§ 4. Алканы

Определения и обозначения

Алканы — насыщенные ациклические углеводороды, в молекулах которых между атомами углерода имеются только одинарные связи. Насыщенными их называют потому, что углеродная цепь связана с максимально возможным для неё числом атомов водорода. Слово «ациклические» указывает, что цепь не замкнута в кольцо. Это определение помогает отличать алканы от циклических углеводородов и веществ с кратными связями.

Гомологический ряд — последовательность сходных по строению и свойствам веществ, соседние члены которой отличаются на группу CH₂. Например, метан CH₄ и этан C₂H₆ — соседние члены ряда. При переходе к следующему веществу углеродная цепь удлиняется на один атом углерода. Понятие ряда позволяет проследить, как свойства меняются при постепенном увеличении молекулы.

Общая формула алканов CₙH₂ₙ₊₂ показывает зависимость числа атомов водорода от числа атомов углерода. Буква n обозначает количество атомов углерода в молекуле, поэтому при n = 3 формула становится C₃H₈. Формула подходит для алканов с любой длиной цепи, если она не замкнута. С её помощью можно находить состав вещества и проверять молекулярные формулы.

Структурная изомерия — существование веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным порядком соединения атомов. Например, атомы углерода в алкане могут образовать прямую цепь или цепь с ответвлением. Из-за разного строения такие вещества являются разными соединениями, хотя число атомов каждого элемента у них совпадает. Это понятие нужно, чтобы не путать молекулярную формулу с единственно возможным строением вещества.

Как это устроено

Формула CₙH₂ₙ₊₂ получается из валентности углерода и устройства открытой цепи. Каждый атом углерода образует четыре связи, но часть из них расходуется на соединение с соседними атомами углерода. В незамкнутой цепи крайние атомы углерода связаны только с одним углеродным соседом, а внутренние — с двумя. Свободные связи насыщаются водородом, и для цепи из n атомов углерода получается 2n + 2 атома водорода.

Углеродный скелет можно представить как последовательность соединённых атомов C. Если каждый следующий атом присоединён к предыдущему без ответвлений, цепь неразветвлённая; если часть атомов образует боковые ветви, она разветвлённая. После построения скелета нужно дополнить связи каждого атома углерода водородом до четырёх. Такой порядок помогает составить структурную формулу и не нарушить валентность.

Все связи между атомами углерода и водорода в алканах одинарные и относятся к σ-связям. Такая связь образуется при перекрывании электронных облаков вдоль линии, соединяющей ядра атомов. Электронные пары вокруг каждого атома углерода располагаются так, чтобы отталкиваться как можно меньше; поэтому его окружение имеет тетраэдрическую форму. Пространственное строение не меняет формулу, но помогает правильно представлять молекулу.

С увеличением числа атомов углерода растут размеры и масса молекул. Межмолекулярное притяжение у более крупных молекул обычно сильнее, поэтому для их разделения требуется больше энергии: температуры кипения и плавления в целом повышаются. В результате первые представители ряда при обычных условиях являются газами, следующие — жидкостями, а наиболее тяжёлые — твёрдыми веществами. Это постепенное изменение свойств называют закономерностью гомологического ряда.

Одинарные связи алканов достаточно прочны, а молекулы не имеют участков с повышенной реакционной способностью, характерных для кратных связей. Поэтому без подходящих условий многие алканы реагируют медленно. При горении они соединяются с кислородом, при замещении атом водорода заменяется другим атомом или группой, а при крекинге крупные молекулы расщепляются на более мелкие. Нагревание или другие условия реакции помогают преодолеть энергетический барьер и запустить превращение.

Первые представители гомологического ряда алканов

Сначала найдите число атомов углерода и примените общую формулу, а затем сравните молекулярную и сокращённую структурную формулы. В строке с радикалами приведены названия групп, которые получаются при удалении одного атома водорода от соответствующего алкана. Уравнения горения показывают, как проверить число атомов каждого элемента в реагентах и продуктах.

Разбор задач

Задача 1. Алкан с семью атомами углерода

Определите молекулярную формулу и название алкана, содержащего 7 атомов углерода. Здесь известен индекс n, поэтому сначала найдём число атомов водорода по общей формуле. Затем подберём название по числу атомов углерода в цепи. Название должно соответствовать неразветвлённому представителю ряда.

1. Подставим n = 7 в формулу CₙH₂ₙ₊₂. Индекс у углерода равен 7, а число атомов водорода — 2 · 7 + 2 = 16.
2. Запишем молекулярную формулу C₇H₁₆. Алкан с семью атомами углерода называется гептаном.

Ответ: C₇H₁₆, гептан. Проверка: соседние формулы ряда отличаются на CH₂, а C₇H₁₆ действительно следует за C₆H₁₄. Если получено другое число водородов, повторите вычисление 2n + 2.

Задача 2. Изомеры состава C₅H₁₂

Запишите все структурные формулы изомеров состава C₅H₁₂ и назовите их. Начните с неразветвлённой цепи из пяти атомов углерода. Затем укоротите главную цепь и разместите оставшиеся атомы углерода как ответвления, не создавая повторов одного скелета. В конце проверьте формулу и четырёхвалентность каждого атома углерода.

1. Цепь из пяти атомов без ответвлений даёт CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃. Это пентан.
2. Цепь из четырёх атомов и ответвление CH₃ у второго атома даёт CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃. Это 2-метилбутан.
3. Цепь из трёх атомов с двумя группами CH₃ у среднего атома даёт CH₃–C(CH₃)₂–CH₃. Это 2,2-диметилпропан.

Ответ: пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан. У каждой формулы пять атомов углерода и двенадцать атомов водорода. Других вариантов скелета для пяти атомов углерода нет: дальнейшее разветвление приводит к уже записанному строению.

Задача 3. Кислород для сгорания пропана

Рассчитайте объём кислорода, необходимый для полного сгорания 5 л пропана при одинаковых условиях. Сначала составьте уравнение реакции и найдите отношение объёмов газов по коэффициентам. При одинаковых температуре и давлении равные объёмы газов содержат одинаковое число молекул. Поэтому объёмы пропана и кислорода относятся так же, как коэффициенты перед ними.

1. Запишем продукты полного горения: CO₂ и H₂O. Уравняем атомы углерода и водорода: C₃H₈ + O₂ → 3CO₂ + 4H₂O.
2. Справа получилось 3 · 2 + 4 = 10 атомов кислорода. Значит, слева нужно 5 молекул O₂, и уравнение принимает вид C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O.
3. По коэффициентам 1 объём пропана требует 5 объёмов кислорода. Для 5 л пропана нужно 5 · 5 = 25 л кислорода.

Ответ: 25 л O₂. Проверьте, что кислород в уравнении посчитан по атомам, а отношение объёмов взято из уже уравненной реакции. Коэффициенты относятся к газообразным веществам, объёмы которых сравнивают при одинаковых условиях.

Типичные ошибки

Иногда общую формулу алканов записывают как CₙH₂ₙ. Такую формулу можно встретить у алкенов с одной двойной связью или у циклоалканов, поэтому классы веществ легко перепутать. Проверьте, что речь идёт именно об ациклическом алкане, и подставьте n = 1: метан должен иметь формулу CH₄. Формула CₙH₂ₙ₊₂ даёт для него правильное число водородов.

Разные повороты одной структурной формулы иногда принимают за разные изомеры. При повороте рисунка порядок соединения атомов не меняется, а значит, нового вещества не возникает. Чтобы проверить, сравните, какие атомы углерода соединены друг с другом, и не учитывайте направление, в котором нарисована цепь. Изомеры отличаются строением, а не расположением изображения на листе.

Ещё одна ошибка — записать у атома углерода три или пять связей. Её допускают, когда добавляют водород, не пересчитывая уже имеющиеся связи с другими атомами углерода. Проверяйте каждый атом отдельно: суммарное число его связей должно быть равно четырём, а у водорода — одной. При таком подсчёте сразу обнаруживаются лишние или недостающие атомы H.

При уравнивании горения неверно подбирают коэффициент перед кислородом, если считают молекулы, а не атомы. В продуктах кислород входит и в CO₂, и в H₂O, поэтому нужно сложить все атомы O справа. Проверьте баланс каждого элемента отдельно, начиная с углерода и водорода, а кислород оставляя напоследок. Если коэффициенты дробные, умножьте все коэффициенты на одно и то же число, чтобы получить целые.

Связь с другими темами

Для изучения алканов нужны знания о валентности углерода и водорода, молекулярных и структурных формулах, а также о составлении уравнений реакций. На их основе можно понять строение других классов углеводородов и научиться сравнивать вещества с одинаковым составом. Изомерия алканов помогает освоить общий принцип различий в строении молекул.

Алканы важны при изучении нефти и природного газа, поскольку входят в состав этих природных источников сырья и топлива. Их горение связывает органическую химию с энергетикой, а реакции замещения и крекинга показывают способы превращения углеводородов. Эти знания используют и при разборе способов получения органических веществ.

Что запомнить

• Алканы — насыщенные ациклические углеводороды.
• Общая формула алканов — CₙH₂ₙ₊₂.
• Соседние гомологи отличаются на группу CH₂.
• В молекулах алканов присутствуют только одинарные σ-связи.
• Для алканов возможна структурная изомерия углеродного скелета.
• При полном горении алканов образуются углекислый газ и вода.
• Химическая активность алканов обычно ниже, чем у углеводородов с кратными связями.