To‘yingan uglevodorodlar

Alkanlar (parafinlar) — to‘yingan uglevodorodlar: molekulasidagi barcha uglerod–uglerod bog‘lari oddiy (σ-bog‘), har bir uglerod atomi sp³ gibrid holatda. Ular tabiiy gaz va neftning asosiy qismini tashkil qiladi, eng muhim yoqilg‘i va kimyo sanoati uchun xomashyo hisoblanadi. Kimyoviy jihatdan alkanlar "kam faol" (lotincha parum affinis — "yaqinligi kam"), ammo radikal o‘rin olish, yonish va kreking reaksiyalari, shuningdek, formulani aniqlashga oid hisob masalalari imtihonda har yili uchraydi. Bu mavzu organik kimyoning poydevori: nomenklatura, izomeriya va reaksiya mexanizmlari tushunchalari aynan shu yerda shakllanadi.

§1. Tuzilishi va gomologik qator

Alkanlar gomologik qatorni hosil qiladi: har bir keyingi a’zo oldingisidan bitta CH₂ guruhi (gomologik farq) bilan farq qiladi.

Birinchi o‘n a’zo: CH₄ metan, C₂H₆ etan, C₃H₈ propan, C₄H₁₀ butan, C₅H₁₂ pentan, C₆H₁₄ geksan, C₇H₁₆ geptan, C₈H₁₈ oktan, C₉H₂₀ nonan, C₁₀H₂₂ dekan. Beshinchi a’zodan boshlab nomlar grekcha sonlardan yasaladi.

Uglerod atomi sp³ gibridlangani uchun to‘rtta bog‘ tetraedr uchlariga yo‘nalgan, valent burchak 109°28′ (taxminan 109,5°). Shuning uchun uzun zanjir to‘g‘ri chiziq emas, balki zigzag shaklida bo‘ladi. C–C bog‘ uzunligi 0,154 nm. σ-bog‘ atrofida erkin aylanish mumkin, shu sababli molekula turli konformatsiyalarni qabul qiladi.

Bitta zanjirdagi uglerod atomlari qo‘shni uglerodlar soniga qarab birlamchi (bitta qo‘shni C), ikkilamchi (ikkita), uchlamchi (uchta) va to‘rtlamchi (to‘rtta) bo‘ladi. Bu tasnif reaksiyalarda muhim: uchlamchi uglerodagi vodorod eng oson almashadi.

Sikloalkanlar CₙH₂ₙ — halqali to‘yingan uglevodorodlar (siklopropan, siklobutan, siklopentan, siklogeksan). Ular alkenlar bilan sinflararo izomer. Siklopropan va siklobutan halqasi kuchlangan, shuning uchun ular birikish reaksiyalariga kirishadi (masalan, siklopropan vodorod bilan propan hosil qiladi), siklogeksan esa alkanlarga o‘xshab barqaror.

§2. Nomenklatura va izomeriya

Alkanlar uchun faqat struktura (zanjir) izomeriyasi xos, u C₄H₁₀ dan boshlanadi: butan va 2-metilpropan (izobutan). C₅H₁₂ uchun 3 ta izomer (pentan, 2-metilbutan, 2,2-dimetilpropan), C₆H₁₄ uchun 5 ta, C₇H₁₆ uchun 9 ta izomer mavjud.

IUPAC bo‘yicha nomlash tartibi:

1. Eng uzun uglerod zanjiri tanlanadi (asosiy zanjir).
2. Zanjir o‘rinbosarlar eng kichik raqam oladigan uchidan raqamlanadi.
3. O‘rinbosarlar (radikallar) raqami va nomi alifbo tartibida yoziladi, bir xil radikallar uchun di-, tri-, tetra- qo‘shimchalari ishlatiladi.
4. Oxirida asosiy zanjirga mos alkan nomi yoziladi.

Alkan molekulasidan bitta vodorod olinsa, radikal (alkil) hosil bo‘ladi: CH₃– metil, C₂H₅– etil, C₃H₇– propil, C₄H₉– butil. Masalan, CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ — 2-metilbutan.

Fizik xossalari: C₁–C₄ — gazlar, C₅–C₁₅ — suyuqliklar, undan yuqorisi — qattiq moddalar (parafin). Alkanlar qutbsiz, shuning uchun suvda deyarli erimaydi, suvdan yengil. Molyar massa ortgan sari qaynash harorati ko‘tariladi, chunki molekulalararo (dispersion) tortishish kuchayadi. Zanjir tarmoqlansa, molekula sharsimon bo‘lib, sirt tegishish yuzasi kamayadi va qaynash harorati pasayadi: pentan 36 °C da, 2,2-dimetilpropan esa taxminan 10 °C da qaynaydi.

§3. Kimyoviy xossalari

Alkanlarda faqat mustahkam, kam qutblangan σ-bog‘lar bor, shuning uchun ular kislota, ishqor va oddiy oksidlovchilar bilan reaksiyaga kirishmaydi. Ular bromli suv va KMnO₄ eritmasini rangsizlantirmaydi — bu ularni to‘yinmagan uglevodorodlardan farqlash usuli.

Radikal o‘rin olish (galogenlash) — yorug‘lik (hν) yoki qizdirishda boradi. Mexanizm zanjirli: initsiatsiya (Cl₂ → 2Cl·), zanjir rivojlanishi (Cl· + CH₄ → CH₃· + HCl, CH₃· + Cl₂ → CH₃Cl + Cl·) va zanjir uzilishi (radikallarning birikishi).

Vodorod osonroq uchlamchi, keyin ikkilamchi, eng qiyin birlamchi uglerod atomidan almashadi. Bromlash ayniqsa tanlovchan.

Yonish — eng muhim amaliy reaksiya, ko‘p issiqlik ajraladi:

Kislorod yetishmasa, CO yoki qurum (C) hosil bo‘ladi. Alkan yonganda doim suv mollari CO₂ mollaridan ko‘p: n(H₂O) − n(CO₂) = n(alkan).

Nitrolash (Konovalov reaksiyasi, suyultirilgan HNO₃, qizdirish): CH₄ + HNO₃ → CH₃NO₂ + H₂O.

Yuqori haroratdagi o‘zgarishlar:

• kreking: C₈H₁₈ → C₄H₁₀ + C₄H₈ (alkan + alken);
• degidrogenlash (Ni, Pt, Cr₂O₃): C₂H₆ → C₂H₄ + H₂;
• izomerlanish (AlCl₃, qizdirish): butan → izobutan;
• metan pirolizi: 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂ (1500 °C), CH₄ → C + 2H₂ (1000 °C);
• metanning suv bug‘i bilan konversiyasi: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (sintez-gaz).

§4. Olinishi

Sanoatda alkanlar tabiiy gaz va neftdan haydash yo‘li bilan ajratiladi. Laboratoriya usullari:

Ikki xil galogenalkandan Vyurts reaksiyasi uchta alkan aralashmasini beradi: CH₃Cl + C₂H₅Cl → etan, propan, butan. Dyuma reaksiyasida karbon kislota tuzidan bitta kam uglerodli alkan hosil bo‘ladi: C₂H₅COONa dan etan.

Misol

1 mol alkanni to‘liq yondirish uchun 8 mol kislorod sarflandi. Alkanni toping.

1. Yonish tenglamasidan n(O₂) = (3n + 1)/2.
2. (3n + 1)/2 = 8 → 3n + 1 = 16 → n = 5.
3. Javob: C₅H₁₂, pentan.

Misol

Alkandagi uglerodning massa ulushi 83,33 %. Alkan formulasini toping.

1. ω(C) = 12n/(14n + 2) = 0,8333.
2. 12n = 11,667n + 1,667 → 0,333n = 1,667 → n = 5.
3. Javob: C₅H₁₂ (M = 72 g/mol; tekshiruv: 60/72 = 0,8333).

§5. Rasmiy test namunasi

Alkan yondirilganda 194,4 g uglerod oksidlari aralashmasi olindi, CO miqdori (mol bo‘yicha) CO₂ nikidan 10 marta ko‘p. Alkan va sarflangan O₂ mol nisbati 1,1 : 4. Alkanni toping.

Misol

1. CO₂ — x mol, CO — 10x mol: 44x + 280x = 324x = 194,4 → x = 0,6. Uglerod jami 6 + 0,6 = 6,6 mol.
2. Alkan a mol, CₙH₂ₙ₊₂: an = 6,6; suv a(n + 1) = 6,6 + a.
3. Kislorod balansi: 2·n(O₂) = 6 + 1,2 + 6,6 + a = 13,8 + a; shartdan n(O₂) = 4a/1,1.
4. 8a/1,1 = 13,8 + a → 6,27a = 13,8 → a = 2,2 → n = 6,6/2,2 = 3: javob propan C₃H₈.

§6. Qo‘llanilishi va boshqa mavzular bilan bog‘liqligi

Metan — maishiy gaz va sintez-gaz, vodorod, metanol, atsetilen olish uchun xomashyo. Propan-butan aralashmasi ballonlarda suyultirilgan gaz sifatida ishlatiladi. Benzin, kerosin, dizel yoqilg‘isi — suyuq alkanlar aralashmasi, vazelin va parafin — yuqori alkanlar. Xlorli hosilalar (CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄) erituvchi sifatida ishlatiladi. Alkanlar kreking va degidrogenlash orqali alkenlar, alkinlar va arenlar olishning boshlang‘ich nuqtasi bo‘lgani uchun keyingi "Alkenlar", "Alkinlar" va "Neft va gaz" mavzularining asosini tashkil qiladi.

O‘zingizni tekshiring

1. Alkanning vodorodga nisbatan zichligi 36. Formulasi qanday?

2. 2,24 l metan (n.sh.) to‘liq yonishi uchun necha litr O₂ kerak?

3. Propanni monoxlorlaganda nechta struktura izomer hosil bo‘ladi?

4. CH₃COONa va NaOH suyuqlanmasidan 4,48 l CH₄ olish uchun necha gramm tuz kerak?

5. Etil xlorid natriy bilan Vyurts reaksiyasiga kirishganda qaysi alkan hosil bo‘ladi?

6. Siklobutan qaysi uglevodorodlar sinfiga izomer?

7. C₅H₁₂ ning nechta struktura izomeri bor?

8. 11 g propan yonganda necha gramm suv hosil bo‘ladi?

Ko‘p uchraydigan xatolar

• Alkanlar bromli suvni yoki KMnO₄ eritmasini rangsizlantiradi deb hisoblash.
• Umumiy formulada 2n + 2 o‘rniga 2n yozish (bu sikloalkan va alkenlar formulasi).
• Vyurts reaksiyasida ikki xil galogenalkan bitta mahsulot beradi deb o‘ylash.
• Galogenlashni birikish reaksiyasi deb belgilash — bu radikal o‘rin olish.
• Nomlashda eng uzun zanjirni emas, yozuvdagi gorizontal qatorni asosiy zanjir deb olish.
• Dyuma reaksiyasida uglerod soni saqlanadi deb hisoblash: aslida bittaga kamayadi.