ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Алканы – это предельные углеводороды нециклического строения. Их называют также парафинами.

Общая формула алканов – C_nH₂_n₊₂.

В гомологическом ряду алканов температуры плавления и кипения увеличиваются с ростом молекулярной массы веществ (табл. 1). Метан, этан, пропан и бутан – газы без цвета и запаха. Алканы с числом атомов углерода от 5 до 15 при обычных условиях бесцветные жидкости, начиная с углеводорода С₁₆Н₃₄ – твердые, белые, воскоподобные вещества.

Таблица 1

Формулы, названия и физические свойства некоторых нормальных алканов

Название	Формула	Т_пл, ^оС	Т_кип, ^оС	Состояние при обычных условиях
Метан	СН₄	-184	-162	газы без запаха
Этан	С₂Н₆	-172	-88
Пропан	С₃Н₈	-190	-42
Бутан	С₄Н₁₀	-135	-0, 5
Пентан	С₅Н₁₂	-132		жидкости с запахом нефти или бензина
Гексан	С₆Н₁₄	-95
Гептан	С₇Н₁₆	-90
Октан	С₈Н₁₈	-57
Нонан	С₉Н₂₀	-54
Декан	С₁₀Н₂₂	-30

Алканы практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, например, в бензоле. Плотность жидких алканов немного меньше, чем у воды.

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ АЛКАНОВ

Каждый атом углерода в молекулах алканов образует четыре простые σ -связи с атомами водорода или другими атомами углерода. Электронные орбитали атомов углерода находятся в состоянии sp³ - гибридизации. Гибридные орбитали, а, значит, и связи каждого атома углерода направлены к вершинам тетраэдра (рис. 1).

Рисунок 1. Модели молекул метана: а – полусферическая; б – шаростержневая (показано распределение электронной плотности).

Валентный угол в молекуле метана и его гомологов составляет 109, 5^◦. Поэтому углеродная цепь в молекулах алканов имеет зигзагообразную форму:

Вокруг σ -связей С-С возможно вращение, в результате которого молекулы могут принимать различные формы, называемые конформациями (рис. 2).

Рисунок 2. Модели молекулы гексана в разных конформациях.

Углеродный скелет молекул алканов может иметь как нормальное, так и разветвленное строение. В молекулах гомологов метана различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода (см. приложение 1).

Связи С-С в молекулах алканов являются ковалентными неполярными, а связи С-Н – ковалентными полярными. Однако значения электроотрицательности атомов углерода и водорода близки и равны соответственно 2, 5 и 2, 1 по Полингу. Поэтому по свойствам связь С-Н близка к неполярной и проявляет склонность к гомолитическому разрыву с образованием свободных радикалов:

Следовательно, для алканов характерны реакции, протекающие по радикальному механизму.

НОМЕНКЛАТУРА АЛКАНОВ

В соответствии с рекомендациями ИЮПАК при построении названий алканов соблюдают следующие правила.

1. Находят основную, то есть самую длинную углеродную цепь. Название основной цепи совпадает с названием алкана с тем же числом углеродных атомов (см. табл. 1). Суффикс –ан указывает на принадлежность углеводорода к классу алканов.

2. Нумеруют атомы углерода в основной цепи, начиная с того конца, к которому ближе располагается первый из имеющихся заместителей.

3. Формулируют название алкана. Для этого перечисляют заместители в алфавитном порядке, (например, сначала м етил-, затем э тил-), указывая перед каждым заместителем номер атома углерода основной цепи, к которому он прикреплен, и добавляют название основной цепи.

Если одинаковых заместителей два, три или четыре, то используют умножающие приставки ди-, три- и тетра- соответственно.

Пример. Назовем алкан, структурная формула которого изображена ниже.

Самая длинная углеродная цепь в формуле алкана выделена жирным шрифтом. Она содержит 8 атомов углерода. Алкан с таким же числом атомов углерода называется октан. Это слово и будет основой названия всего вещества.

В молекуле три заместителя – два радикала СН₃- и один СН₃-СН₂-. Нумерацию атомов углерода ведем в данном случае справа налево, тогда атом углерода, к которому прикреплен ближайший к началу цепи заместитель СН₃- получит номер 2.

Перечисляем заместители по алфавиту, указывая перед каждым из них цифрой номер атома углерода основной цепи, к которому он прикреплен, и добавляем название основной цепи ‑ слово октан.

Итак, название алкана 2, 6-диметил-3-этилоктан.

ВИДЫ ИЗОМЕРИИ

Для алканов характерен только один вид структурной изомерии ‑ изомерия углеродного скелета.

Ниже приведены структурные формулы всех изомеров гексана С₆Н₁₄.

гексан

2-метилпентан

3-метилпентан

2, 3-диметилбутан

2, 2-диметилбутан

Для некоторых разветвленных алканов наряду с систематическими названиями используют и тривиальные:

2-метилпропан 2, 2-диметилпропан

изобутан неопентан

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Предельные углеводороды при обычных условиях химически инертны, поскольку для начала реакции с их участием нужно разорвать весьма прочные связи С‑ С или С‑ Н.

Поэтому алканы не реагируют при обычных условиях с такими активными веществами, как серная и азотная кислоты, металлический натрий, перманганат калия.

Важно помнить, что с бромную воду и раствор перманганата калия алканы не обесцвечивают.

Реакции присоединения для алканов невозможны, так как все их валентности насыщены. Для этих веществ характерны, в основном, реакции радикального замещения атомов водорода на другие атомы или группы атомов, протекающие в довольно жестких условиях – при УФ-освещении или сильном нагревании.

При высоких температурах могут протекать реакции с разрывом связей С-С, а также дегидрирование и ароматизация.

Наконец, как и для большинство органических веществ, алканы могут вступать в реакции горения и каталитического окисления. Рассмотрим подробно примеры реакций с участием алканов.

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒