Алканы. Что нужно знать для решения заданий ЕГЭ по Химии.

В органической химии, встречающейся в ЕГЭ есть своя система, знания которой может облегчить понимание этой сложной науки. Начнем с алканов.
Алканы(парафины) - это предельные алифатические углеводороды, в которых все связи одинарные(сигма-связь).

Характерный тип реакций: свободнорадикальное замещение(S_R).

В какие реакции вступают: замещение, изомеризация, окисление(метан, бутан), дегидрирование, крекинг, горение.

Именные реакции:

• Реакция Кольбе: R-COO-Na + H₂O → Алкан + CO₂↑ + NaOH + H₂↑
• Реакция Вюрца: 2Галогеналкан + 2Na → Алкан + 2NaCl
• Реакция Фишера -Тропша: n(CO + H₂) → Алкан + nH₂O
• Реакция Дюма: R-COO-Na + NaOH → Алкан + Na₂CO₃
• Реакция Коновалова: Алкан + HNO₃ → Нитроалкан + H₂O
• Реакция Семенова: Алкан + Cl₂ → Хлоралкан + HCl

Какие классы веществ можно получить из алканов:
- алкены, алкины, циклоалканы, арены(дегидрирование);
- одноатомные предельные спирты, альдегиды, карбоновые кислоты(окисление метана и бутана).

Как обнаружить алканы в растворе: качественных реакций для алканов нет, так как они не окисляются, не меняют окраску индикаторов, поэтому применяют путь исключения других углеводородов.

Специфические реакции:
Так как алканы - предельные CH(углеводороды), для них НЕ свойственны реакции окисления, присоединения и полимеризации. Однако, метан способен к окислению при высоких температурах образуя метанол(475 С, Cu), метаналь(300 C, Cu), метановую кислоту путем прямого окисления(+O₂).
Бутан окисляется до уксусной кислоты: C₄H₁₀ + 5O₂ → 4CH₃COOH + 2H₂O.
Метан вступает в реакции дегидрирования(отщепления водорода), причем при разных температурах образуются представители разных классов CH:
CH₄ (600 C) → этилен(C₂H₄)
CH₄ (1000 C) → уголь(C)
CH₄ (1500 C) → ацетилен(C₂H₂).
Сжигание метана с образованием этина называется пиролиз.

Особыми свойствами метана является образование угарного газа:
CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂

Остальные алканы также могут вступать в реакции дегидрирования с образованием алкенов(на первой стадии).

Важно: Суть органической химии заключается в том, что зная список химических реакций одного класса, можно выполнять их для всех представителей гомологического ряда этого класса.

Крекинг - это процесс термического разложения алканов, имеющих длинную углеродную цепь с образованием углеводородов с более короткой цепью.
В плане алканов это процесс кратного уменьшения алкана с образованием двух соединений - алкана и алкена, имеющих одинаковое количество С:
C₈H₁₈ → C₄H₁₀ + C₄H₈

Для алканов характерна реакция изомеризации(не считая метана, этана, пропана) с получением изомеров; основа реакции - катализатор хлорид алюминия(AlCl₃).
Специфическими реакциями получения метана являются синтез из простых веществ и гидролиз карбида алюминия:
C + 2H₂ → CH₄
Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄↑ + 4Al(OH)₃↓

Важно: ацетилен можно получить аналогичной реакцией гидролиза карбида кальция(принцип тот же).

Гексан обладает двумя необычными свойствами - дегидроциклизацией(отщепление H₂ с образованием цикла) с получением циклогексана и ароматизацией с получением бензола.
Суть реакции: отщепление водорода под влиянием катализатора Pt.

Важно: алканы по главным химическим свойствам схожи с аренами(ароматическими углеводородами):

• характерны реакции замещения, а не присоединения;
• реагируют при облучении с галогенами;
• реагируют с азотной кислотой с получением нитросоединения;
• не взаимодействуют с окислителями(KMnO₄, K₂Cr₂O₇, Br₂(бромная вода), O₂(при окислении))
• не растворяются в воде.

Реакции из цепочек ЕГЭ 2021(задание №33):
1) CH₃ꟷCH₂ꟷCH₃ + Cl₂ → CH₃ꟷCH(Cl)ꟷCH₃ + HCl
Рассмотрим этот процесс: это реакция Семенова, замещение водорода в молекуле алкана на галоген при облучении; почему атом хлора ушел ко второму атому С, а не к первому? Ответ прост - галоген отходит к наименее гидрированному атому С.

2) CH₃ꟷCH(Cl)ꟷCH₂ꟷCH₃ + NaOH(водный р-р)→ CH₃ꟷCH(OH)ꟷCH₂ꟷCH₃ + NaCl
В случае добавления щелочи к алкилгалогенидам мы можем наблюдать два процесса:
- если дан водный раствор щелочи, получаем спирт;
- если дан спиртовой раствор щелочи, получаем алкен(если 1 галоген) или алкин(если 2 галогена).
В нашем случае использован водный раствор щелочи, что приводит к образованию одноатомного спирта.

3) CH₂(Cl)ꟷCH₂(Cl) + 2KOH(спиртовый р-р) → CH≡CH + 2KCl + 2H₂O
Эта реакция является примером того, как спиртовой раствор щелочи превращает дигалогеналкан в ацетилен.

4) CH₃ꟷCH₂ꟷCH₃ → CH₃ꟷCH═CH₂ + H₂
Если До стрелки дан один алкан,то это типичная реакция отщепления водорода, или дегидрирование, с образованием алкена с соответствующим количеством атомов С в молекуле.

5) CH₂(Cl)ꟷ CH₂ꟷCH(Cl)ꟷCH₃ + Zn → ▲ꟷCH₃ + ZnCl₂
Эта реакция является типичной для получения циклоалканов или их гомологов(как правило, с цинком); в итоге мы получаем метилциклопропан.

6) CH₃ꟷCH₂ꟷCH₂ꟷCH₂ꟷCH₂ꟷCH₂ꟷCH₃ → C₆H₅ꟷCH₃ + 4H₂
Процесс образования аренов и их гомологов происходит так: под влиянием катализатора платины(Pt) и температуры конечные атомы С в цепи соединяются друг с другом, образуя цикл; в итоге, отщепляются 8 атомов водорода с образованием толуола(C₆H₅ꟷCH₃) в данном случае. Если до стрелки будет 6 атомов С в общей цепи,то мы получим бензол(C₆H₆).

Заключение:
Алканы вступают в реакции замещения, при этом замещается один атом водорода на другой одновалентный радикал.
Алканы имеют общую формулу класса C_nH_2n+2, не имеют межклассовых изомеров, гибридизация - sp3.
Парафины не растворяются в воде. Главные химические свойства: дегидрирование, изомеризация, крекинг.