карбоциклические.

В первом случае вещества имеют линейную структуру, тогда как во втором они сформированы в виде замкнутой цепи. Карбоциклические подразделяются на ароматические и алициклические. Какие виды изомерии наблюдаются у предельных углеводородов:

  • углеродного скелета;
  • расположения кратной связи;
  • так называемая геометрическая;
  • межклассовая.

В отношении углеводородов имеет место и процесс полимеризации. Это ситуация, когда одинаковые молекулы соединяются. В итоге формируется материал, который совершенно не похож на базовый. Классический пример — полиэтилен. Для его получения используется стандартный этилен. Такое возможно, если приходится говорить о ненасыщенных углеводородах.

Отдельную категорию составляют структуры, относящиеся к непредельным. Новые атомы, непохожие на атомы водорода, притягивают новые атомы, пользуясь для этого свободными радикалами. В итоге формируются различные виды органических веществ. К ним можно отнести:

  • эфиры;
  • амины;
  • спирты.

Наглядные примеры

Углеводороды объединяют обширный список веществ. Их рассматривают в школе на уроках химии за 9 класс. Для нахождения формулы этих соединений составляются специальные уравнения. Несмотря на довольно большую классификацию, следует обозначить основные классы и соединения, относящиеся к ним. Вот их названия:

  1. Предельные. К ним относят гексан, бутан, пропан, метан. В таблице предельных углеводородов представлено очень много веществ, и их список гораздо больше. В большинстве случаев приходится говорить о наиболее распространенных газах.
  2. Алкены, или как их еще называют, олефины объединяют бутен, пропилен, этилен.
  3. Алкины включают гексен, пентин, ацетилен.
  4. Алкадиены и алкадиины. Им соответствуют вещества с двойной и тройной связью, соответственно.
  5. Циклоалканы представляет собой разновидность углеводородов, у которых цепь имеет замкнутый вид.

Ко второму классу причисляют циклопентен и циклопропен. Существуют циклоалкины, которые не встречаются в естественных условиях. Учёные с давних пор пытаются создавать их искусственным путем. Достигнуть цели удалось только в начале прошлого века. В составе молекул циклоалканов присутствует от 8 атомов углерода. Если их будет меньше, соединение будет отличаться нестабильностью. Объясняется это значительным напряжением.

Ароматические углеводороды включают довольно простые соединения наподобие бензола. Также в эту категорию включены индол и нафталин.

Ключевые параметры

Углеводороды способны объединять большое количество различных соединений. Но если говорить об основных характеристиках, приходится отметить, что общего у них почти нет. Единственное, в чём они сходятся, это состав. Строение всегда отличное. Примечательным является их переход от газообразной формы к твёрдой. Они также могут переходить к нему из жидкого состояния. Происходит это сообразно увеличению числа атомов углерода в начале ряда. Другое сходство, которое можно обнаружить, это способность к горению. Одновременно с этим выделяется большое количество тепла, когда образуются вода и углекислый газ.

Структурные особенности

Алканы являются гомологами метана, то есть его производными. Молекулярная формула этого вещества записывается, как CH4. В случае если отнять от него атом водорода, удастся получить радикал (углеводородный остаток) CH3. В большинстве случаев в молекуле присутствует 4-валентный углерод. Соответственно, объединение двух радикалов приводит к формированию дополнительного представителя ряда гомологов этана C2H6. После отщепления атома гидрогена образуется радикал — этил. При объединении его с CH3 удается получить еще один гомолог — пропан.

Рассматривая структуру пропана, можно установить, что его основу составляет 2 разновидности атомов углерода. Это первичные и вторичные соединения. Любой первичный атом имеет связь с 1 атомом углерода. Если атом гидрогена отщепить от первичного атома пропана, будет сформирован первичный пропил. Объединение метила со вторичным пропилом способствует образованию различных вариантов других гомологов. Это может быть изобутан, имеющий широкую ветвь углеродной цепи либо стандартный бутан, у которого карбоновая цепь является прямой.

Метан представляет собой наиболее типичный вариант алканов. Так называемая сигма-связь характерна для этих соединений. Допустим, у метана присутствует 4 ковалентные связи. Отвечает за это 3 p- и 1 s-орбиталь. Атом углерода образует такие связи благодаря s-орбитали.

Изомерия и номенклатура

Чтобы определить формулы гомологов, в том числе бутана с его формулой C4H10, необходимо изучить явление изомерии. Что касается бутана, то за стабильность его формулы отвечают два различных соединения, тогда как в отношении формулы C5H12 их 3. Число изомеров постепенно увеличивается по мере повышения числа атомов углерода в молекулах алкана. 5 структурных формул, соответственно, присутствует в формуле C6H14. Если первые четыре соединения являются газами, то с 5 по 12 представлены жидкости. Вещества с 16 и далее имеют твердую структуру.

Химические свойства

Предельные углеводороды причисляются к группе инертных веществ. Это можно объяснить сигма-связью атома водорода и углерода в алканах. Вот почему они не способны притягивать к себе атомы водорода. Вещества могут вступать в реакции расщепления, дегидрирования, нитрирования. Также они принимают участие в процессе радикального галогенирования. В последнем случае молекулы галогенов с лёгкостью могут замещать таковые у гидрогена в составе алкана. Процесс нитрования приводит к тому, что водород во вторичных и третичных соединениях замещается нитрогруппой.

Несколько сложнее этот процесс проходит в случае с первичными и вторичными атомами.

Предельные углеводороды используются в производстве органических веществ различных видов. Непредельные получаются после отсоединения атома водорода от них.

Естественные источники

Помимо синтетических соединений, встречаются и природные источники углеводородов. Они присутствуют в почве в виде залежей. Большую часть нефти и газа составляют именно углеводороды. При обработке нефти это хорошо прослеживается. Во время такого процесса отмечается выделение большого количества веществ, относящихся к углеводородам. В составе газа и вовсе присутствует до 97% метана. Это вещество формируется при разложении органических отходов. Соответственно, чтобы получить его, не приходится прикладывать значительных усилий.

Получить углеводороды можно и в условиях лаборатории. Есть соединения, которые невозможно увидеть в природе. Их добывают синтетическим путем, проводя специальные химические реакции.

Ароматические соединения

Это отдельный гомологический ряд, который имеет формулу СпН2п-6. Такие углеводороды способны вступать практически в любые реакции присоединения: галогенирование, гибридизация и т. д. Многочисленные эксперименты, проведённые в их отношении, показали небольшую химическую активность бензола — классического представителя этой категории. Он демонстрирует увеличение стойкости к окислению. Присоединение становится возможным для него при доступе к ультрафиолетовым лучам. Пребывание в ср2-гибридном состоянии является характерной особенностью бензола. Углеродные атомы находятся в единой плоскости.

Выделяют чётные и нечётные представителей этого класса. Их нумерация идёт по часовой стрелке, когда выделяют наиболее старших и наиболее младших заместителей. Четные варианты — 2 и 6 обозначают как ортоположения, 3 и 5, то есть нечетное, это метаварианты.

В большинстве случаев это жидкости, обладающие неприятным запахом и запрещённые к использованию без специализированной защиты. Они недостаточно хорошо растворяются в воде, но хорошо реагируют на органические растворители. Мало реагируют они и на кислоты. В смесях с добавлением соли одноосновных кислот органического происхождения вещества распадаются на ионы.

Бензол и другие ароматические углеводороды получают в промышленных условиях. Примером является каменноугольная смола. Ее и другие вещества аналогичного класса получают:

  • через отщепление атома водорода от циклопарафинов;
  • посредством ароматизации алканов.

Сфера применения

Углеводороды очень важны для полноценного ведения деятельности человека. Применение предельных углеводородов разнообразно. Наиболее ценными ресурсами считаются газ и нефть. Они применяются в качестве энергоносителей и топлива. Но это далеко не полный список всех способов применения веществ этого класса. Углеводороды окружают человека практически всюду. Посредством полимеризации удаётся формировать новые вещества, служащие основой для различных типов тканей, пластмасс. Также необходимо выделить в особую категорию бензин, прочие продукты нефтепереработки, а также лакокрасочные изделия, асфальт, керосин.

Современное общество не может обойтись как без предельных, так и непредельных углеводородов. Несмотря на то что запасы нефти уменьшаются с каждым годом, отказаться от их применения по-прежнему невозможно. Правда, ученые активно занимаются поисками альтернативных источников углеводородов. С другой стороны, той же универсальности применения и эффективности не смог показать ни один из них.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: