Apesar de serem inativos, os alcanos são capazes de liberar grandes quantidades de energia ao interagir com halogênios ou outros radicais livres. Alcanos e reações com eles são constantemente usados em muitas indústrias.
Fatos sobre Alcanos
Alcanos ocupam um lugar importante na química orgânica. A fórmula dos alcanos em química é C H2n+2. Ao contrário dos aromáticos, que possuem um anel benzênico, os alcanos são considerados alifáticos (acíclicos).
Na molécula de qualquer alcano, todos os elementos estão ligados por uma ligação simples. Portanto, este grupo de substâncias tem a terminação "-an". Assim, os alcenos têm uma ligação dupla e os alcinos têm uma ligação tripla. Os alcodienos, por exemplo, possuem duas ligações duplas.
Alcanos são hidrocarbonetos saturados. Ou seja, eles contêm o número máximo de átomos de H (hidrogênio). Todos os átomos de carbono em um alcano estão na posição sp3 – hibridização. Isso significa que a molécula de alcano é construída de acordo com a regra tetraédrica. A molécula de metano (CH4) se assemelha a um tetraedro,e os alcanos restantes têm uma estrutura em ziguezague.
Todos os átomos de C em alcanos são conectados usando ơ - ligações (sigma - ligações). As ligações C–C são apolares, as ligações C–H são fracamente polares.
Propriedades dos alcanos
Como mencionado acima, o grupo alcano tem pouca atividade. As ligações entre dois átomos de C e entre os átomos de C e H são fortes, por isso são difíceis de destruir por influências externas. Todas as ligações em alcanos são ligações ơ, portanto, se elas quebrarem, geralmente resultam em radicais.
Halogenação de alcanos
Devido às propriedades especiais das ligações dos átomos, os alcanos são inerentes às reações de substituição e decomposição. Nas reações de substituição em alcanos, os átomos de hidrogênio substituem outros átomos ou moléculas. Os alcanos reagem bem com halogênios - substâncias que estão no grupo 17 da tabela periódica de Mendeleev. Os halogênios são flúor (F), bromo (Br), cloro (Cl), iodo (I), astato (At) e tennessina (Ts). Os halogênios são agentes oxidantes muito fortes. Eles reagem com quase todas as substâncias da tabela de D. I. Mendeleev.
Reações de cloração de alcanos
Na prática, o bromo e o cloro geralmente participam da halogenação dos alcanos. O flúor é um elemento muito ativo - com ele a reação será explosiva. O iodo é fraco, então a reação de substituição não irá com ele. E astatine é muito rara na natureza, por isso é difícil coletar o suficiente para experimentos.
Passos de Halogenação
Todos os alcanos passam por três estágios de halogenação:
- A origem da cadeia ou iniciação. Sob influêncialuz solar, calor ou radiação ultravioleta, a molécula de cloro Cl2 se decompõe em dois radicais livres. Cada um tem um elétron desemparelhado na camada externa.
- Desenvolvimento ou crescimento da cadeia. Radicais interagem com moléculas de metano.
- A terminação da cadeia é a parte final da halogenação do alcano. Todos os radicais começam a se combinar e eventualmente desaparecem completamente.
Brominação de alcanos
Ao halogenar alcanos superiores após etano, a dificuldade é a formação de isômeros. Diferentes isômeros podem ser formados a partir de uma substância sob a ação da luz solar. Isso acontece como resultado de uma reação de substituição. Isso prova que qualquer átomo de H no alcano pode ser substituído por um radical livre durante a halogenação. Um alcano complexo se decompõe em duas substâncias, cuja porcentagem pode variar muito dependendo das condições da reação.
bromação de propano (2-bromopropano). Na reação de halogenação do propano com uma molécula de Br2 sob a influência de altas temperaturas e luz solar, são liberados 1-bromopropano - 3% e 2-bromopropano - 97%.
Bromação de butano. Quando o butano é bromado sob a ação da luz e altas temperaturas, saem 2% de 1-bromobutano e 98% de 2-bromobutano.
A diferença entre cloração e bromação de alcanos
A cloração é mais comumente usada na indústria. Por exemplo, para a produção de solventes contendo uma mistura de isômeros. Ao receber o haloalcanodifícil de separar um do outro, mas no mercado a mistura é mais barata que o produto puro. Em laboratórios, a bromação é mais comum. O bromo é mais fraco que o cloro. Tem baixa reatividade, então os átomos de bromo têm alta seletividade. Isso significa que durante a reação, os átomos "escolhem" qual átomo de hidrogênio substituir.
A natureza da reação de cloração
Ao clorar alcanos, os isômeros são formados em quantidades aproximadamente iguais em sua fração de massa. Por exemplo, a cloração de propano com um catalisador na forma de um aumento de temperatura para 454 graus nos dá 2-cloropropano e 1-cloropropano em uma proporção de 25% e 75%, respectivamente. Se a reação de halogenação ocorrer apenas com a ajuda de radiação ultravioleta, obtém-se 43% de 1-cloropropano e 57% de 2-cloropropano. Dependendo das condições de reação, a proporção dos isômeros obtidos pode variar.
A natureza da reação de bromação
Como resultado das reações de bromação dos alcanos, uma substância quase pura é facilmente liberada. Por exemplo, 1-bromopropano - 3%, 2-bromopropano - 97% da molécula de n-propano. Portanto, a bromação é frequentemente usada em laboratórios para sintetizar uma substância específica.
Sulfação de alcanos
Alcanos também são sulfonados pelo mecanismo de substituição radical. Para que a reação ocorra, o oxigênio e o óxido de enxofre SO2 (anidrido sulfuroso) atuam simultaneamente no alcano. Como resultado da reação, o alcano é convertido em um ácido alquilsulfônico. Exemplo de sulfonação de butano:
CH3CH2CH2CH3+ O2 +SO2 → CH3CH2CH2CH 2SO2OH
Fórmula geral para sulfoxidação de alcanos:
R―H + O2 + SO2 → R―SO2OH
Sulfocloração de alcanos
No caso de sulfocloração, em vez de oxigênio, o cloro é usado como agente oxidante. Os cloretos alcanossulfónicos são obtidos desta forma. A reação de sulfocloração é comum a todos os hidrocarbonetos. Ocorre em temperatura ambiente e luz solar. Os peróxidos orgânicos também são usados como catalisador. Tal reação afeta apenas as ligações secundárias e primárias relacionadas aos átomos de carbono e hidrogênio. A matéria não atinge os átomos terciários, pois a cadeia de reação se rompe.
Reação de Konovalov
A reação de nitração, como a reação de halogenação dos alcanos, ocorre de acordo com o mecanismo de radicais livres. A reação é realizada usando ácido nítrico (HNO3) altamente diluído (10 - 20%). Mecanismo de reação: como resultado da reação, os alcanos formam uma mistura de compostos. Para catalisar a reação, é usado um aumento de temperatura até 140° e pressão ambiente normal ou elevada. Durante a nitração, as ligações C-C são destruídas, e não apenas C-H, em contraste com as reações de substituição anteriores. Isso significa que o cracking está ocorrendo. Essa é a reação de divisão.
Reações de oxidação e combustão
Alcanos também são oxidados de acordo com o tipo de radical livre. Para parafinas, existem três tipos de processamento usando uma reação oxidativa.
- Na fase gasosa. entãoobter aldeídos e álcoois inferiores.
- Na fase líquida. Use oxidação térmica com a adição de ácido bórico. Com este método, álcoois superiores são obtidos de С10 a С20.
- Na fase líquida. Alcanos são oxidados para sintetizar ácidos carboxílicos.
No processo de oxidação, o radical livre O2 substitui total ou parcialmente o componente hidrogênio. A oxidação completa é a combustão.
Alcanos de boa queima são usados como combustível para usinas termelétricas e motores de combustão interna. A queima de alcanos produz muita energia térmica. Alcanos complexos são colocados em motores de combustão interna. A interação com o oxigênio em alcanos simples pode levar a uma explosão. Asf alto, parafina e diversos lubrificantes para a indústria são produzidos a partir de resíduos resultantes de reações com alcanos.
