10 класс. Химия. Алканы. Методы получения и применение
До настоящего времени алканы в основном не получают, а выделяют из природного сырья: природного газа, нефти, каменного угля. Алканы являются основными компонентами природного газа, нефти, каменного угля. В промышленности алканы выделяют из природных источников. Эти источники все еще считаются почти неисчерпаемыми. Но было время, когда необходимо было синтезировать алканы. Например, процесс Фишера-Тропша (1) был разработан в 20-е гг. ХХ в. в Германии в связи с дефицитом бензина. Сейчас этот метод не используется.
Получение алкенов в промышленности
Из природного и попутного нефтяного газа
Важнейшим источником алканов в природе является природный газ, минеральное углеводородное сырье - нефть и сопутствующие ей нефтяные газы. Природный газ на 95 процентов состоит из метана. Такой же состав имеет болотный газ, образующийся в результате переработки бактериями (гниения) углеводов. Метан называют ещё и болотным; рудничным газом.
Попутные нефтяные газы состоят в основном из этана, пропана, бутана и частично пентана. Их отделяют от нефти на специальных установках по подготовке нефти. При отсутствии газоконденсатных станций попутные нефтяные газы сжигают в факелах, что является крайне неразумной и разорительной практикой в нефтедобыче. Одновременно с газами нефть очищается от воды, грязи и песка, после чего поступает в трубу для транспортировки. Из нефти при ее разгонке (перегонке, дистилляции) отбирая последовательно все более и более высококипящие фракции получают:
- бензины - т. кип. от 40 до 180 С, (содержит углеводороды С5-С10), состоит более, чем из 100 индивидуальных соединений, нормальных и разветвленных алканов, циклоалканов, алкенов и ароматических углеводородов;
- керосин 180-230 C, (С11-С12);
- легкий газойль (дизельное топливо) 230-305 С (С13-С17);
- тяжелый газойль и легкий дистиллятсмазочного масла305-405 С (С18-С25);
- смазочные масла 405-515 С (С26-С38).
Остаток после перегонки нефти называется асфальтом илибитумом.
2. Синтезом из водяного газа: n CO + (2n + 1) H2 - t,kat→ CnH2n+2 + n H2O
CO + 3H2 - t,kat→ CH4 + H2O
3. Синтезом из простых веществ: n C + (n + 1) H2 t,kat,p → CnH2n+2
C + 2 H2 500°C,Ni→ CH4
Получение алканов в лаборатории
1. Гидролиз карбида алюминия (получение метана):
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4↑
2. Реакция Вюрца (взаимодействие натрия с галогенпроизводными алканов):
R-Г + 2Na + Г-R1 → R-R1 + 2NaГ
(R- это радикал; Г- это галоген)
a) CH3-Cl + 2Na + Cl-CH3 → CH3-CH3 + 2NaCl или 2CH3Cl + 2Na → C2H6 + 2NaCl
б) CH3-I + 2Na + I-C2H5 → CH3-C2H5 + 2NaI или CH3I + 2Na + C2H5I → C3H8 + 2NaI
3. Термическое декарбоксилирование солей карбоновых кислот в присутствии щелочей:
R-COONa + NaOH t ˚С→ R-H + Na2CO3
a) CH3-COONa + NaOH t ˚С→ CH4 + Na2CO3
ацетат натрия едкий натр метан карбонат натрия
б) C2H5-COONa + NaOH t ˚С→ C2H6 + Na2CO3
этилат натрия этан
4. Каталитическое гидрирование алкенов и алкинов:
a) CnH2n + H2 t,kat,p→ CnH2n+2 C2H4 + H2 300°C,Ni→ C2H6
алкен
b) CnH2n-2 + 2H2 t,kat→ CnH2n+2 C2H2 + 2H2 t,kat→ C2H6
алкин
5. Электролиз растворов солей карбоновых кислот - реакция Кольбе
Пример. Электролиз водного раствора ацетата натрия
H2O, CH3COONa ↔ Na+ + CH3COO-
КАТОД (-)
АНОД (+)
H2O, Na+
H2O, CH3COO-
Анионы органических кислот активнее воды
Процесс восстановления
2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH-
Процесс окисления
CH3COO- - 1e-→ CH3COO∙ (радикал)
CH3COO∙ → CH3∙ + СО2↑
2 СН3 ∙ → С2Н6
Итог: 2H2O + 2CH3COONa эл.ток= H2 + 2CO2 + 2NaOH + C2H6
2H2O + 2CH3COONa эл.ток= H2 + 2NaHCO3 + C2H6
Метан и другие газообразные алканы образуются при разложении остатков растительных и животных организмов без доступа воздуха. Разработан способ проведения этого процесса искусственно – в специальных баках. Рис. 1.
Рис. 1. Биогазовая установка (Источник).
Образующийся газ, состоящий на 50–70% из метана, называют биогазом. Для получения синтез-газа из метана используют два процесса, протекающие при 800–900 и в присутствии катализаторов Ni, MgO, Al2O3.
1.Декарбоксилирование солей карбоновых кислот.
Соли карбоновых кислот смешивают с твердыми щелочами и сильно нагревают (сплавляют). При этом выделяется углеводород, который содержит на один атом углерода меньше, чем исходная соль.
CH3CH2COONa + NaOH CH3-CH3 + Na2CO3.
2. Гидролиз карбида алюминия.
При взаимодействии карбида алюминия с водой образуется метан.
При нагревании галогеналканов с натрием образуются алканы, содержащие в два раза больше атомов углерода, чем исходный галогеналкан. Эту реакцию используют для получения углеводородов с более длинной углеродной цепью.
2CH3Br + 2Na CH3-CH3 + 2NaCl.
Применение алканов
1. Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.
2. Использование в качестве топлива – в котельных установках, бензин, дизельное топливо, авиационное топливо, баллоны с пропан-бутановой смесью для бытовых плит
3. Вазелин используется в медицине, парфюмерии, косметике, высшие алканы входят в состав смазочных масел, соединения алканов применяются в качестве хладагентов в домашних холодильниках
4. Смесь изомерных пентанов и гексанов называется петролейным эфиром и применяется в качестве растворителя. Циклогексан также широко применяется в качестве растворителя и для синтеза полимеров.
5. Метан используется для производства шин и краски
6. Значение алканов в современном мире огромно. В нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ. Велико значение в медицине, парфюмерии и косметике.
1. Энергоносители (топливо). Алканы нефти и природного газа используются как энергоносители. Они являются топливом для транспорта, для тепловых электростанций. Рис. 2. Кроме того, легкие алканы используются и как бытовое топливо. Рис. 3.
Рис. 2. Алканы, как топливо для транспорта
Рис. 3. Алканы – бытовое топливо
2. Сырье для нефтехимического синтеза
Из алканов нефти и природного газа получают алкены, ароматические углеводороды, сажу как наполнитель для резины. Рис. 4. Из алканов получают синтетические моющие средства, галогеналканы, ацетилен, метанол и т.д.
Рис. 4. Сажа является наполнителем для резины
Рис. 5. Твердые алканы для получения парафина
3. Жидкие алканы служат растворителями, входят в состав смазочных масел, смесь твердых алканов – парафин используется при производстве свечей. Рис. 5.
Добыча и производство алканов в промышленных масштабах является не только положительным процессом, но и это приводит к некоторым экологическим проблемам.
Метан, например, является 3-м по значимости парниковым газом, т.е. газом, который, накапливаясь в атмосфере Земли, усиливает парниковый эффект. Вклад его в парниковый эффект заметен. Из-за парникового эффекта метана необходимо изучать его вклад в этот процесс для возможного прогнозирования климата.