Промышленные источники и синтез
Промышленное получение направлено на создание масштабных объемов углеводородов. Как правило, на выходе получаются не чистые вещества, а их смеси (фракции).
- Переработка нефти. Нефть выступает практически неисчерпаемым источником алканов. Главный технологический процесс здесь — ректификация (дробная перегонка). Разделить нефть на абсолютно чистые индивидуальные молекулы крайне сложно, поэтому ее разделяют на температурные фракции.
- Гидрирование угля. При жестких условиях (температура около $450^\circ C$ и колоссальное давление в $300\ атм$) из угля получают так называемый синтетический бензин — смесь алканов. Однако экономически этот путь все еще уступает нефтепереработке.
- Использование синтез-газа. Смесь оксида углерода(II) и водорода ($CO + H_2$) позволяет синтезировать разные продукты в зависимости от катализатора. Если применить никель ($Ni$) и нагрев до $300^\circ C$, образуется метан:
$$CO + 3H_2 \xrightarrow{Ni, 300^\circ C} CH_4 + H_2O$$ Если же использовать кобальтовые катализаторы ($Co$), синтезируется сложная смесь алканов и циклоалканов.
Лабораторные методы: конструирование цепи
В лаборатории химикам важно получить конкретный, химически чистый алкан. Для этого используют именные реакции, позволяющие управлять длиной углеродного скелета.
1. Реакция Вюрца (удлинение цепи) Суть метода заключается во взаимодействии галогеналканов с активными щелочными металлами, чаще всего натрием или калием. Реакция идет по свободнорадикальному механизму:
- Металл отрывает галоген, формируя свободный радикал: $R-CH_2Br + Na \rightarrow R-CH_2\bullet + NaBr$
- Два образовавшихся радикала рекомбинируют (соединяются), удваивая цепь: $2R-CH_2\bullet \rightarrow R-CH_2-CH_2-R$
Важный нюанс: если взять смесь из двух разных галогеналканов (например, 1-бромпропан и 2-бромпропан), радикалы будут встречаться хаотично. В результате получится смесь сразу из трех различных углеводородов (в данном примере — гексан, 2,3-диметилбутан и 2-метилпентан).
2. Реакция Дюма (укорочение цепи) Это процесс декарбоксилирования. Если взять натриевую соль карбоновой кислоты и сплавить ее со щелочью при $300^\circ C$, от молекулы оторвется карбоксильная группа. Углеродная цепь при этом станет на один атом короче. Например, из пропионата натрия получается этан: $$C_2H_5COONa + NaOH \xrightarrow{300^\circ C} C_2H_6\uparrow + Na_2CO_3$$
3. Электролиз по Кольбе Под воздействием электрического тока водный раствор соли карбоновой кислоты также подвергается декарбоксилированию, но оставшиеся радикалы сшиваются между собой (удваиваются). Целевой алкан и углекислый газ выделяются на аноде, а на катоде образуется водород и щелочь.
Специфические синтезы и восстановление
Помимо манипуляций с углеродным скелетом, алканы можно получить путем насыщения других классов соединений водородом.
- Получение метана гидролизом. В лаборатории метан удобно получать разложением карбида алюминия водой. Образуется газообразный метан и осадок гидроксида алюминия:
$$Al_4C_3 + 12H_2O = 3CH_4\uparrow + 4Al(OH)_3\downarrow$$
- Гидрирование алкенов. Присоединение молекулярного водорода к непредельным углеводородам происходит в присутствии никелевого катализатора, превращая двойную связь в одинарную.
- Восстановление галогеналканов. Галоген в молекуле можно заместить на водород. Это делают либо газообразным водородом над никелевым катализатором, либо с помощью сильного восстановителя — йодоводорода ($HI$), при этом параллельно выделяется свободный йод ($I_2$).
Как управлять длиной цепи: «Вюрц и Кольбе — Копят» (радикалы удваиваются, цепь растет). «Дюма — Сдувает» (отрывает углекислый газ, цепь становится короче на один атом углерода).
Вопросы с занятий и экзамена
Почему в реакции Вюрца лучше не использовать смесь разных галогеналканов?
Потому что радикалы рекомбинируют случайным образом. Вместо одного целевого вещества вы получите трудноразделимую смесь из трех разных алканов (два симметричных и один несимметричный).
Что выделяется на электродах в реакции Кольбе?
На аноде выделяется синтезированный алкан с удвоенным радикалом, а на катоде — газообразный водород. В растворе остается гидрокарбонат или карбонат.
Можно ли получить индивидуальный алкан ректификацией нефти?
Практически невозможно. Ректификация делит нефть лишь на фракции — смеси веществ с близкими температурами кипения.
Что ещё разобрать по теме
- Механизм свободнорадикального замещения и рекомбинации
- Продукты перекрестного соединения в реакции Вюрца на конкретных примерах
- Специфика работы кобальтовых и никелевых катализаторов с синтез-газом
- Роль йодоводорода как восстановителя в органической химии
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Получение алканов» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 90 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 15. Углеводороды»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.