§ 15. Особенности строения алканов

Определения и обозначения

Алканы — ациклические насыщенные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода соединены только одинарными связями. Ациклическая цепь не образует кольца, а одинарные связи означают отсутствие двойных и тройных связей между атомами углерода. Это определение помогает отличить алканы от циклических и ненасыщенных углеводородов.

Насыщенные углеводороды — соединения, содержащие максимально возможное для данной углеродной цепи число атомов водорода. У атома углерода четыре связи, поэтому кратная связь или цикл изменили бы число водородов в молекуле. Понятие насыщенности позволяет вывести формулу алканов и сравнивать их с другими углеводородами.

sp³-гибридизация — состояние атома углерода, при котором образуются четыре равноценные гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра. Орбиталь — область пространства, где высока вероятность обнаружить электрон; гибридизация описывает образование новых орбиталей из атомных. Этот термин нужен, чтобы объяснить и число связей углерода, и их пространственное расположение.

Конформация — пространственное расположение атомов молекулы, изменяющееся при вращении вокруг одинарной σ-связи. Символ σ обозначает связь, электронная плотность которой сосредоточена вдоль линии между ядрами соединённых атомов. Понятие конформации помогает описывать подвижную форму молекулы, не предполагая разрыва её связей.

Как это устроено

В открытой цепи из n атомов углерода между соседними атомами есть n − 1 связей C–C. Каждый атом углерода способен образовать четыре связи, а все незанятые связи соединяются с атомами водорода. В результате у цепи получается 2n + 2 атомов водорода, поэтому формула алканов — CₙH₂ₙ₊₂. Если бы в молекуле был цикл или кратная связь, часть связей ушла бы на замыкание цикла или дополнительную связь между углеродами, и водородов стало бы меньше.

У атома углерода на внешнем энергетическом уровне есть s- и p-орбитали. При sp³-гибридизации одна s- и три p-орбитали смешиваются, образуя четыре равноценные орбитали, каждая из которых может участвовать в образовании связи. Их перекрывание с орбиталями соседних атомов создаёт σ-связи: у углерода в алканах это связи C–C и C–H. Так объясняется, почему углерод образует четыре одинарные связи, а не только одну или две.

Четыре гибридные орбитали отталкиваются друг от друга и располагаются как можно дальше, направляясь к вершинам тетраэдра. Поэтому атом углерода имеет тетраэдрическое окружение, а не плоское. Угол между связями близок к 109°28′ — это угол правильного тетраэдра. Такое направление орбиталей позволяет снизить отталкивание между электронными парами связей.

В одинарной связи C–C перекрывание орбиталей происходит вдоль линии между атомами — образуется σ-связь. При повороте вокруг этой линии такое перекрывание сохраняется, поэтому связь не нужно разрывать и вращение возможно. Меняется взаимное положение частей молекулы, а значит, и её пространственная форма. Разные положения, возникающие таким способом, называют конформациями.

У этана, CH₃–CH₃, можно сравнить положения связей при взгляде вдоль связи C–C, используя проекцию Ньюмена. В заслонённой конформации связи C–H за передним атомом углерода совпадают по направлению со связями C–H заднего атома. В заторможенной конформации задние связи расположены между передними, поэтому связи соседних атомов углерода дальше друг от друга. Электронные пары отталкиваются слабее, и заторможенная конформация имеет меньшую энергию и более устойчива.

Особенности строения алканов

Сопоставляйте в таблице не только виды связей, но и то, какие признаки относятся к отдельной связи, а какие — ко всей молекуле. Например, формула CₙH₂ₙ₊₂ описывает алкан целиком, а угол 109°28′ — окружение атома углерода. Так легче не смешать свойства связи с геометрией молекулы.

Разбор задач

Формула и число связей в алкане с семью атомами углерода

Условие. Определите молекулярную формулу алкана, содержащего 7 атомов углерода, и число σ-связей в его молекуле. Сначала найдём число атомов водорода, а затем отдельно посчитаем связи в углеродной цепи и связи с водородом. Такой порядок помогает не пропустить ни один тип связи.

1. В формуле алканов CₙH₂ₙ₊₂ подставляем n = 7: число атомов водорода равно 2 · 7 + 2 = 16.
2. Получаем формулу C₇H₁₆. Это гептан; для подсчёта связей структурная формула должна иметь открытую цепь из семи атомов углерода.
3. В цепи из семи атомов углерода между соседними атомами имеется 7 − 1 = 6 связей C–C. Связей C–H столько же, сколько атомов водорода, то есть 16.
4. Все эти связи одинарные и являются σ-связями: 6 + 16 = 22.

Ответ. Формула алкана — C₇H₁₆, в его молекуле 22 σ-связи. Проверить результат можно подсчётом валентностей: у семи атомов углерода в сумме 28 связей, но каждая связь C–C учтена у двух атомов, поэтому число отдельных связей равно (28 + 16) ÷ 2 = 22.

Структурная и пространственная формулы этана

Условие. Изобразите структурную и пространственную формулы этана, укажите гибридизацию атомов углерода и углы между связями. Структурная запись покажет, какие атомы связаны, а пространственное описание — как расположены связи в объёме. Для этого достаточно учесть число связей каждого атома углерода.

1. Записываем структурную формулу: CH₃–CH₃. Между атомами углерода одна связь C–C, а у каждого атома углерода по три связи C–H.
2. Каждый атом углерода образует четыре одинарные σ-связи. Следовательно, оба атома углерода имеют sp³-гибридизацию.
3. В пространстве четыре связи у каждого атома углерода направлены к вершинам тетраэдра. Поэтому связи C–H и C–C не следует изображать как лежащие в одной плоскости; характерный угол между ними близок к 109°28′.

Ответ. Структурная формула этана — CH₃–CH₃; пространственно вокруг каждого атома углерода расположены четыре связи тетраэдрически. Гибридизация каждого атома углерода sp³, угол между связями около 109°28′. В молекуле одна σ-связь C–C и шесть σ-связей C–H.

Сравнение конформаций этана

Условие. Сравните заторможенную и заслонённую конформации этана и определите, какая устойчивее. Представьте, что смотрите вдоль связи C–C: один атом углерода находится перед другим, а его связи показывают на проекции Ньюмена. Сравнение взаимного расположения связей помогает объяснить разницу энергии.

1. В заслонённой конформации связи C–H переднего и заднего атомов углерода направлены почти одна за другой. Электронные пары связей оказываются ближе.
2. В заторможенной конформации задние связи C–H расположены между передними. Расстояние между связями соседних атомов углерода больше.
3. При большем расстоянии отталкивание электронных пар меньше, поэтому заторможенное положение имеет более низкую энергию. Вращение вокруг связи C–C позволяет этану переходить между этими положениями без разрыва связей.

Ответ. Устойчивее заторможенная конформация: в ней связи C–H соседних атомов углерода максимально разнесены, а энергия ниже. Заслонённая конформация менее выгодна из-за более сильного отталкивания электронных пар.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что одинарная связь не имеет определённого направления. Так иногда рассуждают, смешивая отсутствие кратности с отсутствием направленного перекрывания орбиталей. σ-связь образуется вдоль линии между ядрами, поэтому проверьте себя: можно ли указать направление связи и геометрию вокруг атома?

Атому углерода в алканах иногда приписывают sp²- или sp-гибридизацию, не проверив число его связей. В алкане углерод связан четырьмя одинарными связями, значит, для него подходит sp³-гибридизация. Проверка проста: посчитайте связи у выбранного атома углерода и сопоставьте их число с типом гибридизации.

Структурную формулу, записанную на плоскости, можно ошибочно принять за изображение плоской молекулы. На плоскости удобнее показывать, какие атомы соединены, но это не передаёт направления связей в пространстве. Сверьте число связей углерода: четыре связи ориентированы тетраэдрически, значит, углеродный скелет не следует считать плоским.

Конформации иногда принимают за изомеры, то есть за разные вещества. Причина ошибки — разные изображения молекулы принимают за разные строения, хотя конформации возникают при вращении вокруг σ-связи. Проверьте, меняется ли порядок соединения атомов: если нет и связи не разрываются, перед вами конформации одной молекулы.

Связь с другими темами

Для понимания строения алканов нужны знания о строении атома углерода, ковалентной связи и электронных парах. Представление о гибридизации объясняет, почему углерод образует четыре связи и как они направлены в пространстве. Эти сведения позволяют перейти от записи формул к модели реальной молекулы.

Тетраэдрическое строение и вращение вокруг σ-связей помогают изучать пространственное строение органических молекул, изомерию и конформации. Понимание строения алканов также служит основой для разбора особенностей их химических реакций. Связи и геометрию алканов полезно сравнивать со строением алкенов, алкинов и ароматических углеводородов.

Что запомнить

• Алканы — насыщенные ациклические углеводороды.
• Общая формула алканов: CₙH₂ₙ₊₂.
• Атомы углерода в алканах находятся в состоянии sp³-гибридизации.
• Каждый атом углерода образует четыре σ-связи.
• Углеродный скелет алканов имеет тетраэдрическое строение.
• Угол между связями около атома углерода равен 109°28′.
• Вращение вокруг связи C–C приводит к образованию конформаций.