Тема: Предельные углеводороды
Урок: Алканы. Химические свойства. Радикальное замещение на примере реакции галогенирования
1. Чем объясняется пассивность алканов
Химические свойства алканов
Алканы относятся к углеводородам, в которых отсутствуют кратные связи. Одно из названий углеводородов этого ряда – парафины, обозначает их химическую пассивность. Поэтому химические свойства алканов определяются таким образом:
1. Из-за предельности алканов реакции присоединения для них нехарактерны.
2. Из-за прочных связей С-С и С-Н (короткие и практически неполярные) следует малая реакционная способность (не реагируют с кислотами, щелочами, KMnO4 и т.п.)
3. Неполярность связей свидетельствует о том, что реакции могут проходить по свободнорадикальному механизму.
Основной тип реакций – радикальное замещение (radical substitution) SR.
Разорвать связь можно при помощи нагревания или УФ-излучения. Обычно реакции алканов идут при повышенных температурах или на солнечном свету.
2. Реакция галогенирования
Взаимодействие алканов с галогенами ( элементы VII-A группы) носит общее название –реакция галогенирования. Скорость реакции зависит от активности галогенов, которая уменьшается с увеличением радиуса атома.
Фтор химически слишком активен, и реакции алканов с его участием сопровождаютсявзрывом и окислением до CF4.
Взаимодействие алканов с йодом практически не протекает.
Реакции хлорирования и бромирования проводят при 300–400оC или при облучении УФ-лампой.
Механизм реакции замещения на примере хлорирования метана
При хлорировании атом Н в молекуле метана замещается на атом Cl. В избытке хлора происходит дальнейшее замещение:
СН4 + Сl2
CH3Cl + HCl;
CH3Cl + Сl2 CH2Cl2 + HCl;
CH2Cl2 + Сl2 CHCl3 + HCl;
CHCl3 + Сl2 CCl4 + HCl.
3. Механизм радикального замещения
Механизм реакции – последовательность стадий, через которые проходит химическая реакция.
Стадия 1 – зарождение цепи (инициация)
Когда молекулу хлора нагревают или облучают, слабая связь между атомами хлора рвется, при этом каждому из атомов при разрыве связи достается по одному электрону.
В результате образуются незаряженные частицы с неспаренным электроном – радикалы. Атомы в радикалах содержат на внешнем уровне нечетное число электронов. Поэтому радикалы – очень неустойчивые и реакционноспособные частицы.
Cl:Сl 
2 Сl·.
Стадия 2 – развитие (рост) цепи
Атом хлора при столкновении с молекулой алкана отрывает от нее атом Н, и образуется молекула HCl. Возникает новый свободный радикал ·СН3. Он далее реагирует с другой молекулой хлора. Такие взаимодействия могут повторяться много раз, образуя длинную цепь.
Сl· + CH4¾® HCl + ·СН3;
·СН3 + Сl2¾® Сl· + CH3Сl…
Стадия 3 – обрыв цепи (рекомбинация)
Два радикала могут встретиться, и цепь прервется:
·СН3 + Сl· ¾® CH3Сl;
2 Сl· ¾® Сl2;
2 ·СН3¾® CH3–CH3.
Обратите внимание: в последнем случае возникает вещество, в молекуле которого больше атомов углерода, чем в исходном алкане. Поэтому в смеси продуктов радикальных реакций алканов всегда присутствуют небольшие количества веществ с более длинной углеродной цепью.
Особенности радикального замещения
В реакцию радикального замещения легче всего вступают атомы водорода при третичном атоме С, затем при вторичном, а сложнее всего разорвать связь С-Н при первичном атоме углерода. Поэтому при бромировании 2-метилбутана преимущественно образуется 2-бром-2-метилбутан:
Реакция нитрования
По механизму радикального замещения протекает реакция нитрования алканов в газовой фазе (реакция Коновалова). Условия – повышенные температура и давление.
В парообразном состоянии азотная кислота разлагается:
2HNO3
2NO2 + ½ O2 + H2O.
Оксид азота (IV) является радикалом ·NO2. Он атакует молекулу алкана.
Итоговая реакция:
СH4 + HNO3 = СН3NO2 + H2O.
Горение алканов
Рис. 1. Горение метана
Горение алканов (рис. 1.) также является радикальной цепной реакцией, но, кроме того – разветвленной. На стадии развития цепи встречаются процессы, приводящие к размножению радикалов (разветвление). Фрагмент механизма горения метана:
• Инициирование:
RH + O2 = R· + ·HO2 (и др.)
• Развитие цепи:
R· + O2 = ·RO2
·RO2 + RH = ROOH + R·
• Разветвление:
ROOH = RO· + ·OH
ROOH + RH = RO· + R· + H2O
2ROOH = ·RO2 + RO· + H2O
Смесь метана с кислородом (в объёмном соотношении 1:2) или с воздухом (1:10) при поджигании сгорает со взрывом. Поэтому смеси метана, пропана, этана, бутана с воздухом очень опасны. Они иногда могут образоваться в шахтах, в мастерских, в жилых помещениях. С этими газами нужно проявлять осторожность при применении.
Подведение итога урока
На уроке была рассмотрена тема: «Алканы. Химические свойства. Радикальное замещение на примере реакции галогенирования». Вы узнали много нового о химических свойствах алканов, в частности, что представляет собой радикальное замещение, используя для примера реакцию галогенирования.
Список литературы
1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.
2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2008. – 463 с.
3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2010. – 462 с.
4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. – 278 с.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
1. Interneturok.ru (Источник).
2. Органическая химия (Источник).
3. Химик (Источник).
Домашнее задание
1. №№ 13, 18 (с. 22) Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.
2. Напишите уравнения реакций последовательного хлорирования пропана?
3. Какой из углеводородов легче вступит в реакцию радикального замещения: бутан или
2-метилпропан? Почему? Напишите уравнения реакций.
