Бутан C4H10 – это предельный углеводород, содержащий четыре атома углерода в углеродной цепи. Бесцветный газ без вкуса и запаха, нерастворим в воде и не смешивается с ней.
Гомологический ряд бутана
Все алканы — вещества, схожие по физическим и химическим свойствам, и отличающиеся на одну или несколько групп –СН2– друг от друга. Такие вещества называются гомологами, а ряд веществ, являющихся гомологами, называют гомологическим рядом.
Продолжить гомологический ряд можно, последовательно добавляя группу –СН2– в углеводородную цепь алкана.
Название алкана
Формула алкана
Метан
CH4
Этан
C2H6
Пропан
C3H8
Бутан
C4H10
Пентан
C5H12
Гексан
C6H14
Гептан
C7H16
Октан
C8H18
Нонан
C9H20
Декан
C10H22
Общая формула гомологического ряда алканов CnH2n+2.
Первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C5–C17 – жидкости, начиная с C18 – твердые вещества.
Строение бутана
В молекулах алканов встречаются химические связи C–H и С–С.
Связь C–H ковалентная слабополярная, связь С–С – ковалентная неполярная. Это одинарные σ-связи. Атомы углерода в алканах образуют по четыре σ-связи. Следовательно, гибридизация атомов углерода в молекулах алканов – sp 3 :
Поэтому четыре гибридные орбитали углерода в алканах направлены в пространстве под углом 109 о 28′ друг к другу:
Это соответствует тетраэдрическому строению.
Например, в молекуле бутана C4H10 атомы водорода располагаются в пространстве в вершинах тетраэдров, центрами которых являются атомы углерода. При этом углеродный скелет имеет зигзагообразное строение.
Изомерия бутана
Структурная изомерия
Для бутана характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета.
Структурные изомеры — это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.
Изомеры углеродного скелета отличаются строением углеродного скелета.
Например.
Для н-бутана (алкана с линейной цепью) существует изомер с разветвленным углеродным скелетом – изобутан
Бутан
Изобутан
Для бутана не характерна пространственная изомерия.
Химические свойства бутана
Бутан – предельный углеводород, поэтому он не может вступать в реакции присоединения.
Для бутана характерны реакции:
Разрыв слабо-полярных связей С – Н протекает только по гомолитическому механизму с образованием свободных радикалов.
Поэтому для бутана характерны радикальные реакции.
Бутан устойчив к действию сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7 и др.), не реагирует с концентрированными кислотами, щелочами, бромной водой.
1. Реакции замещения
В молекулах алканов связи С–Н более доступны для атаки другими частицами, чем менее прочные связи С–С.
1.1. Галогенирование
Бутан реагирует с хлором и бромом на свету или при нагревании.
При хлорировании бутана образуется смесь хлорпроизводных.
Например, при хлорировании бутана образуются 1-хлорбутан и 2-хлорбутан:
Бромирование протекает более медленно и избирательно.
Избирательность бромирования: сначала замещается атом водорода у третичного атома углерода, затем атом водорода у вторичного атома углерода, и только затем первичный атом.
С третичный–Н > С вторичный–Н > С первичный–Н
Например, при бромировании пропана преимущественно образуется 2-бромбутан:
Хлорбутан может взаимодействовать с хлором и дальше с образованием дихлорбутана, трихлорбутана, тетрахлорбутана и т.д.
1.2. Нитрование бутана
Бутан взаимодействует с разбавленной азотной кислотой по радикальному механизму, при нагревании и под давлением. Атом водорода в бутане замещается на нитрогруппу NO2.
Например. При нитровании бутана образуется преимущественно 2-нитробутана:
2.Дегидрирование бутана
Дегидрирование – это реакция отщепления атомов водорода.
В качестве катализаторов дегидрирования используют никель Ni, платину Pt, палладий Pd, оксиды хрома (III), железа (III), цинка и др.
При дегидрировании алканов, содержащих от 2 до 4 атомов углерода в молекуле, разрываются связи С–Н у соседних атомов углерода и образуются двойные и тройные связи.
Например, п ри дегидрировании бутана преимущественно образуются бутен-2 (бутилен) или бутин-2.
При дегидрировании бутана под действием металлических катализаторов образуется смесь продуктов. Преимущественно образуется бутен-2:
Если бутан нагревать в присутствии оксида хрома (III), преимущественно образуется бутадиен-1,3:
3. Окисление бутана
Бутан – слабополярное соединение, поэтому при обычных условиях он не окисляется даже сильными окислителями (перманганат калия, хромат или дихромат калия и др.).
3.1. Полное окисление – горение
Бутан горит с образованием углекислого газа и воды. Реакция горения пропана сопровождается выделением большого количества теплоты.
Уравнение сгорания алканов в общем виде:
При горении бутана в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.
3.2. Каталитическое окисление
4.Изомеризация бутана
Под действием катализатора и при нагревании неразветвленные алканы, содержащие не менее четырех атомов углерода в основной цепи, могут превращаться в более разветвленные алканы.
Например, н-бутан под действием катализатора хлорида алюминия и при нагревании превращается в изобутан:
Получение бутана
1. Взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца)
Это один из лабораторных способов получения бутана. При этом происходит удвоение углеродного скелета.
Хлорэтан взаимодействует с натрием с образованием бутана:
Реакция Дюма — это взаимодействие солей карбоновых кислот с щелочами при сплавлении.
R–COONa + NaOH→R–H + Na2CO3
Декарбоксилирование — это отщепление (элиминирование) молекулы углекислого газа из карбоксильной группы (-COOH) или органической кислоты или карбоксилатной группы (-COOMe) соли органической кислоты.
При взаимодействии пентаноата натрия с гидроксидом натрия при сплавлении образуются бутан и карбонат натрия:
Изобутан — бесцветный газ без запаха, растворяется в органических растворителях, с водой образует клатраты.
Экологические характеристики и пожароопасность: ODP HGWP GWP ПДК Класс опасности 4. Транспортировка и хранение: заливают в железнодорожные цистерны, а также в баллоны, вместимостью от 32 до 120дм3, в контейнеры и другие сосуды, рассчитанные на давление 2МПа. Коэффициент заполнения 1.0 кг продукта на 1дм3 вместимости сосуда. Перевозят любым видом транспорта. Хранят в складских помещениях, обеспечивающих защиту от солнечных лучей.
Получение
В промышленности изобутан получают путём каталитического крекинга и гидрокрекинга нефтяных фракций с последующей ректификацией, а также с помощью каталитической изомеризации н-бутана.
Применение
Хладагент
Применяется в холодильной промышленности в качестве хладагента [1] (носит обозначение R-600a), особенно для бытовых холодильников. Не разрушает озоновый слой. Применение изобутана в качестве хладагента позволяет обеспечить пониженное энергопотребление. На холодильники, работающие на горючих хладагентах, каким является и изобутан, распространяются дополнительные требования безопасности — они должны иметь такую конструкцию, что при незапланированной утечке хладагента из системы в зонах размещения электрических узлов, способных инициировать воспламенение, не могла образовываться взрывоопасная концентрация.
Другие применения
Благодаря высокому октановому числу (100) изобутан применяется в качестве компонента горючего для двигателей внутреннего сгорания. Также изобутан часто применяется в качестве наполнителя в баллончиках с аэрозолем.
Используется в газовых зажигалках и баллонах заправки к ним.
Что собой представляет изобутан? Данное соединение относится к ациклическим веществам. Рассмотрим некоторые особенности строения, свойств этого органического соединения.
Общая формула и изомерия
Одним из представителей алканов является изобутан. Формула данного класса имеет вид СпН2п+2. Молекула обладает линейной структурой, в который каждый углеродный атом находится в Sp3 гибридном состоянии. Наличие в молекуле одинарных (простых) связей объясняет сходство по химическим свойствам разветвленных алканов с веществами, имеющими прямой скелет.
Нахождение в природе
Где встречается изобутан? Формула данного соединения, а также других представителей рассматриваемого класса свидетельствует о возможности расположения соединений в составе нефти, попутного и природного газа. Представителей этого класса СхНу называют парафинами. Разветвленные углеводороды были выделены в химической лаборатории из нефти, процесс связан с физической перегонкой этого полезного ископаемого.
Получение
Для лабораторного производства изобутана используют реакцию изомеризации углеводорода, имеющего неразветвленное строение. Для этого на соответствующий углеводород воздействуют активными металлами, выступающими в роли катализаторов. Таким способом в лаборатории получают и изобутан. Структурная формула данного соединения подтверждает разветвленность его строения.
Физические свойства
При нормальных условиях изобутан является газообразным веществом. При увеличении количества углеродных атомов в молекуле происходит переход к жидкому агрегатному состоянию, затем к твердому виду. Все представители алканов имеют небольшую растворимость в воде, отлично растворяются в органических соединениях.
Химические свойства
Для всех представителей данного класса органических углеводородов характерно радикальное замещение. Учитывая, что в молекуле изобутана есть более подвижный (центральный) углеродный атом, замещение протекает быстрее, чем у бутана нормального строения.
Среди всех представителей класса алканов особый интерес представляет именно изобутан. Он способен взаимодействовать с галогенами (бромом, хлором) под воздействием света с образованием галогензамещенного алкана. Данное свойство используется для получения вторичных одноатомных спиртов.
Изобутан востребован в качестве хладагентов. Долгое время считали, что именно это соединение оказывает негативное воздействие на озоновый слой атмосферы, разрушает его целостность. Но была установлена способность самопроизвольного восстановления толщины озонового слоя, что подтвердило безопасность хладагентов, в основе которых изобутан. Формула данного углеводорода знакома и в парфюмерной промышленности, и в медицине. Здесь он применяется для производства аэрозолей.
Высокое октановое число изобутана позволяет использовать данный углеводород для производства специального компонента, используемого в качестве добавки к бензину. Изобутан применяют в качестве индивидуального топлива, заправляя данным соединением газовые зажигалки.
Алканы – это предельные углеводороды, содержащие только одинарные связи между атомами С–С в молекуле, т.е. содержащие максимальное количество водорода.
Алканы – предельные углеводороды, поэтому они не могут вступать в реакции присоединения.
Для предельных углеводородов характерны реакции:
Разрыв слабо-полярных связей С – Н протекает только по гомолитическому механизму с образованием свободных радикалов.
Поэтому для алканов характерны только радикальные реакции.
Алканы устойчивы к действию сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7 и др.), не реагируют с концентрированными кислотами, щелочами, бромной водой.
1. Реакции замещения.
В молекулах алканов связи С–Н более доступны для атаки другими частицами, чем менее прочные связи С–С.
1.1. Галогенирование.
Алканы реагируют с хлором и бромом на свету или при нагревании.
При хлорировании метана сначала образуется хлорметан:
Хлорметан может взаимодействовать с хлором и дальше с образованием дихлорметана, трихлорметана и тетрахлорметана:
Химическая активность хлора выше, чем активность брома, поэтому хлорирование протекает быстро и неизбирательно.
При хлорировании алканов с углеродным скелетом, содержащим более 3 атомов углерода, образуется смесь хлорпроизводных.
Например, при хлорировании пропана образуются 1-хлорпропан и 2-хлопропан:
Бромирование протекает более медленно и избирательно.
Избирательность бромирования: сначала замещается атом водорода у третичного атома углерода, затем атом водорода у вторичного атома углерода, и только затем первичный атом.
С третичный–Н > С вторичный–Н > С первичный–Н
Например, при бромировании 2-метилпропана преимущественно образуется 2-бром-2-метилпропан:
Реакции замещения в алканах протекают по свободнорадикальному механизму.
Свободные радикалы R∙ – это атомы или группы связанных между собой атомов, которые содержат неспаренный электрон.
Первая стадия. Инициирование цепи.
Под действием кванта света или при нагревании молекула галогена разрывается на два радикала:
Свободные радикалы – очень активные частицы, которые стремятся образовать связь с каким-либо другим атомом.
Вторая стадия. Развитие цепи.
Радикал галогена взаимодействует с молекулой алкана и отрывает от него водород.
При этом образуется промежуточная частица – алкильный радикал, который в свою очередь взаимодействует с новой нераспавшейся молекулой хлора:
Третья стадия. Обрыв цепи.
При протекании цепного процесса рано или поздно радикалы сталкиваются с радикалами, образуя молекулы, радикальный процесс обрывается.
Могут столкнуться как одинаковые, так и разные радикалы, в том числе два метильных радикала:
1.2. Нитрование алканов.
Алканы взаимодействуют с разбавленной азотной кислотой по радикальному механизму, при нагревании до 140 о С и под давлением. Атом водорода в алкане замещается на нитрогруппу NO2.
При этом процесс протекает также избирательно.
С третичный–Н > С вторичный–Н > С первичный–Н
Например. При нитровании пропана образуется преимущественно 2-нитропропан:
2.Реакции разложения.
2.1. Дегидрирование и дегидроциклизация.
Дегидрирование – это реакция отщепления атомов водорода.
В качестве катализаторов дегидрирования используют никель Ni, платину Pt, палладий Pd, оксиды хрома (III), железа (III), цинка и др.
Уравнение дегидрирования алканов в общем виде:
При дегидрировании алканов, содержащих от 2 до 4 атомов углерода в молекуле, разрываются связи С–Н у соседних атомов углерода и образуются двойные и тройные связи.
Например, п ри дегидрировании этана образуются этилен или ацетилен:
При дегидрировании бутана под действием металлических катализаторов образуется смесь продуктов. Преимущественно образуется бутен-2:
Если бутан нагревать в присутствии оксида хрома (III), преимущественно образуется бутадиен-1,3:
Алканы с более длинным углеродным скелетом, содержащие 5 и более атомов углерода в главной цепи, при дегидрировании образуют циклические соединения.
При этом протекает дегидроциклизация – процесс отщепления водорода с образованием замкнутого цикла.
Пентан и его гомологи, содержащие пять атомов углерода в главной цепи, при нагревании над платиновым катализатором образуют циклопентан и его гомологи:
Алканы с углеродной цепью, содержащей 6 и более атомов углерода в главной цепи, при дегидрировании образуют устойчивые шестиатомные циклы, т. е. циклогексан и его гомологи, которые далее превращаются в ароматические углеводороды.
Гексан при нагревании в присутствии оксида хрома (III) в зависимости от условий может образовать циклогексан и потом бензол:
Гептан при дегидрировании в присутствии катализатора образует метилциклогексан и далее толуол:
Если процесс нагревания метана проводить очень быстро (примерно 0,01 с), то происходит межмолекулярное дегидрирование и образуется ацетилен:
Пиролиз метана – промышленный способ получения ацетилена.
2.3. Крекинг.
Крекинг – это реакция разложения алкана с длинной углеродной цепью на алканы и алкены с более короткой углеродной цепью.
Крекинг бывает термический и каталитический.
Термический крекинг протекает при сильном нагревании без доступа воздуха.
При этом получается смесь алканов и алкенов с различной длиной углеродной цепи и различной молекулярной массой.
Каталитический крекинг проводят при более низкой температуре в присутствии катализаторов. Процесс сопровождается реакциями изомеризации и дегидрирования. Катализаторы каталитического крекинга – цеолиты (алюмосиликаты кальция, натрия).
3. Реакции окисления алканов.
Алканы – малополярные соединения, поэтому при обычных условиях они не окисляются даже сильными окислителями (перманганат калия, хромат или дихромат калия и др.).
3.1. Полное окисление – горение.
Алканы горят с образованием углекислого газа и воды. Реакция горения алканов сопровождается выделением большого количества теплоты.
Уравнение сгорания алканов в общем виде:
При горении алканов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.
Например, горение пропана в недостатке кислорода:
Промышленное значение имеет реакция окисления метана кислородом до простого вещества – углерода:
Эта реакция используется для получения сажи.
3.2. Каталитическое окисление.
Продукт реакции – так называемый «синтез-газ».
4.Изомеризация алканов.
Под действием катализатора и при нагревании неразветвленные алканы, содержащие не менее четырех атомов углерода в основной цепи, могут превращаться в более разветвленные алканы.
Хлорметан может взаимодействовать с хлором и дальше с образованием дихлорметана, трихлорметана и тетрахлорметана:
