Те же алканы в зависимости от условий реакции могут окисляться с образованием различных соединений. При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н2Cr2O7, KMnO4 и т.п.). При внесении в открытое пламя – горят. Как ранее говорилось, в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО2, где углерод имеет высшую степень окисления +4, и воды. Горение углеводородов приводит к разрыву всех связей С–С и С–Н и сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция).

Предположим, что молекула представленная выше при достаточной температуре встречается с одной молекулой кислорода. Предположим, окисляется ветвь – СН3:

или, что аналогично:

Разумеется, вероятность такого превращения очень мала, но возможна. Обычно альдегиды получают с применением менее активных кислородсодержащих окислителей, например, марганцовки (KMnO4). Однако, данный пример показывает, что при горении алканов могут образовываться вещества других классов, на данном примере – альдегид. Многие реакции неполного сгорания широко используются для получения некоторых веществ или газовых смесей. Горение метана при недостатке кислорода происходит по уравнениям:

2CH4 + 3O2 → 2CO + 4 H2O

CH4 + O2→C + 2H2O

Последняя реакция используется в промышленности для получения сажи из природного газа, содержащего 80–97% метана. Частичное окисление алканов при относительно невысокой температуре и с применением катализаторов сопровождается разрывом только части связей С–С и С–Н и используется для получения ценных продуктов: карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов. Например, при неполном окислении бутана (разрыв связи С2–С3) получают уксусную кислоту:

CH3 – CH2 = CH2 – CH3 + 3O2 → 2CH3COOH + 2H2O

Бутан уксусная кислота

Высшие алканы (n>25) под действием кислорода воздуха в жидкой фазе в присутствии солей марганца превращаются в смесь карбоновых кислот со средней длиной цепи С12–С18, которые используются для получения моющих средств и поверхностно-активных веществ. Важное значение имеет реакция взаимодействия метана с водяным паром, в результате которой образуется смесь оксида углерода (II) с водородом – «синтез-газ»:

Эта реакция используется для получения водорода. Синтез-газ служит сырьем для получения различных углеводородов.

Еще более убедительные результаты показывает процесс окисления целлюлозы. Как и в случае других органических соединений, окисление молекул целлюлозы происходит не полностью, и в зависимости от условий, протекает с преобладанием тех или иных факторов, приводящих к образованию тех или иных продуктов. Как и в других случаях, наибольший процент примесей в продуктах горения образуется при тлении. Процессы, происходящие при тлении подобны тем, которые происходят при длительном температурном воздействии на целлюлозу. Данный вопрос изучался при решении проблемы постепенного распада бумаги в трансформаторных катушках. Разумеется, температуры, действующие внутри трансформаторных катушек, значительно меньше температуры горения, однако, они достаточны для протекания как реакций термического разложения, так и окислительных процессов. Механизм разложения труден для понимания, и строгого представления о химии протекающих процессов не существует. Но в общем, его можно рассматривать, как совокупность процессов окисления и разложения.

Целлюлоза окисляется, и конечные продукты реакции окисления находятся в зависимости от природы окислителя, концентрации ионов водорода (рН) и температуры. Во всех случаях, направление реакции – это окисление гидроксильных групп до карбонильных (образование альдегидов) и карбонильных – до карбоксильных (образование кислот). В этом химическом процессе образуется вода. Соседство карбоксильных или карбонильных групп ослабляет гликозидную связь и может привести к разрыву цепи и дальнейшему окислению.

Нагревание целлюлозы в отсутствие воды и окислителя в пределах 200°С приводит к разрыву гликозидных связей и раскрытию глюкозидных колец. Продуктами такого термического воздействия являются глюкоза, вода, окислы углерода и органические кислоты. Основными в количественном отношении продуктами разложения при этом являются вода и окислы углерода. Присутствие воды и кислорода определяет и направление дальнейшего химического превращения образующихся из целлюлозы соединений. В присутствии избытка кислорода основным образующимся окислом углерода является двуокись. В случае преобладания гидролитического механизма распада целлюлозы часть образовавшейся глюкозы (или, точнее, её дегидратированной формы 1,6–ангидро-бета-D-глюкопиранозы, левоглюкозана) получает возможность за счёт дегидратации превратиться в соединения фуранового ряда, а другая часть окисляется до двуокиси углерода и воды.

Наиболее распространенные в быту горючие материалы

Парафин С17Н36

Крахмал C6H10O2

Глюкоза C6H12O6

C6H12O6 + 6О2 = 6СО2+6Н2О

C6H10O2 + Н2О = C6H12O6

Натуральный каучук (–СН2 – С = СН – СН2 -)CH3

Синтетический каучук (–СН2 – СН = СН – СН2 -)

Резина

Твердые жиры (состоят из триглицеридов предельных (твердых) кислот (искусственное сало)

СН2 – O – СO – С15 H31

|

СН – O – СO – С17 H35

|

СН2 – O – СO – С17 H33

Жиры жидкие (масла), состоят из триглицеридов непредельных (жидких) кислот

СН2 – O – СO – (СН2)7 – СН = СН – (СН2)7 – С H3

|

СН – O – СO – (СН2)7 – СН = СН – (СН2)7 – С H3

|

СН2 – O – СO – (СН2)7 – СН = СН – (СН2)7 – С H3

Спирты С2Н5ОН

Целлюлоза [C6H7O2(OH)3] n, n ≈100000

5. Фильтрация дыма через воду

Одним из распространенных способов очищения воздуха, позволяющих извлекать и использовать задержанные вещества, – является фильтрование через жидкую среду. Способ достаточно эффективен как для улавливания значительно концентрированных газов, так и для конденсации паров, поглощения твердых частиц. Механизм очистки воздуха при прохождении через воду не является до конца изученным. Он представляет собой совокупность нескольких процессов, одним из которых является диффузия на границе соприкосновения сред, другим – циркуляция воздуха за счет омывания водой. Кроме того, воздушные загрязнения по признаку «поведения» в атмосфере и при перемешивании с жидкостью, можно разделить на 4 основных группы. Это «газы», пары растворимых в воде веществ, пары нерастворимых веществ и твердые частицы.

Здесь под «газами» подразумеваются соединения, не способные конденсироваться в жидкое состояние (сжижаться) при температурах, близких к комнатной (-5ºС и далее). К ним относятся сероводород, аммиак, азот, кислород, хлор, углекислый, угарный, сернистый и др. газы. Под парами будет подразумеваться взвесь микроскопических капелек или отдельных молекул веществ в воздухе, способных конденсироваться при температурах, близких к комнатной. Это пары воды, спиртов, жиров, карбоновых кислот и т.д. Твердые частицы – пыль, копоть и так далее. Рассмотрим перемешивание с водой каждой из этих групп.