Gesättigte Kohlenwasserstoffe (Paraffine) sind gesättigte aliphatische Kohlenwasserstoffe, bei denen zwischen Kohlenstoffatomen eine einfache (einfache) Bindung besteht.
Alle anderen Valenzen sind vollständig mit Wasserstoffatomen gesättigt.
Homologische Reihen
Endgültig gesättigte Kohlenwasserstoffe haben die allgemeine Formel SpH2p+2. Unter normalen Bedingungen zeigen Vertreter dieser Klasse eine schwache Reaktivität, daher werden sie "Paraffine" genannt. Gesättigte Kohlenwasserstoffe beginnen mit Methan, das die Summenformel CH4 hat.
Strukturmerkmale am Beispiel Methan
Diese organische Substanz ist geruchs- und farblos, das Gas ist fast doppelt so leicht wie Luft. In der Natur entsteht es bei der Zersetzung von tierischen und pflanzlichen Organismen, jedoch nur ohne Luftzutritt. Es kommt in Kohlengruben, in sumpfigen Stauseen vor. Methan ist in geringen Mengen Bestandteil von Erdgas, das derzeit als Kraftstoff in der Produktion, im Alltag verwendet wird.
Dieser zur Klasse der Alkane gehörende gesättigte Kohlenwasserstoff hat eine kovalente polare Bindung. Die tetraedrische Struktur wird durch sp3 erklärtHybridisierung eines Kohlenstoffatoms, der Bindungswinkel beträgt 109°28'.
Nomenklatur der Paraffine
Gesättigte Kohlenwasserstoffe lassen sich nach einer systematischen Nomenklatur benennen. Es gibt ein bestimmtes Verfahren, mit dem Sie alle Verzweigungen berücksichtigen können, die im Molekül des gesättigten Kohlenwasserstoffs vorhanden sind. Zuerst müssen Sie die längste Kohlenstoffkette identifizieren und dann die Kohlenstoffatome nummerieren. Wählen Sie dazu den Teil des Moleküls aus, in dem eine maximale Verzweigung (mehr Radikale) vorliegt. Bei mehreren identischen Resten im Alkan werden präzisierende Präfixe mit ihrem Namen angegeben: Di-, Tri-, Tetra. Zahlen werden verwendet, um die Position aktiver Teilchen in einem Kohlenwasserstoffmolekül zu verdeutlichen. Der letzte Schritt im Namen von Paraffinen ist die Angabe der Kohlenstoffkette selbst, mit dem Suffix -an.
Gesättigte Kohlenwasserstoffe unterscheiden sich in ihrem Aggregatzustand. Die ersten vier Vertreter dieser Kasse sind gasförmige Verbindungen (von Methan bis Butan). Mit zunehmendem relativen Molekulargewicht erfolgt ein Übergang in einen flüssigen und dann in einen festen Aggregatzustand.
Gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe lösen sich nicht in Wasser, können sich aber in organischen Lösungsmittelmolekülen lösen.
Merkmale der Isomerie
Welche Arten von Isomerie haben gesättigte Kohlenwasserstoffe? Beispiele für die Struktur von Vertretern dieser Klasse, ausgehend von Butan, weisen darauf hinVorhandensein von Isomerie des Kohlenstoffskeletts.
Die durch kovalente polare Bindungen gebildete Kohlenstoffkette hat eine Zickzackform. Dies ist der Grund für die Veränderung der Hauptkette im Raum, dh die Existenz von Strukturisomeren. Wenn zum Beispiel die Anordnung der Atome in einem Butanmolekül geändert wird, wird sein Isomer gebildet - 2Methylpropan.
Chemische Eigenschaften
Lassen Sie uns die grundlegenden chemischen Eigenschaften von gesättigten Kohlenwasserstoffen betrachten. Für Vertreter dieser Klasse von Kohlenwasserstoffen sind Additionsreaktionen nicht charakteristisch, da alle Bindungen im Molekül einfach (gesättigt) sind. Alkane gehen Wechselwirkungen ein, die mit dem Ersatz eines Wasserstoffatoms durch ein Halogen (Halogenierung), einer Nitrogruppe (Nitrierung) verbunden sind. Wenn die Formeln gesättigter Kohlenwasserstoffe die Form SpH2n + 2 haben, entsteht nach der Substitution ein Stoff der Zusammensetzung CnH2n + 1CL sowie CnH2n + 1NO2.
Der Substitutionsprozess hat einen Mechanismus der freien Radikale. Zuerst werden aktive Teilchen (Radikale) gebildet, dann wird die Bildung neuer organischer Substanzen beobachtet. Alle Alkane reagieren mit Vertretern der siebten Gruppe (Hauptuntergruppe) des Periodensystems, aber der Prozess läuft nur bei erhöhter Temperatur oder in Anwesenheit eines Lichtquants ab.
Auch alle Vertreter der Methanreihe zeichnen sich durch Wechselwirkungen mit Luftsauerstoff aus. Bei der Verbrennung treten Kohlendioxid und Wasserdampf als Reaktionsprodukte auf. Die Reaktion wird von einer erheblichen Wärmeentwicklung begleitet.
Wenn Methan mit Luftsauerstoff interagierteine Explosion ist möglich. Ein ähnlicher Effekt ist typisch für andere Vertreter der Klasse der gesättigten Kohlenwasserstoffe. Deshalb ist eine Mischung von Butan mit Propan, Ethan, Methan gefährlich. Solche Ansammlungen sind beispielsweise typisch für Kohlengruben, Industriewerkstätten. Wird der gesättigte Kohlenwasserstoff über 1000 °C erhitzt, zersetzt er sich. Höhere Temperaturen führen zur Bildung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen sowie zur Bildung von Wasserstoffgas. Der Dehydrierungsprozess ist von industrieller Bedeutung, er ermöglicht die Gewinnung einer Vielzahl organischer Substanzen.
Für Kohlenwasserstoffe der Methanreihe, beginnend mit Butan, ist die Isomerisierung charakteristisch. Seine Essenz liegt in der Veränderung des Kohlenstoffskeletts, um gesättigte verzweigte Kohlenwasserstoffe zu erh alten.
Anwendungsfunktionen
Methan als Erdgas wird als Brennstoff verwendet. Chlorderivate des Methans sind von großer praktischer Bedeutung. Beispielsweise werden Chloroform (Trichlormethan) und Jodoform (Triiodmethan) in der Medizin verwendet, und Tetrachlorkohlenstoff stoppt beim Verdunsten den Zugang von Luftsauerstoff, sodass es zum Löschen von Bränden verwendet wird.
Aufgrund des hohen Heizwerts von Kohlenwasserstoffen werden sie als Brennstoff nicht nur in der industriellen Produktion, sondern auch für Haush altszwecke verwendet.
Eine Mischung aus Propan und Butan, sogenanntes "Flüssiggas", ist besonders relevant in Gebieten, in denen Erdgas nicht verfügbar ist.
Interessante Fakten
Vertreter von Kohlenwasserstoffen, die in flüssigem Zustand vorliegen, sind Treibstoff für Verbrennungsmotoren in Autos (Benzin). Darüber hinaus ist Methan ein erschwinglicher Rohstoff für verschiedene chemische Industrien.
Zum Beispiel wird die Zersetzungs- und Verbrennungsreaktion von Methan zur industriellen Herstellung von Ruß, der für die Herstellung von Druckfarben benötigt wird, sowie zur Synthese verschiedener Kautschukprodukte aus Kautschuk genutzt.
Dazu wird dem Ofen zusammen mit Methan so viel Luft zugeführt, dass eine teilweise Verbrennung von gesättigtem Kohlenwasserstoff eintritt. Mit steigender Temperatur zersetzt sich ein Teil des Methans und es entsteht feiner Ruß.
Wasserstoffbildung aus Paraffinen
Methan ist die Hauptquelle für industriellen Wasserstoff, der für die Ammoniaksynthese verwendet wird. Zur Dehydrierung wird Methan mit Wasserdampf vermischt.
Der Prozess findet bei einer Temperatur von etwa 400 °C statt, einem Druck von etwa 2-3 MPa, es werden Aluminium- und Nickelkatalysatoren verwendet. Bei manchen Synthesen wird ein Gasgemisch verwendet, das bei diesem Prozess entsteht. Bei nachfolgenden Umwandlungen mit reinem Wasserstoff wird eine katalytische Oxidation von Kohlenmonoxid mit Wasserdampf durchgeführt.
Chlorierung erzeugt eine Mischung aus Methan-Chlor-Derivaten, die eine breite industrielle Anwendung finden. Chlormethan beispielsweise ist in der Lage, Wärme aufzunehmen, weshalb es in modernen Kälteanlagen als Kältemittel eingesetzt wird.
Dichlormethan ist ein gutes Lösungsmittel für organische Substanzen, die in der chemischen Synthese verwendet werden.
Chlorwasserstoff, der bei der radikalischen Halogenierung entsteht, wird nach dem Auflösen in Wasser zu Salzsäure. Aktuell wird Acetylen auch aus Methan gewonnen, das ein wertvoller Chemierohstoff ist.
Schlussfolgerung
Vertreter der methanhomologen Reihe sind in der Natur weit verbreitet, was sie zu beliebten Stoffen in vielen Zweigen der modernen Industrie macht. Aus Methan-Homologen können verzweigte Kohlenwasserstoffe gewonnen werden, die für die Synthese verschiedener Klassen organischer Substanzen notwendig sind. Die höchsten Vertreter der Klasse der Alkane sind die Rohstoffe für die Herstellung synthetischer Waschmittel.
Neben Paraffinen sind auch Alkane, Cycloalkane, sogenannte Cycloparaffine, von praktischem Interesse. Ihre Moleküle enth alten auch einfache Bindungen, aber die Besonderheit der Vertreter dieser Klasse ist das Vorhandensein einer zyklischen Struktur. Sowohl Alkane als auch Cycloacane werden in großen Mengen als gasförmige Brennstoffe verwendet, da die Prozesse mit einer erheblichen Wärmefreisetzung einhergehen (exothermer Effekt). Alkane, Cycloalkane gelten derzeit als die wertvollsten chemischen Rohstoffe, daher beschränkt sich ihr praktischer Einsatz nicht auf typische Verbrennungsreaktionen.
