лекція 3

1. Лекція 3
Алкани СnH2n+2 (насичені вуглеводні, парафіни)
Алкани – аліфатичні (ациклічні) насичені вуглеводні, в яких атоми
Карбону зв'язані між собою простими (одинарними) зв'язками в
нерозгалужені або розгалужені ланцюги.
Алкани – назва насичених вуглеводнів за міжнародною номенклатурою.
Парафіни– назва, що історично склалася, відображає властивості цих сполук
(від лати. parrum affinis – що має мало спорідненості, малоактивний).
Насиченими ці вуглеводні називають у зв'язку з повним насиченням
вуглецевого ланцюга атомами водню.
Прості представники алканів: метан, етан тощо.
Номенклатура, ізомерія алканів
Молекула алканів складається з атомів Карбону і Гідрогену,
сполучених простими зв’язками (σ-зв’язки).
Загальна формула алканів СnH2n+2
В основі номенклатури всіх органічних сполук за вимогами IUPAC
лежать назви гомологічного ряду алканів.
Гомологічний ряд — це ряд сполук, що відрізняються між собою на
одну або кілька метиленових груп СН2 (гомологічна різниця).
Алкани Алкіли
1. Метан СН4 метил;
2. Етан С2Н6 етил;
3. Пропан С3Н8 пропіл
4. Бутан С4Н10 бутил;
5. Пентан С5Н12 ; та ін..
6. Гексан С6Н14 ;
7. Гептан С7Н16 ;
8. Октан С8Н18 ;
9. Нонан С9Н20 .
10. Декан С10Н22
Суфікс -ан є характерним для назви всіх алканів. Починаючи з п'ятого
гомолога, назва алкана утворюється з грецького числівника, що позначає
кількість атомів Карбону в молекулі, і суфікса -ан:
пентан С5Н12, гексан С6Н14, гептан С7Н16, октан С8Н18, нонан С9Н20,
декан С10Н22 і т.д.

2. Радикал одновалентний – це група атомів, що відрізняється від
насичених вуглеводнів на один атом Гідрогену. Назва радикалу утворюється
шляхом заміни закінчення –ан на закінчення –ил або –іл.
Гомологи відрізняються молекулярною масою та фізичними
характеристиками. Із збільшенням числа атомів Карбону в молекулі алкану
(із зростанням молекулярної маси) в гомологічному ряду спостерігається
закономірна зміна фізичних властивостей гомологів (перехід кількості в
якість): підвищуються температури кипіння і плавлення, збільшується
густина. Маючи однаковий якісний склад і однотипні хімічні зв'язки,
гомологи володіють схожими хімічними властивостями. Тому, знаючи
хімічні властивості одного з членів гомологічного ряду, можна передбачити
хімічну поведінку і інших членів цього ряду.
Ізомерія алканів та їх одновалентних залишків (алкілів)
Ізомери — сполуки, що мають однаковий якісний та кількісний склад,
але різний порядок зв’язку атомів у молекулі:
CH3
CH2
CH2
CH3
CH3
CH CH3
CH3
н-Бутан 2-Метилпропан
Поняття про первинні, вторинні, третинні атоми Карбону
CH3
C
CH3
CH3
CH2
CH
CH3
CH3
Ізооктан
Первинний атом – це такий атом Карбону, який із чотирьох зв’язків
використовує лише один на зв'язок із іншим атомом Карбону, вторинний – з
двома іншими атомами Карбону і т.д..
Алкіли також поділяються на первинні, вторинні і третинні
(четвертинних немає) залежно від того, біля якого атому Карбону
знаходиться вільна валентність.
Алкіли існують в ізомерних формах, починаючи з пропілу:
CH3
CH2
CH2 пропіл первинний,
CH3
CH
CH3
ізопропіл,
CH3
CH2
CH2
CH2 бутил первинний,

3. CH3
CH2
CH CH3 втор-бутил,
CH3
C
CH3
CH3 трет-
бутил.
Приклад написання структурних формул структурних ізомерів
молекули гептану.
1.
CH3
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3 2.
CH3
CH CH2
CH2
CH2
CH3
CH3
3.
CH3
CH2
CH CH2
CH2
CH3
CH3
4.
CH3
CH CH CH2
CH3
CH3 CH3
5.
CH3
CH CH2
CH CH3
CH3
CH3
6.
CH3
C CH2
CH2
CH3
CH3
CH3
7.
CH3
CH2
C CH2
CH3
CH3
CH3 8.
CH3
C CH
CH3
CH3
CH3
CH3
Правила номенклатури IUPAC
1. У молекулі визначається найдовший нерозгалужений ланцюг
атомів Карбону.
2. Він нумерується таким чином, щоб виконувалось «правило
локантів» (це стосується алканів), а для всіх інших органічних
функціональних похідних нумерація іде з того кінця ланцюга, до
якого ближче розташована функціональна група.
3. У ланцюгу визначають місце знаходження бічних відгалужень
(алкілів); ці бічні замісники перераховуються в порядку зростання
молекулярної маси з позначенням знаходження кожного замісника
в ланцюгу відповідним локантом і префіксом, що відповідає
кількості однакових замісників.
4. У кінці назви вказується назва основного ланцюга.
5. У випадку деяких функціональних похідних, залежно від типу
функціональної групи, її місцезнаходження і тип позначаються або
префіксом або суфіксом.

4. CH3
CH
C2
H5
C
CH3
CH CH2
CH CH2
CH2
CH
CH3
CH3
C2
H5
CH CH3
CH3 CH3
;
3,4,4,10-Тетраметил-5-етил-7-ізопропілундекан
Σ =3+4+4+5+7+10=17
Σ=2+5+7+8+8+9=19
Правило локантів: нумерація ланцюга ведеться таким чином, щоб сума
локантів була найменшою.
Приклад контрольного завдання:
За назвою сполуки записати формулу: 4-Метил-2,4-діетилоктан
CH3
CH CH2
C2
H5
C
C2
H5
CH3
CH2
CH2
CH2
CH3
Найдовший ланцюг налічує 9 атомів Карбону, тому назва сполуки:
3,5-Диметил-5-етилнонан
За раціональною номенклатурою алкани розглядають як похідні
найпростішого вуглеводню - метану, в молекулі якого один або кілька
водневих атомів заміщені на алкільні залишки (радикали). Ці замісники
називають за старшинством (від менш складних до більш складних). Якщо ці
замісники однакові, то вказують їх кількість. В основу назви включають
слово "метан":
CH3
CH CH2
-CH3
CH3
за раціональною номенклатурою диметилетилметан
за номенклатурою IUPAC – 2- Метил-бутан
Будова молекул алканів
Електронні і структурні формули відображають хімічну будову, але не
дають уявлення про просторову будову молекул, яка істотно впливає на
властивості речовини.
Просторова будова, тобто взаємне розташування атомів молекули в
просторі, залежить від спрямованості атомних орбіталей цих атомів. У
вуглеводнях головну роль грає просторова орієнтація атомних орбіталей
Карбону.

5. Чотири σ- зв'язки атома Карбону спрямовані в просторі під кутом,
109о
28' що відповідає найменшому відштовхуванню електронів. Тому
молекула найпростішого представника алканів - метану СН4 - має форму
тетраедра, в центрі якого знаходиться атом Карбону, а у вершинах - атоми
Гідрогену.
Будова молекули метану
Молекули більш довгих сполук ряду алканів побудовані схожим чином:
Моделі молекул алканів
Методи добування алканів
Ці методи можна умовно поділити на групи за ознакою зміни довжини
карбонового ланцюга вихідної сполуки, порівняно з ланцюгом кінцевого
алкану.
І. Способи подовження карбонового ланцюга.
1. Реакція Вюрца – взаємодія галогенопохідних з металічним натрієм:
а) реакція включає одну галогенопохідну:
CH3
CH2 Cl Cl CH2
CH3
CH3
CH2
CH2
CH3
+ 2 Na + + 2 NaCl ;
б) реакція Вюрца для суміші двох галогенопохідних (R, R'):
R– один залишок;
Hal– будь-який Hal (I, Br, Cl):
R-Hal + Na + Hal-R' R-R + R'-R' + R'-R NaHal+2 2

6. Приклад :
CH3
CH Br
CH3
Br CH
CH3
CH2
CH3
CH3
CH CH
CH3
CH3
CH2
CH3
CH3
CH
CH3
CH
CH3
CH3
CH3
CH2
CH CH
CH3
CH2
CH3
CH3
+ 2 Na + +
+ + 2 NaBr+
2. Реакція Кольбе – електроліз водних розчинів натрієвих або калієвих
солей карбонових кислот:
а) дисоціація солі карбонової кислоти:
R C
O
ONa
R C
O
O
+ Na
+
б) власне електроліз:
R C
O
O
R C
O
O
CO2
R
A (анод) : - е
R·– радикал,
R C
O
O
R C
O
O
- CO2
R
-e
в) рекомбінація радикалів:
R R R R+
Приклад скороченого запису реакції Кольбе:
CH3
C
O
ONa CO2
(H2
O)
C2
H6
(CH3
-CH3
)2
-2
ІІ. Методи добування алканів зі збереженням довжини карбонового
ланцюга.
1. Взаємодія галогенопохідних з йодоводневою кислотою
(НІ – відновник):
CH3
CH2
CH
I
CH3
-I2
CH3
CH2
CH2
CH3
HI
2. Гідрогенізація (гідрування) ненасичених сполук:

7. CH CH
CH3
CH3
CH2
CH3
CH2
CH
CH3
CH3
(Pt)
H2
ІІІ. Методи добування алканів зі скороченням карбонового ланцюга
вихідної сполуки.
Реакція Дюма — сплавлення натрієвих або калієвих солей карбонових
кислот з твердими їдкими лугами (декарбоксилювання солей карбонових
кислот):
R C
O
ONa -Na2
CO3
R H+ NaOH
t=300ºС
Алкан
Фізичні та хімічні властивості алканів
У складі молекул алканів є зв’язки типу С–Н, вони належать до σ-
зв′язків, тому є міцними, а значить малореакційноздатними, цим і
обумовлюється інертність алканів за звичайних умов. Для того щоб алкани
вступили в реакцію, необхідно надати їм значну порцію енергії (теплової,
променевої, тощо). При цьому полярні зв’язки розриваються дещо легше і
реагують у м’якіших умовах. Цим зумовлена група реакцій заміщення атомів
Гідрогену в молекулах алканів:
1. Галогенування.
CH3
CH
CH3
CH2
CH3
Cl2
CH3
C
Cl
CH3
CH2
CH3
+
h
- HCl
У першу чергу заміщення Гідрогену відбувається біля третинного
атома Карбону.
2. Нітрування (Реакція Коновалова).
Дія розбавленої нітратної кислоти HNO3 при підвищеному тиску і
підвищеній температурі. Порядок заміщення такий, як і при галогенуванні:
CH3
CH CH2
CH3
CH3 CH3
C
NO2
CH3
CH2
CH3
HO-NO2
t=110-130ºС
p=1,1-1,2 ат.
H2O++ розб.
(12-13%)
3. Сульфування.
Відбувається в першу чергу при вторинному атому Карбону, не
зачіпаючи третинний. Це зумовлено порівняно великим об’ємом
сульфогрупи і створюваними нею просторовими перешкодами при підході до
третинного атома Карбону:

8. CH3
CH
CH3
CH CH3
H
-SO3
H CH3
CH
CH3
CH CH3
SO3
H
+ HO + H2O
Окремі представники, застосування алканів
Вуглеводні мають важливе значення як у практичній
діяльності людини, так і в науковому плані. По-перше, велика
кількість молекул органічних сполук містить вуглеводневі
залишки, тому для вивчення властивостей цих молекул потрібно
знати властивості вуглеводнів.
По-друге, вивчення властивостей вуглеводнів дозволяє
зрозуміти можливості їх практичного застосування у синтезі
найрізноманітніших сполук, потрібних людині в процесі її
життєдіяльності.
Вуглеводні містяться у земних надрах у складі нафти,
кам'яного вугілля, природного газу, горючих сланців, торфу тощо.
Проте запаси цих корисних копалин на Землі не безмежні. Однак
людство використовує ці цінні ресурси головним чином в якості
палива. Лише невелика частина використовується як сировина для
хімічної промисловості. Так, лише 15% нафти, що видобувається,
застосовується в якості хімічної сировини, а решта витрачається
для одержання паливно-мастильних матеріалів.
Насичені вуглеводні широко застосовуються у різних
галузях народного господарства:
• Газоподібні алкани (метан та пропан-бутанова суміш) - цінне
паливо.
• Рідкі вуглеводні – ракетне паливо, розчинники.
• Вазелінове масло (суміш рідких вуглеводнів з кількістю
атомів Карбону до 15) – використовується в медицині,
косметології, парфумерії.
• Вазелін (суміш рідких та твердих вуглеводнів з кількістю
атомів Карбону до 25) - мазі.
• Парафін (суміш твердих вуглеводнів С19-С35) –
застосовується для виробництва свічок, пропитки паперу,
сірників, для теплових процедур в медицині. Є сировиною
для одержання органічних спиртів, кислот, миючих засобів,
ПАР.
• Нормальні алкани середньої молекулярної маси – поживний
субстрат у мікробіологічному синтезі.

9. • Галогенопохідні алканів – розчинники, сировина для
органічного синтезу.
• Сировинна база для хімічної промисловості для одержання
різноманітних органічних сполук
Метан є основною складовою природного газу. Крім того, він
міститься в кам’яновугільних пластах – під час їхньої розробки утворюються
вибухонебезпечні суміші метану з повітрям, так званий «рудниковий газ».
Метан разом з оксидом Карбону (ІV) міститься в болотному газі, який
утворюється на дні озер і на болотах унаслідок анаеробного (метанового)
бродіння целюлози.
Необхідний для промислових потреб метан виділяють з природного
газу, добувають при крекінгу нафти. Можливий також синтез метану при
взаємодії оксидів Карбону з воднем:
CO + CH4
+ H2
O
CO2
+ CH4
+ H2
O
H23
(Ni), t
H24
(Ni), t
Метан – безбарвний, неотруйний газ, який не має запаху. На повітрі або
в атмосфері кисню він горить блакитним полум’ям. Його суміш з повітрям
або киснем – вогне- та вибухонебезпечна.
Метан має різноманітне застосування у промисловості. У складі
природного, світильного та біогазів він використовується для виділення
тепла. У разі часткового окиснення метану або в результаті його термічного
розкладу добувають сажу, яка використовується як наповнювач у
виробництві гуми:
CH4
CH4
+ O2 C + H2
O
C + H2
O
2
1000ºC
2
Метан використовується для синтезу цілого ряду важливих сполук,
таких як метанол, синильна кислота, етин (ацетилен), хлорометан,
дихлорометан, хлороформ, тетрахлорометан, сірковуглець, формальдегід
тощо.
Етан, як і метан, виділяють із природного газу або газів крекінгу.
Лабораторними методами його синтезують за реакцією Вюрца, електролізом
натрійетаноату (реакція Кольбе).
Етан – горючий, безбарвний газ, який не має запаху, як і метан, він
використовується для виділення тепла, а також для синтезу важливих сполук
(хлороетану, етену тощо).
Бутан міститься в природному газі та нафті й утворюється в процесах
крекінгу.

10. За звичайних умов н-бутан та ізобутан – газоподібні, однак вони легко
конденсуються. Як і інші алкани використовується для виділення тепла. Крім
того, вони використовується для синтезу ненасичених вуглеводнів (1-бутену,
2-бутену, ізобутену, 1,3-бутадієну).