Alcanos :
Os alcanos são hidrocarbonetos saturados, em cujas moléculas todos os átomos estão ligados por ligações simples. Fórmula -
Propriedades físicas :
- Os pontos de fusão e ebulição aumentam com o peso molecular e o comprimento da cadeia de carbono principal
- Em condições normais, alcanos não ramificados de CH 4 a C 4 H 10 são gases; de C 5 H 12 a C 13 H 28 - líquidos; após C14H30 - sólidos.
- Os pontos de fusão e ebulição diminuem de menos ramificados para mais ramificados. Assim, por exemplo, a 20 °C, o n-pentano é um líquido e o neopentano é um gás.
Propriedades quimicas:
· Halogenação
esta é uma das reações de substituição. O átomo de carbono menos hidrogenado é halogenado primeiro (átomo terciário, depois secundário, átomos primários são halogenados por último). A halogenação de alcanos ocorre em estágios - não mais do que um átomo de hidrogênio é substituído em um estágio:
- CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl (clorometano)
- CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Cl 2 + HCl (diclorometano)
- CH 2 Cl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + HCl (triclorometano)
- CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl (tetraclorometano).
Sob a ação da luz, a molécula de cloro se decompõe em radicais, então eles atacam as moléculas de alcano, tirando delas um átomo de hidrogênio, resultando na formação de radicais metil CH 3, que colidem com as moléculas de cloro, destruindo-as e formando novas radicais.
· Combustão
A principal propriedade química dos hidrocarbonetos saturados, que determina seu uso como combustível, é a reação de combustão. Exemplo:
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q
Em caso de falta de oxigênio, em vez de dióxido de carbono, obtém-se monóxido de carbono ou carvão (dependendo da concentração de oxigênio).
Em geral, a reação de combustão de alcanos pode ser escrita da seguinte forma:
A PARTIR DE n H 2 n +2 +(1,5n+0,5)O 2 \u003d n CO 2 + ( n+1) H2O
· Decomposição
As reações de decomposição ocorrem apenas sob a influência de altas temperaturas. Um aumento na temperatura leva à quebra da ligação de carbono e à formação de radicais livres.
Exemplos:
CH 4 → C + 2H 2 (t > 1000°C)
C 2 H 6 → 2C + 3H 2
Alcenos :
Os alcenos são hidrocarbonetos insaturados contendo na molécula, além das ligações simples, uma ligação dupla carbono-carbono.A fórmula é C n H 2n
A pertença de um hidrocarboneto à classe dos alcenos é refletida pelo sufixo genérico -eno em seu nome.
Propriedades físicas :
- Os pontos de fusão e ebulição dos alcenos (simplificados) aumentam com o peso molecular e o comprimento da cadeia de carbono principal.
- Em condições normais, os alcenos de C 2 H 4 a C 4 H 8 são gases; de C 5 H 10 a C 17 H 34 - líquidos, após C 18 H 36 - sólidos. Os alcenos são insolúveis em água, mas facilmente solúveis em solventes orgânicos.
Propriedades quimicas :
· Desidrataçãoé o processo de separação de uma molécula de água de uma molécula de composto orgânico.
· Polimerização- este é um processo químico de combinação de muitas moléculas iniciais de uma substância de baixo peso molecular em grandes moléculas de polímero.
Polímeroé um composto de alto peso molecular, cujas moléculas consistem em muitas unidades estruturais idênticas.
Alcadienos :
Alcadienos são hidrocarbonetos insaturados contendo na molécula, além de ligações simples, duas ligações duplas carbono-carbono.
. Dienos são isômeros estruturais de alcinos.Propriedades físicas :
O butadieno é um gás (tfervendo -4,5°C), o isopreno é um líquido em ebulição a 34°C, o dimetilbutadieno é um líquido em ebulição a 70°C. O isopreno e outros hidrocarbonetos dieno são capazes de polimerizar em borracha. A borracha natural em seu estado purificado é um polímero com a fórmula geral (C5H8)n e é obtida a partir do látex de certas plantas tropicais.
A borracha é altamente solúvel em benzeno, gasolina, dissulfeto de carbono. Em baixa temperatura torna-se quebradiço, quando aquecido torna-se pegajoso. Para melhorar as propriedades mecânicas e químicas da borracha, ela é convertida em borracha por vulcanização. Para obter produtos de borracha, eles são primeiramente moldados a partir de uma mistura de borracha com enxofre, bem como com cargas: fuligem, giz, argila e alguns compostos orgânicos que servem para acelerar a vulcanização. Em seguida, os produtos são aquecidos - vulcanização a quente. Durante a vulcanização, o enxofre liga-se quimicamente à borracha. Além disso, na borracha vulcanizada, o enxofre está contido em um estado livre na forma de pequenas partículas.
Os hidrocarbonetos dieno são facilmente polimerizados. A reação de polimerização dos hidrocarbonetos dieno é a base da síntese da borracha. Entre em reações de adição (hidrogenação, halogenação, hidrohalogenação):
H 2 C \u003d CH-CH \u003d CH 2 + H 2 -> H 3 C-CH \u003d CH-CH 3
Alcinos :
Os alcinos são hidrocarbonetos insaturados cujas moléculas contêm, além de ligações simples, uma ligação tripla carbono-carbono.
Propriedades físicas :
Os alcinos são semelhantes em propriedades físicas aos alcenos correspondentes. Inferior (até C 4) - gases sem cor e odor, com pontos de ebulição mais altos do que seus equivalentes em alcenos.
Os alcinos são pouco solúveis em água, melhor em solventes orgânicos.
Propriedades quimicas :
reações de halogenação
Os alcinos são capazes de adicionar uma ou duas moléculas de halogênio para formar os correspondentes derivados de halogênio:
Hidratação
Na presença de sais de mercúrio, os alcinos adicionam água para formar acetaldeído (para acetileno) ou cetona (para outros alcinos)
DEFINIÇÃO
Alcanos hidrocarbonetos saturados são chamados, cujas moléculas consistem em átomos de carbono e hidrogênio, ligados uns aos outros apenas por ligações σ.
Em condições normais (a 25 o C e pressão atmosférica), os primeiros quatro membros da série homóloga dos alcanos (C 1 - C 4) são gases. Alcanos normais de pentano a heptadecano (C 5 - C 17) são líquidos, a partir de C 18 e acima são sólidos. À medida que o peso molecular relativo aumenta, os pontos de ebulição e fusão dos alcanos aumentam. Com o mesmo número de átomos de carbono em uma molécula, os alcanos ramificados têm pontos de ebulição mais baixos do que os alcanos normais. A estrutura da molécula de alcanos usando metano como exemplo é mostrada na fig. 1.
Arroz. 1. A estrutura da molécula de metano.
Os alcanos são praticamente insolúveis em água, pois suas moléculas são de baixa polaridade e não interagem com as moléculas de água. Os alcanos líquidos misturam-se facilmente entre si. Eles se dissolvem bem em solventes orgânicos não polares, como benzeno, tetracloreto de carbono, éter dietílico, etc.
Obtenção de alcanos
As principais fontes de vários hidrocarbonetos saturados contendo até 40 átomos de carbono são petróleo e gás natural. Alcanos com um pequeno número de átomos de carbono (1 - 10) podem ser isolados por destilação fracionada de gás natural ou fração de gasolina do petróleo.
Existem métodos industriais (I) e laboratoriais (II) para obtenção de alcanos.
C + H 2 → CH 4 (kat = Ni, t 0);
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (kat \u003d Ni, t 0 \u003d 200 - 300);
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (kat, t 0).
— hidrogenação de hidrocarbonetos insaturados
CH 3 -CH \u003d CH 2 + H 2 →CH 3 -CH 2 -CH 3 (kat \u003d Ni, t 0);
- recuperação de haloalcanos
C 2 H 5 I + HI → C 2 H 6 + I 2 (t 0);
- reações de fusão alcalina de sais de ácidos orgânicos monobásicos
C 2 H 5 -COONa + NaOH → C 2 H 6 + Na 2 CO 3 (t 0);
- interação de haloalcanos com sódio metálico (reação de Wurtz)
2C 2 H 5 Br + 2Na → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 2NaBr;
– eletrólise de sais de ácidos orgânicos monobásicos
2C 2 H 5 COONa + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + C 4 H 10 + 2CO 2;
K (-): 2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH -;
A (+): 2C 2 H 5 COO - -2e → 2C 2 H 5 COO + → 2C 2 H 5 + + 2CO 2.
Propriedades químicas dos alcanos
Os alcanos estão entre os compostos orgânicos menos reativos, o que é explicado por sua estrutura.
Alcanos em condições normais não reagem com ácidos concentrados, álcalis fundidos e concentrados, metais alcalinos, halogênios (exceto flúor), permanganato de potássio e dicromato de potássio em ambiente ácido.
Para os alcanos, as reações que ocorrem de acordo com o mecanismo radical são as mais características. A clivagem homolítica das ligações C-H e C-C é energeticamente mais favorável do que a sua clivagem heterolítica.
As reações de substituição radical ocorrem mais facilmente no átomo de carbono terciário, mais facilmente no átomo de carbono secundário e, finalmente, no átomo de carbono primário.
Todas as transformações químicas de alcanos prosseguem com a divisão:
1) Ligações C-H
- halogenação (S R)
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl ( hv);
CH 3 -CH 2 -CH 3 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 3 + HBr ( hv).
- nitração (S R)
CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 + HONO 2 (diluído) → CH 3 -C (NO 2) H-CH 3 + H 2 O (t 0).
– sulfocloração (S R)
R-H + SO 2 + Cl 2 → RSO 2 Cl + HCl ( hv).
– desidrogenação
CH 3 -CH 3 → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 (kat \u003d Ni, t 0).
- desidrociclização
CH 3 (CH 2) 4 CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2 (kat = Cr 2 O 3, t 0).
2) Ligações C-H e C-C
- isomerização (rearranjo intramolecular)
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 →CH 3 -C (CH 3) H-CH 3 (kat \u003d AlCl 3, t 0).
- oxidação
2CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 + 5O 2 → 4CH 3 COOH + 2H 2 O (t 0, p);
C n H 2n + 2 + (1,5n + 0,5) O 2 → nCO 2 + (n + 1) H 2 O (t 0).
Aplicação de alcanos
Os alcanos encontraram aplicação em várias indústrias. Vamos considerar com mais detalhes, usando o exemplo de alguns representantes da série homóloga, bem como misturas de alcanos.
O metano é a base da matéria-prima dos processos industriais químicos mais importantes para a produção de carbono e hidrogênio, acetileno, compostos orgânicos contendo oxigênio - álcoois, aldeídos, ácidos. O propano é usado como combustível automotivo. O butano é usado para produzir butadieno, que é uma matéria-prima para a produção de borracha sintética.
Uma mistura de alcanos líquidos e sólidos até C 25, chamada vaselina, é usada na medicina como base para pomadas. Uma mistura de alcanos sólidos C 18 - C 25 (parafina) é usada para impregnar vários materiais (papel, tecidos, madeira) para dar-lhes propriedades hidrofóbicas, ou seja, impermeabilidade à água. Na medicina, é utilizado para procedimentos fisioterapêuticos (tratamento com parafina).
Exemplos de resolução de problemas
EXEMPLO 1
| Exercício | Ao clorar o metano, obteve-se 1,54 g do composto, cuja densidade de vapor no ar é de 5,31. Calcule a massa de dióxido de manganês MnO 2 que será necessária para produzir cloro se a razão entre os volumes de metano e cloro introduzidos na reação for 1:2. |
| Solução | A razão entre a massa de um determinado gás e a massa de outro gás no mesmo volume, à mesma temperatura e à mesma pressão, é chamada de densidade relativa do primeiro gás sobre o segundo. Este valor mostra quantas vezes o primeiro gás é mais pesado ou mais leve que o segundo gás. O peso molecular relativo do ar é considerado igual a 29 (levando em consideração o conteúdo de nitrogênio, oxigênio e outros gases no ar). Deve-se notar que o conceito de "peso molecular relativo do ar" é usado condicionalmente, uma vez que o ar é uma mistura de gases. Vamos encontrar a massa molar do gás formado durante a cloração do metano: M gás \u003d 29 × D ar (gás) \u003d 29 × 5,31 \u003d 154 g / mol. Este é tetracloreto de carbono - CCl 4 . Escrevemos a equação da reação e organizamos os coeficientes estequiométricos: CH 4 + 4Cl 2 \u003d CCl 4 + 4HCl. Calcule a quantidade de substância tetracloreto de carbono: n(CCl4) = m(CCl4)/M(CCl4); n (CCl 4) \u003d 1,54 / 154 \u003d 0,01 mol. De acordo com a equação de reação n (CCl 4): n (CH 4) = 1: 1, então n (CH 4) \u003d n (CCl 4) \u003d 0,01 mol. Então, a quantidade de substância de cloro deve ser igual a n(Cl 2) = 2 × 4 n(CH 4), ou seja, n(Cl 2) \u003d 8 × 0,01 \u003d 0,08 mol. Escrevemos a equação da reação para a produção de cloro: MnO 2 + 4HCl \u003d MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. O número de mols de dióxido de manganês é de 0,08 mols, porque n (Cl 2): n (MnO 2) = 1: 1. Encontre a massa de dióxido de manganês: m (MnO 2) \u003d n (MnO 2) × M (MnO 2); M (MnO 2) \u003d Ar (Mn) + 2 × Ar (O) \u003d 55 + 2 × 16 \u003d 87 g / mol; m (MnO 2) \u003d 0,08 × 87 \u003d 10,4 g. |
| Responda | A massa de dióxido de manganês é 10,4 g. |
EXEMPLO 2
| Exercício | Defina a fórmula molecular do tricloroalcano, a fração mássica do cloro na qual é 72,20%. Faça as fórmulas estruturais de todos os isômeros possíveis e dê os nomes das substâncias de acordo com a nomenclatura substitucional IUPAC. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Responda | Vamos escrever a fórmula geral do tricloroalceno: C n H 2 n -1 Cl 3 . De acordo com a fórmula ω(Cl) = 3×Ar(Cl) / Mr(C n H 2 n -1 Cl 3) × 100% calcule o peso molecular do tricloroalcano: Mr(C n H 2 n -1 Cl 3) = 3 × 35,5 / 72,20 × 100% = 147,5. Vamos encontrar o valor de n: 12n + 2n - 1 + 35,5x3 = 147,5; Portanto, a fórmula do tricloroalcano é C 3 H 5 Cl 3. Vamos compor as fórmulas estruturais dos isômeros: 1,2,3-tricloropropano (1), 1,1,2-tricloropropano (2), 1,1,3-tricloropropano (3), 1,1,1-tricloropropano (4) e 1,2,2-tricloropropano (5). CH2Cl-CHCl-CH2Cl (1); CHCl2-CHCl-CH3 (2); CHCl2-CH2-CH2Cl (3); CCl3-CH2-CH3 (4); Alcanos (metano e seus homólogos) têm a fórmula geral C n H2 n+2. Os primeiros quatro hidrocarbonetos são chamados de metano, etano, propano, butano. Os nomes dos membros superiores desta série consistem na raiz - o numeral grego e o sufixo -an. Os nomes dos alcanos formam a base da nomenclatura IUPAC.Regras para nomenclatura sistemática:
O circuito principal é selecionado com base nos seguintes critérios em sequência:
A cadeia principal é numerada de uma extremidade à outra em algarismos arábicos. Cada substituinte recebe o número do átomo de carbono da cadeia principal à qual está ligado. A sequência de numeração é escolhida de tal forma que a soma dos números de substituintes (localizantes) seja a menor. Esta regra também se aplica à numeração de compostos monocíclicos.
Todos os grupos laterais de hidrocarbonetos são considerados como radicais monovalentes (ligados de forma simples). Se o próprio radical lateral contém cadeias laterais, uma cadeia principal adicional é selecionada de acordo com as regras acima, que é numerada a partir do átomo de carbono ligado à cadeia principal.
O nome do composto começa com uma lista de substituintes, indicando seus nomes em ordem alfabética. O nome de cada substituinte é precedido por seu número na cadeia principal. A presença de vários substituintes é indicada por prefixos-numeradores: di-, tri-, tetra-, etc. Em seguida, chama-se o hidrocarboneto correspondente à cadeia principal. Na tabela. 12.1 mostra os nomes dos cinco primeiros hidrocarbonetos, seus radicais, possíveis isômeros e suas fórmulas correspondentes. Os nomes dos radicais terminam com o sufixo -il.
Exemplo. Nomeie todos os isômeros do hexano. Exemplo. Nomeie o alcano da seguinte estrutura Neste exemplo, de duas cadeias de doze átomos, é escolhida aquela em que a soma dos números é a menor (regra 2). Usando os nomes dos radicais ramificados dados na Tabela. 12.2,
o nome deste alcano é um pouco simplificado: 10-terc-butil-2,2-(dimetil)-7-propil-4-isopropil-3-etildodecano. Quando a cadeia de hidrocarbonetos é fechada em um ciclo com a perda de dois átomos de hidrogênio, monocicloalcanos são formados com a fórmula geral C n H2 n. A ciclização começa a partir de C 3, os nomes são formados a partir de C n prefixado com ciclo: alcanos policíclicos. Seus nomes são formados pelo prefixo biciclo-, triciclo-, etc. Os compostos bicíclicos e tricíclicos contêm dois e três ciclos na molécula, respectivamente; para descrever sua estrutura, entre colchetes indique em ordem decrescente o número de átomos de carbono em cada um deles as cadeias que ligam os átomos nodais; sob a fórmula o nome do átomo: Este hidrocarboneto tricíclico é comumente referido como adamantano (do tcheco adamante, diamante) porque é uma combinação de três anéis de ciclohexano fundidos em uma forma que resulta em um arranjo semelhante ao diamante de átomos de carbono na rede cristalina. Hidrocarbonetos cíclicos com um átomo de carbono comum são chamados de espiranos, por exemplo, espiro-5,5-undecano: Moléculas cíclicas planares são instáveis, então vários isômeros conformacionais são formados. Ao contrário dos isômeros configuracionais (o arranjo espacial dos átomos em uma molécula sem levar em conta a orientação), os isômeros conformacionais diferem uns dos outros apenas pela rotação de átomos ou radicais em torno de ligações formalmente simples, mantendo a configuração das moléculas. A energia de formação de um confórmero estável é chamada conformacional. Os conformadores estão em equilíbrio dinâmico e são convertidos uns nos outros através de formas instáveis. A instabilidade dos ciclos planares é causada por uma deformação significativa dos ângulos de ligação. Mantendo os ângulos de ligação tetraédrica para o ciclohexano C 6H 12, duas conformações estáveis são possíveis: na forma de uma cadeira (a) e na forma de um banho (b):
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