§ 8. Гомологи и изомеры алканов

Определения и обозначения

Гомологи — органические вещества одного класса, сходные по строению и свойствам, но отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп CH₂. Например, метан, этан и пропан относятся к алканам и образуют последовательный ряд. Это понятие нужно, чтобы сравнивать родственные вещества с разным числом атомов углерода.

Гомологический ряд — ряд соединений одного класса, в котором соседние вещества отличаются на группу CH₂ и имеют общую формулу. Для алканов такой формулой является CₙH₂ₙ₊₂. Ряд показывает, как от одного вещества последовательно переходят к следующему.

Изомеры — вещества с одинаковым составом, но разным строением и, следовательно, различными свойствами. Число атомов каждого элемента у них совпадает, но связи между атомами расположены иначе. Поэтому одной молекулярной формулы иногда соответствуют несколько веществ.

Структурная изомерия алканов — изомерия, обусловленная различным порядком соединения атомов углерода в молекуле. У одной формулы углеродная цепь может быть прямой или разветвлённой. Такое строение записывают структурной или сокращённой структурной формулой.

Как это устроено

Алканы образуют гомологический ряд, потому что все их атомы углерода соединены одинарными связями, а свободные валентности заполнены водородом. Если в цепь добавить один атом углерода, для сохранения такого строения добавляется группа CH₂. Поэтому формула каждого алкана подчиняется правилу CₙH₂ₙ₊₂: при увеличении n на единицу число атомов водорода увеличивается на два.

Добавление группы CH₂ увеличивает относительную молекулярную массу на 14: 12 приходится на углерод и 2 — на водород. С ростом молекулярной массы закономерно меняются физические свойства, например температура кипения и агрегатное состояние. При этом типичные химические свойства алканов сохраняются, поскольку в молекулах остаются только одинарные связи C–C и C–H.

Изомерия появляется тогда, когда несколько атомов углерода можно соединить не только в прямую цепь. У первых трёх алканов вариантов углеродного скелета нет: метан содержит один атом углерода, а в этане и пропане цепь можно построить только одним способом. Начиная с бутана четыре атома углерода уже допускают прямую цепь и цепь с ответвлением.

Чтобы составить формулы изомеров, сначала считают общее число атомов углерода и водорода, затем строят возможные углеродные скелеты. В каждой структуре углерод должен иметь суммарно четыре связи, поэтому у концевого атома обычно записывают CH₃, у внутреннего звена — CH₂, а у атома с ответвлением — CH. После построения нужно проверить, что состав не изменился и одинаковые схемы не повторяются.

Сравнение гомологов и изомеров алканов

Пользуясь таблицей, сначала сравните молекулярные формулы, а затем строение углеродной цепи. Разные формулы с разницей на CH₂ указывают на гомологи, а одинаковая формула при разном скелете — на изомеры. Если различий в составе и строении нет, перед вами одно и то же вещество.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определите, являются ли метан CH₄, этан C₂H₆ и пропан C₃H₈ соседними гомологами, и укажите закономерность изменения состава. Нужно проверить и принадлежность к одному классу, и последовательность формул.

1. Все три вещества — алканы, поэтому они относятся к одному классу и имеют общую формулу CₙH₂ₙ₊₂.
2. Сравним формулы: от CH₄ к C₂H₆ добавляется CH₂, а от C₂H₆ к C₃H₈ также добавляется CH₂.
3. Следовательно, вещества расположены подряд в гомологическом ряду, а число атомов углерода каждый раз увеличивается на один.

Ответ: метан, этан и пропан — соседние гомологи; состав изменяется на одну группу CH₂.

Задача 2

Условие: запишите структурные формулы всех изомеров состава C₄H₁₀ и назовите их. Изомеры должны иметь ровно четыре атома углерода и одинаковое число атомов водорода.

1. Строим прямую цепь из четырёх атомов: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃. Это бутан.
2. Укорачиваем главную цепь до трёх атомов и присоединяем четвёртый как ответвление: CH₃–CH(CH₃)–CH₃.
3. Проверяем атомы и связи: в обеих формулах четыре атома углерода, десять атомов водорода, а углерод имеет четыре связи.

Ответ: бутан CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ и 2-метилпропан CH₃–CH(CH₃)–CH₃.

Задача 3

Условие: найдите формулу алкана с относительной молекулярной массой 72 и число его структурных изомеров. Сначала определим состав, а затем перечислим возможные углеродные скелеты.

1. Для алкана CₙH₂ₙ₊₂ относительная молекулярная масса равна 12n + (2n + 2) = 14n + 2.
2. Решаем уравнение 14n + 2 = 72: 14n = 70, поэтому n = 5. Формула вещества — C₅H₁₂.
3. Для пяти атомов углерода возможны три скелета: прямая цепь, цепь с одним ответвлением и цепь с двумя ответвлениями у центрального атома.

Ответ: молекулярная формула — C₅H₁₂; возможны 3 изомера: пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан.

Типичные ошибки

Называть изомерами вещества, отличающиеся на группу CH₂, — ошибка. Так путают одинаковое строение класса с одинаковым составом молекул. Проверьте формулы: разница CH₂ означает гомологи, а не изомеры.

Метан, этан и пропан нельзя считать изомерами, потому что у них разное число атомов углерода и водорода. Их объединяет принадлежность к алканам, а не одинаковая молекулярная формула. Сначала сравнивайте состав, а уже потом строение.

При записи разветвлённой формулы иногда нарушают четырёхвалентность углерода. Ошибка появляется, если к атому присоединяют слишком много или слишком мало связей. Проверьте каждый атом: сумма его связей с углеродом и водородом должна быть равна четырём.

Одинаковые изомеры могут быть записаны с другой стороны или в ином порядке, поэтому их случайно считают дважды. Перед подсчётом мысленно поверните формулу и сравните связи между атомами. Если углеродный скелет совпадает, это одно вещество.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны знания о валентности углерода, строении органических веществ, а также о молекулярных и структурных формулах. Валентность помогает правильно распределять связи и проверять полученные схемы. Без этого трудно отличить новую структуру от ошибочной записи.

Понятия гомологии и изомерии нужны для изучения номенклатуры органических веществ. По строению цепи определяют главную цепь, ответвления и составляют название разветвлённого алкана. Значит, формулы изомеров становятся основой для правильного называния веществ.

Эти понятия пригодятся и при изучении углеводородов других классов. Сравнение состава и строения помогает объяснять зависимость свойств вещества от его молекулы. Позже тот же подход используется при анализе более сложных органических соединений.

Что запомнить

• Алканы имеют общую формулу CₙH₂ₙ₊₂.
• Соседние гомологи отличаются друг от друга на группу CH₂.
• Гомологи имеют сходное строение и сходные химические свойства.
• Изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу, но разное строение.
• Изомерия алканов связана с разветвлением углеродной цепи.
• Первый алкан, имеющий изомеры, — бутан.
• При составлении формул изомеров нельзя нарушать валентность углерода и повторно считать одинаковые структуры.