химический каталог




Органическая химия

Автор Р.Моррисон, Р.Бойд

ии электронов.

В формуле метана черточкой обычно обозначают каждую пару электронов, общую для углерода и водорода (I). В тех случаях, когда хотят сконцентрировать внимание на индивидуальной паре электронов, ее иногда

я н

Рис. 2,1. Молекула метана,

а — тетраэдовческие ^«-орбиталм; в — предполагаем»» форма; ядр» водорода расположены пк, то вомкхкне максимальное перекрмвание? * — форма и размеры.

обозначают двумя точками (II). И наконец, если рассматривается реальная форма молекулы, то используется простое изображение в трех измерениях (Ш).

2J. Физические свойства

Как уже обсуждалось в разд. 1J5, структурной единицей неионного вещества — твердого, жидкого или газообразного — является молекула. Поскольку молекула метана обладает высокой симметрией, полярности отдельных связей С—Н компенсируют друг друга; в результате сама молекула неполярна.

Взаимодействие между такими неполярными молекулами ограничивается вандерваальсовыми силами; для таких небольших молекул эти силы взаимодействия несравнимы с очень большими силами взаимодействия между, например, ионами натрия и хлора. Не удивительно, что эти силы притяжения легко преодолеть за счет тепловой энергии, так что метан кипит и плавится при очень низких температурах: т. пл. —183 °С, т. кип. —161,5 °С. (Сравните с соответствующими константами для хлористого натрия: т. пл. 801 °С, т. кип. 1413 °С) Вследствие этого метан — газ при обычной температуре.

Метан ?— бесцветный газ, в жидком состоянии его плотность меньше плотности воды (уд. вес. 0,4). В соответствии с правилом «подобное растворяется в подобном» он очень плохо растворим в воде, но хорошо растворим в органических жидкостях, таких, как. бензин,, эфир и спирт. Физические свойства метана сходны со свойствами других членов ряда ал-канов.

2.4. Источники

Метан является конечным продуктом анаэробного («бескислородного») разложения растений, т. е. продуктом разрушения очень сложных молекул» В природном газе содержится до 97 метана. Опасный рудничный газ в угольных шахтах и болотный газ, булькающий на поверхности болот, — это тоже метан.

Чистый метан можно отделить от других компонентов природного газа (в основном других алканов) фракционной перегонкой. Однако большая его часть используется в качестве топлива без очистки.

Согласно одной из теорий возникновения жизни, жизнь возникла тогда, когда Земля была окружена атмосферой метана, воды, аммиака и водорода. Под действием энергии — излучение Солнца, электрические разряды — произошел распад этих простых молекул до реакционноспособных фрагментов (свободных радикалов, разд. 2.12); в результате взаимодействия этих фрагментов друг с другом образовались большие молекулы, превратившиеся затем в очень сложные органические соединения, из которых построены все живые организмы.

Доказательство того, что это могло быть именно так, было получено в 1953 г. лауреатом Нобелевской премии Гарольдом Ури и его студентом Стэнли Миллером в Чикагском университете. Они показали, что под действием электрического разряда смесь метана, воды, аммиака и водорода превращается в большое число органических соединений, включая аминокислоты, которые являются строительными кирпичиками для белков — «материи жизни» (гл. 37). (Может быть, поэтому изучение органической химии мы начинаем с метана и его превращения в свободные радикалы.)

Метан, образующийся в результате распада живых организмов, может быть именно тем веществом, из которого в конечном счете построен организм.

2.5. Реакции

Алканы иногда называют парафинами. Это название (от латинского parumaffinis — малое сродство) указываег на незначительную реакционную способность этих углеводородов. При обычных условиях это название очень подходит к метану: он инертен по отношению к кислотам (соляная или серная), основаниям (едкий натр или едкое кали), окислителям (лермангапат калия или бихромат натрия), восстановителям {хлорид олова(П) или метал42

Метая,

I 2

лический натрий]. Однако в очень жестких условиях метан окисляется кислородом, галогенами и даже водой.

РЕАКЦИИ МЕТАНА

1. Окисление

пламя

СНв + 20„ —*- СО» + 2HjO + тепло (213 ккал/моль) Горение

15» *С

6СН4 + Оа >- 2НС—СН + 2СО + 10Н, (разд. 8.5J

ацетилен

850 «с

СНд + НгО -jjj*- СО + ЗН,

2. Гаяогешировапие

нх НХ нх нх

СН4 —V CbigX —V CHjXs ?—V СНХ8 —V СН4 (нагревание или освещение) Реакционная способность галогенов: F2 ]> CIg > Brs (>I2)

не реагирует

2.6. Окисление. Теплота сгорания

При сгорании органических соединений образуются двуокись углерода и вода; в определенных условиях эта реакция используется для определения углерода и водорода в органических соединениях (разд. 2.28).

Горение метана — основная реакция, происходящая при сгорании природного газа. Наиболее важным результатом реакции является не образование двуокиси углерода и воды, а выделение тепла.

Горение углеводородов происходит только при высоких температурах, которые возникают, например, в пламени или создаются искрой. Если реакция началась, то выделяющегося тепла достаточно для поддержания высокой температуры и продолжения горения. Количество тепла, выделяющееся при сгорании 1 моля углеводорода до двуокиси углерода и води, называется теплотой сгорания; для метана эта величина составляет 213 ккал (891,79-108 Дж),

Частичное окисление метана или каталитическая реакция с водой при высоких температурах позволяет получать из метана, кроме тепла, ряд очень важных продуктов: водород, используемый для производства аммиака; смесь окиси углерода и водорода, используемую для синтеза метилового спирта и оксоспиртов (разд. 15.6); ацетилен (разд. 8.5), служащий исходным веществом для получения многих органических соединений.

Окисление галогенами представляет особый интерес, в частности, потому, что это наиболее изученная реакция метана; эта реакция в различных аспектах обсуждается в данной главе.

2.7. Хлорирование: реакция замещения

При освещении ультрафиолетовым светом или при температуре 250— 400 °С смесь метана и хлора бурно реагирует с образованием хлористого водорода и соединения, имеющего формулу CHgCI. Происходит хлорирование метана, а продукт реакции СН3С1 называется хлорметаном или хлористым метилом (СН8 = метил).

Хлорирование представляет собой типичный пример большой группы органических реакций, называемых реакциями замещения. Атом хлора замещает атом водорода в метане, а атом водорода связывается вторым атомом хлора.

н н

I нагревание нли освещение 1

Н—С^Н + С1—С1 —— *? Н—С—CI + H-CI

к к

метай хлор хлористый жлористый

метил водород

(хлорметаи)

Хлористый метил может подвергнуться дальнейшему замещению с образованием еще одной молекулы хлористого водорода и СН,С12, дихлорме-лгана, или хлористого метилена (СНВ = метилен).

Н Н

I нагревание или освещение I

Н—С—CI + CI—CI *? Н—С—С1 + НС1

А А,

жлористый метилен

(дихдорметан)

Хлорирование может продолжаться дальше аналогичным путем с образованием СНС1, {трихлорметана, или хлороформа) и далее СС14 (тетра-.хлорметана, или четыреххлористого углерода). Оба эти вещества уже известны: хлороформ находит применение как анестезирующее вещество, а •четыреххлористый углерод используется как невоеплвменяющийся растворитель, для чистки и в некоторых случаях при тушении пожаров.

Hci на на на

а, + а, + аа + сь +

СЦ, -—>? СН»С1 -—э- CHgCIa *- CHCla *- СС!4 (нагревание или освещение)

метан хлористый жлористый хлороформ четырехметил метилен хлористый

углерод

2.8. Контроль за реакцией хлорирования

Хлорирование метана может привести к любому из четырех соединений в зависимости от того, на какой стадии реакция была остановлена. Можно ли контролировать реакцию так, чтобы основным продуктом был хлористый метил? Иными словами, можно ли остановить реакцию на первой стадии монохлор ирования?

Первое предположение (наивное и неверное): реакцию можно остановить на стадии монохлорирования, применив 1 моль хлора на 1 моль метана. Но что же при этом происходит? В начале реакции только метан реагирует с хлором и, следовательно, происходит только первая стадия хлорирования. Эта реакция приводит к хлористому метилу, так что в процессе реакции метан исчезает и вместо него появляется хлористый метил. По мере увеличения количества хлористого метила он начинает конкурировать с метаном в реакции хлорирования.

Как только концентрация хлористого метила превысит концентрацию метана, хлор будет преимущественно реагировать с хлористым метилом, а не с метаном, и вторая стадия реакции становится более важной, чем первая. Образуется большое количество хлористого метилена, который аналогичным путем хлорируется до хлороформа, а хлороформ хлорируется дальше до четыреххлористого углерода. Продукт реакции представляет собой смесь всех четырех хлорированных метано» вместе с непрореагировавшим метаном.

Однако» используя большой избыток метана, можно направить реакцию почти полностью в сторону монохлорирования, В этом случае даже в конце реакции количество непрореагировавшего метана значительно превышает количество хлористого метила. Хлор легче атакует метан, чем хлористый метил, и, таким образом, преобладает монохлорирование.

Благодаря большому различию в температурах кипения избыток метана (т. кип. —161,5 °С) можно отделить от хлористого метила (т. кип. —24 СС) и использовать для повторного хлорирования. Хотя в каждом цикле степень превращения метана в хлористый метил низка, выход хлористого метила в расчете на израсходованный хлор достаточно высок.

Использование большого избытка одного из реагентов — общий метод в органической химии, если необходимо для данного исходного вещества ограничиться только одним направлением реакции из нескольких возможных.

2.9. Реакции с другими галогенами: галогенирование

Метан реагирует с бромом также при высоких температурах или при освещении ультрафиолетовым светом с образованием соответствующих бромметанов: бромистого метила, бромистого метилена, бр омофор

страница 9
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136

Скачать книгу "Органическая химия" (15.87Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
Межкомнатная дверь Волховец 3023
щу7-5,5-84 цена
цифры из самоклеящейся пленки
сетка для ограждения металлическая цена

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(28.06.2017)