Классификация углеводородов

Органическая химия — это раздел химии, изучающий реакции, структуры и свойства (физические и химические) органических соединений, содержащих атомы углерода и ковалентные связи (химическая связь, которая включает совместное использование электронов между атомами).

Любая группа органических химических соединений, состоящая только из атомов углерода (С) и водорода (Н), называется углеводородами. Атомы углерода связываются вместе, образуя структуру соединения, а атомы водорода связываются с ним несколькими способами. Нефть и природный газ в основном состоят из углеводородов. Они используются в качестве топлива и смазочных материалов, а также сырья для пластмасс, волокон, каучуков, растворителей, взрывчатых веществ и промышленных химикатов.

Hydrocarbons are abundant in nature. They are found in trees and plants as well as fossil fuels, for example, in the form of carotenes, which are pigments found in carrots and green leaves. A hydrocarbon polymer, a chainlike molecule made up of numerous units linked together, makes up more than 98% of natural crude rubber. Individual hydrocarbons’ shapes and chemistry are mostly determined by the types of chemical bonds that connect the atoms of their constituent molecules.

Что такое углеводороды?

Hydrocarbons are made of two words hydro and carbon, in which hydro represents hydrogen elements and carbon represents carbon elements, so hydrocarbons can be easily defined as compounds that are formed from hydrogen and carbon molecules only. 

Углеводороды могут существовать как в виде прямой цепи, так и в виде круговой структуры. Эти углеводороды используются в другом процессе для создания новых материалов.

Углеводороды делятся на четыре подкатегории: алканы, алкены, алкины и ароматические углеводороды. Алканы, алкены, алкины и ароматические углеводороды имеют простую или умеренно сложную структуру. Изучение углеводородов может дать информацию о химических характеристиках и производстве других функциональных групп.

C _x H _y – молекулярная формула этих веществ. Углеводороды можно найти как в растениях, так и в деревьях. Каротины, например, представляют собой органический пигмент, содержащийся в зеленых листьях и моркови. Углеводороды присутствуют в природе в различных формах, таких как ископаемое топливо, состоящее из сырой нефти, нефти, керосина, сжиженного нефтяного газа (LPG), сжатого природного газа (CNG) и т. д., которые содержат углеводороды. Это означает, что углеводороды являются отличным источником энергии.

Свойства углеводородов:

1. На температуры плавления и кипения молекул углеводородов влияет размер молекул. В результате при комнатной температуре одни углеводороды представляют собой газы, а другие — жидкости или твердые вещества.
2. Они состоят из прочных углерод-водородных связей.
3. Молекулы обладают сильными молекулярными силами притяжения.
4. Неполярность относится к отсутствию противоположно заряженных сторон в молекулах углеводородов. В результате они являются полярными соединениями и не растворяются в воде. Углеводороды, с другой стороны, имеют естественную тенденцию отталкивать воду. Вот почему воск для пола и другие сопутствующие продукты содержат их.

Классификация и типы углеводородов

Раньше ученые старшего поколения классифицировали углеводороды как алифатические или ароматические. Источники и характеристики использовались для классификации углеводородов. Как следствие, было обнаружено, что алифатические углеводороды образуются при химическом разложении жиров или масел, тогда как ароматические углеводороды включают компоненты, образующиеся при химическом разложении растительных экстрактов. Однако теперь мы классифицируем углеводороды на основе их структуры, а не происхождения.

Насыщенные углеводороды

Насыщенные углеводороды известны как алканы . Эти углеводороды содержат одинарные связи углерод-углерод и углерод-водород. Эти углеводороды образуют цепочечные структуры, которые имеют открытый характер. Эти углеводороды не содержат двойных или тройных связей. Насыщенные углеводороды известны как простейшие углеводороды. Общая формула насыщенных углеводородов C _n H _2n+2 .

Физические свойства насыщенных углеводородов (алканов)

• Насыщенные углеводороды (алканы) по своей природе не имеют цвета и запаха.
• Алканы являются неполярными молекулами.
• Первые 4 члена алканов существуют в газовой фазе. Следующие тринадцать членов с пятого по семнадцатый находятся в жидкой фазе.
• Алканы, содержащие более 18 атомов углерода, по своей природе твердые.
• В алканах существуют межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса. Алканы с более сильными межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса имеют более высокие температуры кипения.
• По той же причине, о которой говорилось выше, температуры плавления алканов следуют той же тенденции, что и точки кипения. То есть чем больше молекула (при прочих равных), тем выше температура плавления.

Химические свойства насыщенных углеводородов (алканов)

• При нагревании алканы реагируют с кислородом с образованием углекислого газа и воды. Возьмем метан (CH ₄ ), первый член алканов, и нагреем его.

CH ₄ (газ) + 2O ₂ (газ) → CO ₂ (газ) + 2H ₂ O (жидкость)

• Атомы водорода могут быть заменены фтором, хлором, бромом, йодом с помощью группы галогена с образованием новых соединений, этот процесс известен как галогенирование. Процесс галогенирования происходит в присутствии солнечного света.

CH ₄ + Cl ₂ → CH ₃ Cl (хлорметан) + HCl

• Алканы с прямой цепью нагревают в присутствии платинового катализатора в процессах изомеризации и риформинга. Изомеризация превращает алканы в изомеры с разветвленной цепью. Алканы подвергаются преобразованию в циклоалканы или ароматические углеводороды с выделением водорода в качестве побочного продукта. Оба этих метода повышают октановое число вещества. Бутан является наиболее распространенным алканом, который подвергается изомеризации, так как он дает большое количество разветвленных алканов с высокими октановыми числами.

Получение насыщенных углеводородов (алканов)

Алканы можно получить несколькими способами, некоторые из них описаны ниже:

• Из ненасыщенных углеводородов

Ненасыщенные углеводороды представляют собой алкены или алкины, которые можно преобразовать в алканы путем добавления газообразного водорода в присутствии катализатора (например, никеля). Этот процесс образования алканов известен как гидрогенизация.

C ₂ H ₄ (этен) + H ₂ → C ₂ H ₆ (этан)

• Из алкилгалогенидов

Алканы также можно получить из алкилгалогенидов путем взаимодействия их с водородом в присутствии цинка.

CH ₃ Cl + H ₂ ^Zn → CH ₄ (метан) + HCl

Ненасыщенные углеводороды

Ненасыщенные углеводороды представляют собой органические молекулы, полностью состоящие из атомов углерода и водорода, которые имеют двойную или тройную связь между двумя соседними атомами углерода. Алкены — это углеводороды, содержащие по крайней мере одну двойную связь между двумя соседними атомами углерода, тогда как алкины — это углеводороды, содержащие тройную углерод-углеродную связь. Насыщенные и ненасыщенные углеводороды имеют разные химические формулы, как показано ниже.

Ненасыщенные углеводороды бывают двух типов:

1. Алкены
2. Алкины

Алкены: ненасыщенные углеводороды содержат алкены. Алкены представляют собой маслообразующие соединения, поэтому они известны как олефины. Эти углеводороды содержат одинарные связи углерод-углерод и углерод-водород, а также по крайней мере одну двойную связь. Эти углеводороды также образуют цепочечные структуры, которые имеют открытый характер.

Общая формула алкенов: C _n H _2n

Физические свойства алкенов

1. Ненасыщенные углеводороды (алкены) по своей природе не имеют цвета и запаха, за исключением этена, который имеет сладкий запах.
2. Алкены имеют более сильный запах, чем их сопоставимые алканы.
3. Алкены представляют собой полярные молекулы.
4. Физическое состояние определяется молекулярной массой: простейшие алкены, как и соответствующие предельные углеводороды, при комнатной температуре являются газами.
5. Первые 3 члена алкенов существуют в газовой фазе.
6. Следующие четырнадцать членов с четвертого по семнадцатый находятся в жидкой фазе.
7. Алкены, содержащие более 14 атомов углерода, по своей природе твердые.
8. Они имеют высокие температуры плавления и кипения.

Химические свойства алкенов

• Алкены обладают свойством проводить реакции присоединения, поэтому они присоединяют молекулы водорода с образованием алканов.

C ₂ H ₄ (этен) + H ₂ → C ₂ H ₆ (этан)

• Атомы водорода могут быть заменены фтором, хлором, бромом с помощью группы галогена с образованием новых соединений, называемых дигалогенидами, за исключением йода, так как йод не вступает в реакцию присоединения.

C ₂ H ₄ (этен) + Br ₂ → C ₂ H ₄ Br ₂ (дибромэтан)

Получение алкенов

Алкены можно получить несколькими способами, некоторые из них описаны ниже:

• Из алкинов: ненасыщенные углеводороды (алкены) могут быть получены из алкинов путем добавления газообразного водорода в присутствии катализатора (например, гранулированного древесного угля), этот катализатор также известен как катализатор Линдлара.

C ₂ H ₂ (Этин) + H ₂ ^Pd/C → C ₂ H ₄ (Этен)

• Из алкилгалогенидов: алкены также можно получить из алкилгалогенидов путем их нагревания в присутствии поташа, растворенного в спирте, чтобы удалить молекулу галогена из алкилгалогенидов.

C ₂ H ₅ Cl → C ₂ H ₄ (Этен)

Алкины: ненасыщенные углеводороды также содержат алкины. Эти углеводороды содержат одинарные связи углерод-углерод и углерод-водород, а также по крайней мере одну тройную связь между двумя атомами углерода. Эти углеводороды также образуют цепочечные структуры, которые имеют открытый характер. Первым членом ряда алкинов является этин, также известный как ацетилен.

Общая формула алкинов: C _n H _2n-2

Физические свойства алкинов

1. Ненасыщенные углеводороды (алкины) по своей природе не имеют цвета и запаха, за исключением этина, который имеет запах.
2. Алкины представляют собой полярные молекулы.
3. Первые 3 члена алкинов существуют в газовой фазе.
4. Следующие восемь членов с четвертого по одиннадцатый находятся в жидкой фазе.
5. Алкины, содержащие более 11 атомов углерода, по своей природе твердые.

Химические свойства алкинов

1. Алкины также демонстрируют реакции присоединения, как и алкены, поскольку алкины имеют тройную связь, поэтому они имеют тенденцию добавлять две молекулы водорода, галогена, галогеноводорода с образованием различных соединений.
2. Алкины не реагируют с водой.
3. Полимеризация алкинов означает, что они могут образовывать длинноцепочечные молекулы углерода.

Получение алкинов

Алкины можно получить несколькими способами, некоторые из них описаны ниже:

• Из карбида кальция: алкины могут быть получены путем добавления воды к карбиду кальция, что приведет к образованию гидроксида кальция и алкина, скажем, этина.

CaC ₂ + 2H ₂ O → Ca(OH) ₂ + C ₂ H ₂ (этин)

• Из вицинальных дигалогенидов: алкины могут быть получены из вицинальных дигалогенидов путем взаимодействия их со спиртовым раствором калия для удаления одной молекулы галогена из дигалогенида с образованием алкенилгалогенида, который затем можно восстановить до алкина.

Ароматические углеводороды

Ароматное слово происходит от слова аромат, что означает приятный запах, поэтому ароматические соединения имеют приятный запах. Эти углеводороды также известны как арены. Большинство ароматических углеводородов содержат бензольные кольца, поэтому они известны как бензоиды. Некоторые ароматические углеводороды не содержат бензольных колец, поэтому их также называют небензолами.

Физические свойства ароматических углеводородов

1. Эти химические вещества являются ароматическими (дополнительная стабильность обеспечивается резонансом).
2. В этих соединениях соотношение атомов углерода и водорода относительно велико.
3. Ароматические углеводороды существуют в газообразной и жидкой фазах.
4. Ароматические углеводороды по своей природе бесцветны.
5. Ароматические углеводороды нерастворимы в воде.

Химические свойства ароматических углеводородов

1. Ароматические углеводороды способны проводить реакции электрофильного замещения.
2. При некоторых условиях эти углеводороды также могут вступать в реакции присоединения и окисления.
3. При сгорании ароматических углеводородов образуется желтое копотистое пламя.

Получение ароматического углеводорода

• Восстановление фенола: ароматические углеводороды говорят, что бензол можно получить путем восстановления фенола цинковой пылью.

C ₆ H ₆ OH (фенол) + Zn → C ₆ H ₆ (бензол) + ZnO

• Декарбоксилирование ароматических кислот: ароматические углеводороды говорят, что бензол можно получить путем нагревания натриевой соли бензойной кислоты.

C ₆ H ₆ COONa + NaOH ^CaO → C ₆ H ₆ (Бензол)+ Na ₂ CO ₃

Использование углеводородов

1. Углеводороды используются в красках в качестве растворителя.
2. Они также используются в промышленности смазки и смазочных материалов.
3. Различные виды наркотиков используют для своего приготовления углеводороды.
4. Углеводороды используются в синтезе различных типов полимеров.
5. Топлива состоят из основных углеводородов.
6. Природный газ в основном состоит из метана.
7. Этан и пропан превращаются либо в синтетический газ, либо в этилен и пропилен.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Почему Метена не существует?

Отвечать:

Methene does not exist as for alkenes to make there should be one carbon-carbon double bond so two carbon atoms are needed and this is the reason that methene which contains only a single carbon atom does not exist.

Вопрос 2: Что такое правило Хюккеля?

Отвечать:

Aromatic compounds are compounds that contain one benzene ring, benzene rings contain electrons which should follow a rule called the Huckel rule. The presence of (4n+2) pi electrons in the ring is the Huckel rule.

Вопрос 3: Что такое озонолиз?

Отвечать:

Ozonolysis is the process of the addition of ozone molecules to the alkene to form ozonide, this process is useful in investigating the location of the double bond in alkenes.

Вопрос 4: Что такое пиролиз?

Отвечать:

Decomposition of higher alkanes into lower alkanes by the effect of heat is called pyrolysis, another name of pyrolysis is cracking.

Вопрос 5: Почему метина не существует?

Отвечать:

Methyne does not exist as for alkynes to make there should be one carbon-carbon triple bond so two carbon atoms are needed and this is the reason that methyne which contain only a single carbon atom does not exist.