написать и объяснить химические свойства алканов: Коновалова,Горение, Галогенирование,Дегалогенирование, Гидрогалогенироаание ,крекинг

Краткий ответ

Алканы — насыщенные углеводороды, у них только σ-связи, поэтому главный тип реакции — радикальное замещение (\(S_R\)), а не присоединение. Отсюда и набор свойств:

1. Галогенирование (замещение, \(S_R\)) — на свету или при нагревании: \[ \mathrm{CH_4+Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl+HCl} \] Дальше возможно \(\mathrm{CH_2Cl_2,\ CHCl_3,\ CCl_4}\). С бромом реакция избирательнее: у пропана замещается преимущественно вторичный атом H: \[ \mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_3+Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3{-}CHBr{-}CH_3+HBr} \]

2. Нитрование (реакция Коновалова, 1888, \(S_R\)) — разбавленная \(\mathrm{HNO_3}\) (10–20 %), 140–150 °C, давление: \[ \mathrm{CH_4+HNO_3 \rightarrow CH_3NO_2+H_2O} \] Для пропана: \(\mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_3+HNO_3 \rightarrow CH_3{-}CH(NO_2){-}CH_3}\) (2-нитропропан — основной продукт).

3. Горение (полное окисление) \[ \mathrm{CH_4+2O_2 \rightarrow CO_2+2H_2O+890\ кДж} \] \[ \mathrm{C_nH_{2n+2}+\frac{3n+1}{2}O_2 \rightarrow nCO_2+(n+1)H_2O} \] Неполное: \(\mathrm{2CH_4+3O_2 \rightarrow 2CO+4H_2O}\), при недостатке кислорода — сажа: \(\mathrm{CH_4+O_2 \rightarrow C+2H_2O}\).

4. Крекинг (расщепление цепи при нагреве) \[ \mathrm{C_{10}H_{22} \xrightarrow{450{-}500\,^\circ C} C_5H_{12}+C_5H_{10}} \] Пиролиз метана: \(\mathrm{CH_4 \xrightarrow{1000\,^\circ C} C+2H_2}\). Каталитический крекинг даёт ещё и разветвлённые алканы и арены.

5. «Дегалогенирование» — отщепление галогена, то есть обратная галогенированию реакция; так из галогеналкана получают алкан: \[ \mathrm{CH_3Cl+H_2 \xrightarrow{Zn} CH_4+HCl} \] а из дигалогеналкана — алкен: \[ \mathrm{CH_2Br{-}CH_2Br+Zn \rightarrow CH_2{=}CH_2+ZnBr_2} \]

6. «Гидрогалогенирование» — это \(\mathrm{HHal}\) по кратной связи, для алканов не идёт (нет π-связи). Это свойство алкенов: \[ \mathrm{CH_2{=}CH_2+HCl \rightarrow CH_3{-}CH_2Cl} \] (по правилу Марковникова — к более гидрогенизированному атому углерода).

Как это устроено — ключевые доводы

Механизм радикального замещения (на примере хлорирования):

• зарождение цепи: \(\mathrm{Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2Cl\cdot}\);
• рост цепи: \(\mathrm{Cl\cdot+CH_4 \rightarrow HCl+CH_3\cdot}\), затем \(\mathrm{CH_3\cdot+Cl_2 \rightarrow CH_3Cl+Cl\cdot}\);
• обрыв: \(\mathrm{CH_3\cdot+Cl\cdot \rightarrow CH_3Cl}\).

Свет нужен именно для разрыва \(\mathrm{Cl{-}Cl}\) — поэтому в темноте смесь метана с хлором не реагирует.

Почему порядок замещения такой. Устойчивость радикалов: третичный > вторичный > первичный. Чем устойчивее промежуточный радикал, тем легче он образуется, поэтому бром «выбирает» вторичный и третичный углерод. Хлор менее избирателен — даёт смесь продуктов.

Почему нет присоединения. У алканов нет π-связей и нет неподелённых пар, которые могли бы притянуть электрофил, — реагировать «на разрыв» нечего. Единственный путь — оторвать атом H радикалом. Зато при сильном нагреве связь C–C просто рвётся (крекинг), потому что она слабее, чем C–H по отношению к радикальному распаду цепи.

Проверка

• Горение метана: у углерода степень окисления \(-4 \to +4\), он отдаёт 8 e⁻; \(\mathrm{O_2}\) принимает 4 e⁻, значит нужно 2 моль \(\mathrm{O_2}\) — сходится с уравнением.
• Общая формула: атомов O справа \(2n+(n+1)=3n+1\), значит \(\mathrm{O_2}\) нужно \(\frac{3n+1}{2}\) — верно.
• Коновалов: слева и справа по одному атому N, по 3 атомам O и 4 атомам H — баланс сходится.

Важная оговорка по двум пунктам

Строго говоря, дегалогенирование — это превращение галогеналкана (а не алкана) в алкан или алкен, а гидрогалогенирование — реакция непредельных соединений. Если учитель имел в виду дегидрогалогенирование (отщепление \(\mathrm{HHal}\) от галогеналкана спиртовым раствором щёлочи, правило Зайцева): \[ \mathrm{CH_3{-}CHBr{-}CH_3+KOH_{(спирт)} \rightarrow CH_3{-}CH{=}CH_2+KBr+H_2O} \] — то это уже способ получения алкенов, и в ответе стоит показать именно такую связку «галогенирование ↔ дегалогенирование/дегидрогалогенирование».