Детонационные свойства углеводородов

Отдельные представители насыщенных углеводородов

(С₆Н₁₀О₅)_х + Н₂О  3хСН₄ + 3хСО₂

Метан является главной составной частью выделяющегося со дна болот болотного газа. Газ, образующийся в каменноугольных пластах, также содержит до 90% метана; этот газ в больших количествах накапливается в некоторых угольных рудниках. Поэтому метан еще называют рудничным газом.

Метан может быть получен путем сплавления уксуснокислого натрия со щелочью (см. ранее). На воздухе метан горит бесцветным пламенем. Смесь одного объема метана с двумя объемами кислорода сгорает с сильным взрывом (гремучая смесь): СН₄ + 2О₂  СО₂ + 2Н₂О

Образование такого рода смеси является причиной взрывов рудничного газа, крайне опасных при разработке углей.

Метан – ценное химическое сырье; он является главной составной частью природных горючих газов и может быть использован для получения очень многих необходимых хозяйстве веществ. Огромные количества метана подвергают конверсии (превращению) в так называемый синтез-газ (смесь СО и Н₂). Для этого метан с парами воды пропускают над никелевым катализатором при 700-800 ^оС (конверсия водяным паром) или же подвергают неполному окислению кислородом в печах при 1400-1500 ^оС (кислородная конверсия):

_700-800 ^о_{С 1400-1500} ^о_С

СН₄ + Н₂О  СО + 3Н₂; 2СН₄ + О₂  2СО + 4Н₂.

Синтез-газ используют для получения углеводородов, метанола, аммиака и др. Из метана при высокой температуре может быть получен ацетилен:

2СН₄  СН  СН + 3Н₂.

1. 
   Понятие ненасыщенных углеводородов, их использование. Гомологические ряды, общие формулы, номенклатура. Структурная и пространственная изомерия. Энергия, длина, полярность и поляризуемость химических связей, физико-химические и пожароопасные свойства.
   
2. 
   Основные химические реакции:
   

• 
  окисления (неполное окисление, горение, склонность к самовозгоранию в атмосфере галогенов);
  
• 
  присоединения (водорода, галогенов, галогенводородов, воды, правило В.В. Марковникова, галогенводородов в присутствии примесей);
  
• 
  полимеризации.
  

Согласно теории химического строения в ненасыщенных углеводородах углерод также имеет валентность равную четырем, но строение этих соединений отличается тем, что в их молекулах имеются пары углеродных атомов, соединенные так называемыми кратными – двойными или тройными – связями. Благодаря наличию кратных связей атомы углерода в непредельных углеводородах не до предела насыщены водородом; отсюда и возникло название - непредельные или ненасыщенные.

Все другие органические соединения, в молекулах которых имеются кратные связи между углеродными атомами, являются производными ненасыщенных углеводородов; их также называют непредельными органическими веществами.

В противоположность насыщенным, ненасыщенные углеводороды проявляют высокую активность в химических реакциях и особенно склонны к реакциям присоединения.

Этиленовые углеводороды образуют гомологический ряд, состав каждого члена которого выражается общей эмпирической формулой C_nH_2n. Родоначальником этого ряда является углеводород этилен состава С₂Н₄, строение которого может быть представлено следующей структурной и упрощенной структурной формулами:

Н—С—Н СН₂

II II

Оба углерода и все водородные атомы в этилене равноценны. Поэтому этилену соответствует один одновалентный радикал СН₂=СН—, называемый винилом.

Замещая в этилене каждый из водородных атомов на радикал метил, мы можем вывести следующий гомолог этого ряда – пропилен состава С₃Н₆, имеющий строение СН₂=СН—СН₃. (Его радикал СН₂=СН—СН₂— , называют аллил). Точно также, в результате замещения на метил водородных атомов пропилена можно вывести формулу следующего непредельного углеводорода С₄Н₈. Как и в предыдущем ряду, у непредельных углеводородов, начиная с гомологов, содержащих четыре углеродных атома, проявляется изомерия. Однако этиленовые углеводороды имеют больше изомеров, чем предельные с тем же числом углеродных атомов. Так, мы видели, что существует только два изомерных предельных углеводорода состава С₄Н₁₀. Непредельных же углеводородов состава С₄Н₈ существует три. Строение их может быть выведено исходя их пропилена путем последовательной замены в его молекуле атомов водорода при различных углеродных атомах на метил.

В молекуле каждого изомера непредельного углеводорода С₄Н₈ должна быть одна двойная связь. Напишем вначале нормальные цепи из четырех углеродных атомов с двойной связью, причем в одном случае после первого, а во втором – после второго углеродного атома:

С=С—С—С С—С=С—С.

Очевидно, что помещать двойную связь после третьего атома углерода не имеет смысла, так как это будет равноценно ее расположению после первого углерода. Помня, что углерод всегда четырехвалентен, напишем около каждого углеродного атома цепи необходимое количество водородных атомов; таким образом получим формулы непредельных углеводородов С₄Н₈ нормального строения, различающихся положением двойной связи и называемых бутиленами:

_{1 2 3 4 1 2 3 4}

СН₂=СН—СН₂—СН₃ (1) СН₃—СН=СН—СН₃ (2)

Далее исходя из углеродного скелета с четырьмя углеродными атомами изостроения с единственно возможным в данном случае положением двойной

связи выведем формулу непредельного углеводорода С₄Н₈ С

с разветвленной цепью, называемого изобутиленом 

С=С—С



СН₂=С—СН₃ (3) изобутилен

Таким образом, усложнение изомерии непредельных углеводородов обусловлено тем, что наряду с изомерией углеродной цепи для них характерна изомерия положения двойной связи. Для высших гомологов этиленовых углеводородов различие в числе изомеров по сравнению с предельными углеводородами с тем же числом углеродных атомов еще больше.

В ряду этиленовых углеводородов встречается еще один вид изомерии, который связан с различием в пространственном строении некоторых молекул, имеющих двойную связь.

Простые связи не препятствуют вращению соединенных ими углеродных атомов вокруг линии связи, вместе с каждым из этих углеродных атомов могут поворачиваться в пространстве и другие связанные с ним атомы и группы.

В молекуле бутилена с двойной связью между вторым и третьим углеродными атомами обе метильные группы могут располагаться в пространстве двояким способом: по одну сторону плоскости двойной связи и по обе стороны от нее. Это можно изобразить при помощи следующих структурных формул: бутилены (а) и (б)

Н—С—СН₃ (цис-изомер Н—С—СН₃ (транс-изомер

II Т_кип. +3,5 ^оС II Т_кип. +0,9 ^оС

Н—С—СН₃ Т_пл. –138,9 ^оС) СН₃—С—Н Т_пл. –105,5 ^оС)

Двойная связь препятствует вращению соединенных ею атомов вокруг линии связи. Поэтому строение молекул а и б в пространстве зафиксировано; расстояние между метильными группами в каждой из них различно, и, следовательно, размеры этих молекул неодинаковы. Такое различие в пространственном строении приводит к различию в свойствах, т.е. соединения а и б являются изомерами. Изомерия, которая основана на различном пространственном расположении атомов или групп атомов, соединенных двойной связью, называется цис–транс изомерией, а соответствующие изомеры - цис–транс изомерами. Те из них, в которых различные группы атомов расположены по одну сторону плоскости двойной связи, называются цис-изомерами, а те, в которых группы атомов направлены в разные стороны, - транс-изомерами.

Очевидно, что цис-транс изомерия возможна только в том случае, когда в этиленовом соединении оба атома или обе группы при каждом из углеродов, соединенных двойной связью, неодинаковы. Например, для бутилена с двойной связью между первым и вторым углеродом геометрическая изомерия невозможна, т.к. в его молекуле при одном из ненасыщенных атомов находятся два одинаковых атома водорода.

Мы можем написать два изображения этого вещества:

Н—С—Н Н—С—Н

II II

Однако нетрудно убедиться, что обе написанные формулы идентичны и изображают одну и ту же пространственную модификацию молекулы. Для этого лишь необходимо мысленно повернуть одну из формул вокруг линии двойной связи.