Her kimyasal bileşik sınıfı, elektronik yapıları nedeniyle özellikler gösterme yeteneğine sahiptir. Alkanlar, moleküllerin ikamesi, eliminasyonu veya oksidasyon reaksiyonları ile karakterize edilir. Tüm kimyasal süreçler, daha sonra tartışılacak olan kendi akış özelliklerine sahiptir.
Alkanlar nelerdir
Bunlar parafin adı verilen doymuş hidrokarbon bileşikleridir. Molekülleri yalnızca karbon ve hidrojen atomlarından oluşur, içinde yalnızca tek bileşiklerin bulunduğu doğrusal veya dallı bir asiklik zincire sahiptir. Sınıfın özellikleri göz önüne alındığında, hangi reaksiyonların alkanların özelliği olduğunu hesaplamak mümkündür. Sınıf çapındaki formüle uyarlar: H2n+2C.
Kimyasal yapı
Parafin molekülü, sp3-hibridizasyonu gösteren karbon atomları içerir. Dört değerlik orbitalinin hepsine sahiptirler, uzayda aynı şekle, enerjiye ve yöne sahiptirler. Enerji seviyeleri arasındaki açının boyutu 109° ve 28'dir.
Moleküllerdeki tekli bağların varlığı, hangi reaksiyonlarınalkanların özelliği. σ-bileşikleri içerirler. Karbonlar arasındaki bağ polar değildir ve zayıf polarize olabilir ve C-H'dekinden biraz daha uzundur. Elektron yoğunluğunda, en elektronegatif olan karbon atomuna doğru bir kayma da vardır. Sonuç olarak, C−H bileşiği düşük polarite ile karakterize edilir.
İkame reaksiyonları
Parafin sınıfındaki maddeler zayıf kimyasal aktiviteye sahiptir. Bu, polaritesizlik nedeniyle kırılması zor olan C–C ve C–H arasındaki bağların gücü ile açıklanabilir. Bunların yok edilmesi, serbest tip radikallerin katıldığı homolitik bir mekanizmaya dayanmaktadır. Bu nedenle alkanlar, ikame reaksiyonları ile karakterize edilir. Bu tür maddeler su molekülleri veya yük taşıyan iyonlarla etkileşime giremezler.
Hidrojen atomlarının halojen elementleri veya diğer aktif gruplarla değiştirildiği serbest radikal ikamesini içerirler. Bu reaksiyonlar, halojenasyon, sülfoklorinasyon ve nitrasyon ile ilgili işlemleri içerir. Sonuçları, alkan türevlerinin hazırlanmasıdır.
Serbest radikal ikame reaksiyonlarının mekanizması üç ana aşamaya dayanır:
- Süreç, bir zincirin başlaması veya çekirdeklenmesiyle başlar ve bunun sonucunda serbest radikaller oluşur. Katalizörler ultraviyole ışık kaynakları ve ısıdır.
- Ardından, aktif parçacıkların aktif olmayan moleküllerle ardışık etkileşimlerinin gerçekleştiği bir zincir gelişir. Sırasıyla moleküllere ve radikallere dönüştürülürler.
- Son adım zinciri kırmak. Aktif partiküllerin rekombinasyonu veya kaybolması gözlemlenir. Bu, zincirleme reaksiyon gelişimini durdurur.
Halojenasyon süreci
Radikal tipte bir mekanizmaya dayanır. Alkanların halojenasyon reaksiyonu, ultraviyole ışıması ve halojen ve hidrokarbon karışımının ısıtılmasıyla gerçekleşir.
Sürecin tüm aşamaları Markovnikov'un belirttiği kurala tabidir. Her şeyden önce, en hidrojene karbona ait olan hidrojen atomunun bir halojen ile yer değiştirmeye tabi tutulduğunu belirtir. Halojenasyon şu sırayla ilerler: üçüncül atomdan birincil karbona.
İşlem, uzun bir ana karbon zincirine sahip alkan molekülleri için daha iyidir. Bunun nedeni bu yönde iyonlaştırıcı enerjideki azalmadır, bir elektron maddeden daha kolay ayrılır.
Bir örnek, bir metan molekülünün klorlanmasıdır. Ultraviyole etkisi, klorun alkana saldıran radikal parçacıklara bölünmesine yol açar. Atomik hidrojenin ayrılması ve H3C· veya bir metil radikalinin oluşumu vardır. Böyle bir parçacık da moleküler klora saldırır ve yapısının bozulmasına ve yeni bir kimyasal reaktifin oluşmasına yol açar.
İşlemin her aşamasında yalnızca bir hidrojen atomu değiştirilir. Alkanların halojenasyon reaksiyonu, kademeli olarak klorometan, diklorometan, triklorometan ve karbon tetraklorür moleküllerinin oluşumuna yol açar.
Şematik olarak, süreç şöyle görünür:
H4C + Cl:Cl → H3CCl + HCl, H3CCl + Cl:Cl → H2CCl2 + HCl, H2CCl2 + Cl:Cl → HCCl3 + HCl, HCCl3 + Cl:Cl → CCl4 + HCl.
Bir metan molekülünün klorlanmasından farklı olarak, diğer alkanlarla böyle bir işlemin gerçekleştirilmesi, hidrojen değişiminin bir karbon atomunda değil, birkaç karbon atomunda gerçekleştiği maddelerin elde edilmesiyle karakterize edilir. Kantitatif oranları, sıcaklık göstergeleri ile ilişkilidir. Soğuk koşullar altında, üçüncül, ikincil ve birincil yapıya sahip türevlerin oluşum hızında bir azalma vardır.
Sıcaklık artışı ile bu tür bileşiklerin oluşum hızı azalır. Halojenasyon süreci, bir radikalin bir karbon atomuyla çarpışmasının farklı bir olasılığını gösteren statik faktörden etkilenir.
İyot ile halojenasyon işlemi normal şartlar altında ilerlemez. Özel koşullar yaratmak gereklidir. Metan bu halojene maruz kaldığında hidrojen iyodür oluşur. Metil iyodürden etkilenir, sonuç olarak ilk reaktifler salınır: metan ve iyot. Böyle bir reaksiyon tersine çevrilebilir olarak kabul edilir.
Alkanlar için Wurtz reaksiyonu
Simetrik bir yapıya sahip doymuş hidrokarbonlar elde etmek için bir yöntemdir. Reaktan olarak sodyum metali, alkil bromürler veya alkil klorürler kullanılır. saatetkileşimleri, sodyum halojenür ve iki hidrokarbon radikalinin toplamı olan uzatılmış bir hidrokarbon zinciri üretir. Şematik olarak sentez şu şekildedir: R−Cl + Cl−R + 2Na → R−R + 2NaCl.
Alkanlar için Wurtz reaksiyonu, ancak moleküllerindeki halojenler birincil karbon atomundaysa mümkündür. Örneğin, CH3−CH2−CH2Br.
İşlemde iki bileşiğin halokarbon karışımı varsa, zincirlerinin yoğunlaşması sırasında üç farklı ürün oluşur. Alkanların böyle bir reaksiyonunun bir örneği, sodyumun klorometan ve kloroetan ile etkileşimidir. Çıktı, bütan, propan ve etan içeren bir karışımdır.
Sodyuma ek olarak, lityum veya potasyum içeren diğer alkali metaller kullanılabilir.
Sülfoklorlama işlemi
Ayrıca Reed reaksiyonu olarak da adlandırılır. Serbest radikal ikamesi ilkesine göre ilerler. Bu, ultraviyole radyasyon varlığında kükürt dioksit ve moleküler klor karışımının etkisine alkanların karakteristik bir reaksiyonudur.
İşlem, klordan iki radikalin elde edildiği bir zincir mekanizmasının başlatılmasıyla başlar. Bunlardan biri alkana saldırır ve bir alkil türü ve bir hidrojen klorür molekülü ile sonuçlanır. Kükürt dioksit, karmaşık bir parçacık oluşturmak için hidrokarbon radikaline bağlanır. Stabilizasyon için, bir klor atomu başka bir molekülden yakalanır. Son madde alkan sülfonil klorürdür, yüzey aktif bileşiklerin sentezinde kullanılır.
Şematik olarak, süreç şöyle görünür:
ClCl → hv ∙Cl + ∙Cl, HR + ∙Cl → R∙ + HCl, R∙ + OSO → ∙RSO2, ∙RSO2 + ClCl → RSO2Cl + ∙Cl.
Nitrasyonla ilgili süreçler
Alkanlar, %10'luk bir çözelti şeklinde nitrik asit ile ve gaz halinde dört değerlikli nitrojen oksit ile reaksiyona girer. Akış koşulları, yüksek sıcaklık değerleri (yaklaşık 140 ° C) ve düşük basınç göstergeleridir. Çıkışta nitroalkanlar üretilir.
Bu serbest radikal süreç, nitrasyon sentezini keşfeden bilim adamı Konovalov'un adını almıştır: CH4 + HNO3 → CH 3HAYIR2 + H2O.
Bölünme mekanizması
Alkanlar dehidrojenasyon ve kraking reaksiyonları ile karakterize edilir. Metan molekülü tam bir termal ayrışmaya uğrar.
Yukarıdaki reaksiyonların ana mekanizması, atomların alkanlardan elimine edilmesidir.
Dehidrojenasyon işlemi
Metan hariç, parafinlerin karbon iskeletinden hidrojen atomları ayrıldığında doymamış bileşikler elde edilir. Alkanların bu tür kimyasal reaksiyonları, yüksek sıcaklıklarda (400 ila 600 °C) ve hızlandırıcıların etkisi altında platin, nikel, krom ve alüminyum oksitler şeklinde gerçekleşir.
Reaksiyonda propan veya etan molekülleri varsa, ürünleri propen veya bir çift bağ ile eten olacaktır.
Dört veya beş karbonlu bir iskeleti hidrojenden arındırırken, dienbağlantılar. Bütan, bütadien-1, 3 ve bütadien-1, 2'den oluşur.
Reaksiyonda 6 veya daha fazla karbon atomlu maddeler varsa, benzen oluşur. Üç çift bağ içeren aromatik bir çekirdeğe sahiptir.
Ayrıştırma işlemi
Yüksek sıcaklık koşulları altında, alkanların reaksiyonları, karbon bağlarının kırılması ve radikal tipte aktif parçacıkların oluşumu ile gerçekleşebilir. Bu tür işlemlere çatlama veya piroliz denir.
Reaktanların 500 °C'yi aşan sıcaklıklara ısıtılması, moleküllerinin ayrışmasına yol açar ve bu sırada alkil tipi radikallerin karmaşık karışımları oluşur.
Uzun karbon zincirli alkanların güçlü ısıtma altında pirolizinin gerçekleştirilmesi, doymuş ve doymamış bileşiklerin elde edilmesi ile ilişkilidir. Termal çatlama denir. Bu işlem 20. yüzyılın ortalarına kadar kullanıldı.
Dezavantajı, düşük oktan sayısına sahip (65'ten fazla olmayan) hidrokarbonların üretimiydi, bu nedenle katalitik kraking ile değiştirildi. İşlem, 440 °C'nin altındaki sıcaklık koşulları ve 15 atmosferin altındaki basınçlar altında, dallı bir yapıya sahip alkanların salınımı ile bir alüminosilikat hızlandırıcı varlığında gerçekleşir. Bir örnek metan pirolizidir: 2CH4 →t°C2 H2+ 3H2. Bu reaksiyon sırasında asetilen ve moleküler hidrojen oluşur.
Metan molekülü dönüşüme uğrayabilir. Bu reaksiyon, su ve bir nikel katalizörü gerektirir. Üzerindeçıktı, karbon monoksit ve hidrojen karışımıdır.
Oksidasyon süreçleri
Alkanların karakteristik kimyasal reaksiyonları elektronların verilmesini içerir.
Parafinlerin oto-oksidasyonu vardır. Doymuş hidrokarbonların oksidasyonu için serbest radikal bir mekanizma içerir. Reaksiyon sırasında alkanların sıvı fazından hidroperoksitler elde edilir. İlk aşamada, parafin molekülü oksijen ile etkileşime girer, bunun sonucunda aktif radikaller salınır. Ayrıca, başka bir O2 molekülü alkil partikülü ile etkileşime girerek ∙ROO ile sonuçlanır. Bir alkan molekülü, yağ asidi peroksit radikaliyle temasa geçer ve ardından hidroperoksit salınır. Bir örnek etanın otooksidasyonudur:
C2H6 + O2 → ∙C2 H5 + HOO∙, ∙C2H5 + O2 → ∙OOC 2H5, ∙OOC2H5 + C2H6→ HOOC2H5 + ∙C2H5.
Alkanlar, yakıtın bileşiminde belirlendiğinde ana kimyasal özellikler arasında yer alan yanma reaksiyonları ile karakterize edilir. Isı salınımı ile oksidatif bir karaktere sahiptirler: 2C2H6 + 7O2 → 4CO2 + 6H2O.
Proseste az miktarda oksijen varsa, nihai ürün O2 konsantrasyonu ile belirlenen kömür veya karbon divalent oksit olabilir.
Alkanlar katalitik maddelerin etkisi altında oksitlendiğinde ve 200 °C'ye ısıtıldığında, alkol, aldehit veyakarboksilik asit.
Etan örneği:
C2H6 + O2 → C2 H5OH (etanol),
C2H6 + O2 → CH3 CHO + H2O (etanal ve su), 2C2H6 + 3O2 → 2CH3 COOH + 2H2O (etanoik asit ve su).
Alkanlar, üç üyeli siklik peroksitlere maruz kaldıklarında oksitlenebilir. Bunlara dimetildioksiran dahildir. Parafinlerin oksidasyonunun sonucu bir alkol molekülüdür.
Parafin temsilcileri, KMnO4 veya potasyum permanganata ve ayrıca bromlu suya tepki vermez.
İzomerizasyon
Alkanlarda, reaksiyon tipi, elektrofilik bir mekanizma ile ikame ile karakterize edilir. Bu, karbon zincirinin izomerizasyonunu içerir. Bu işlem, doymuş parafin ile etkileşime giren alüminyum klorür tarafından katalize edilir. Bir örnek, 2-metilpropan olan bir bütan molekülünün izomerizasyonudur: C4H10 → C3 H 7CH3.
Koku işlemi
Ana karbon zincirinde altı veya daha fazla karbon atomu bulunan doymuş maddeler dehidrosiklizasyon yeteneğine sahiptir. Böyle bir reaksiyon, kısa moleküller için tipik değildir. Sonuç her zaman sikloheksan ve türevleri şeklinde altı üyeli bir halkadır.
Reaksiyon hızlandırıcıların varlığında daha fazla dehidrojenasyon gerçekleşir vedaha kararlı bir benzen halkasına dönüşür. Asiklik hidrokarbonlar, aromatik bileşiklere veya erenlere dönüştürülür. Bir örnek heksanın dehidrosiklizasyonudur:
H3C−CH2− CH2− CH 2− CH2−CH3 → C6H 12 (sikloheksan), C6H12 → C6H6+ 3H2 (benzen).
