§ 52. Предельные (насыщенные) углеводороды

Определения и обозначения

Предельные, или насыщенные, углеводороды — вещества, в молекулах которых атомы углерода соединены только одинарными связями. Слово «насыщенные» указывает на то, что углеродная цепь связана с максимально возможным числом атомов водорода. Это определение помогает отличать такие вещества от углеводородов с кратными связями.

Алканы — предельные углеводороды с общей формулой CₙH₂ₙ₊₂. Буква n обозначает число атомов углерода, а выражение 2n + 2 — число атомов водорода в молекуле. Формула позволяет составлять формулы алканов, не изображая каждый раз все связи.

Гомологический ряд — последовательность веществ сходного строения и свойств, в которой соседние члены отличаются на группу –CH₂–. Такая группа содержит один атом углерода и два атома водорода. Понятие ряда помогает увидеть закономерность между формулами и изменением свойств веществ.

Гомологи — вещества одного гомологического ряда, различающиеся на одну или несколько групп –CH₂–. Например, этан отличается от метана на одну такую группу, а пропан от метана — на две. Это понятие позволяет сопоставлять вещества, которые устроены сходно, но имеют молекулы разного размера.

Как это устроено

Каждый атом углерода образует четыре связи, а атом водорода — одну. В алканах углеродные атомы соединены только одинарными связями, поэтому свободные связи углеродной цепи заняты водородом. Для открытой цепи из n атомов углерода на концах получается по три атома водорода, а у каждого внутреннего атома углерода — по два; вместе выходит формула CₙH₂ₙ₊₂.

Гомологический ряд алканов начинается с метана CH₄. Если к его молекуле добавить группу –CH₂–, получится этан C₂H₆, затем пропан C₃H₈ и следующие алканы. Прибавление одинакового фрагмента сохраняет общий тип строения и объясняет сходство химических свойств, а увеличение молекул постепенно меняет физические свойства.

Формулы первых алканов можно получить подстановкой числа атомов углерода в общее выражение. Для двух атомов углерода n = 2, поэтому число водородов равно 2 · 2 + 2 = 6, и формула этана — C₂H₆. Для пропана n = 3, значит, водородов 2 · 3 + 2 = 8, формула — C₃H₈; тем же способом находят формулу любого алкана с открытой цепью.

При трёх атомах углерода цепь может быть только прямой, но с четырьмя атомами уже возможны разные способы соединить углеродные атомы. Например, у C₄H₁₀ может быть цепь из четырёх атомов или цепь из трёх атомов с ответвлением. Вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разным соединением атомов называют структурными изомерами; такое явление называется структурной изомерией.

С ростом числа атомов углерода и молекулярной массы меняется агрегатное состояние алканов: низшие представители — газы, следующие — жидкости, а самые крупные — твёрдые вещества. Алканы горят в кислороде, образуя при полном сгорании углекислый газ и воду. В реакциях замещения с галогенами атом галогена занимает место атома водорода; для протекания таких реакций обычно требуется свет.

Первые представители гомологического ряда алканов

Чтобы найти формулу любого представителя, сопоставьте число атомов углерода с n и вычислите число атомов водорода по правилу 2n + 2. В таблице видно, что при переходе к следующему веществу прибавляется по одному атому углерода и двум атомам водорода. Сравнение последних столбцов показывает, что при увеличении размера молекул агрегатное состояние меняется.

Разбор задач

Задача 1. Составьте формулы алканов, содержащих 3 и 6 атомов углерода. Нужно определить число атомов водорода, не меняя заданное число атомов углерода. Для этого в общей формуле CₙH₂ₙ₊₂ подставляют соответствующие значения n.

1. При n = 3 число атомов водорода равно 2 · 3 + 2 = 8.
2. Записываем три атома углерода и восемь атомов водорода: C₃H₈.
3. При n = 6 получаем 2 · 6 + 2 = 14 атомов водорода, поэтому формула — C₆H₁₄.

Ответ: C₃H₈ и C₆H₁₄. Проверка проста: в каждой формуле число водородов должно быть на два больше удвоенного числа атомов углерода. Так можно проверить, что при n = 3 получилось 8, а при n = 6 — 14.

Задача 2. Назовите алкан состава C₄H₁₀ и изобразите две возможные структуры его молекулы. Четыре атома углерода и десять атомов водорода соответствуют алкану с n = 4. Однако молекулярная формула сообщает число атомов, но не показывает, как именно соединены атомы углерода.

1. Для четырёх атомов углерода название алкана — бутан.
2. В неразветвлённой структуре атомы углерода образуют цепь: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃.
3. Во второй структуре цепь разветвлена: CH₃–CH(CH₃)–CH₃. В скобках показана группа CH₃, присоединённая к центральному атому углерода.

Ответ: бутан имеет два структурных изомера: неразветвлённый бутан и разветвлённый 2-метилпропан. В обеих структурах сохраняется формула C₄H₁₀, потому что состав атомов одинаков, хотя порядок их соединения различается. При изображении проверьте, что у каждого атома углерода всего четыре связи.

Задача 3. Определите объём кислорода, необходимый для полного сгорания 2 моль пропана, и объём образовавшегося углекислого газа при одинаковых условиях. Сначала нужно установить соотношение веществ, уравняв реакцию горения. Для газов при одинаковых температуре и давлении объёмы относятся так же, как количества вещества, то есть как коэффициенты уравнения.

1. Записываем схему: C₃H₈ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. Уравниваем углерод и водород: C₃H₈ + O₂ → 3CO₂ + 4H₂O.
3. В продуктах всего 3 · 2 + 4 = 10 атомов кислорода, значит, слева нужны 5 молекул O₂: C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O.
4. По уравнению 1 моль пропана расходует 5 моль кислорода и образует 3 моль CO₂. Для 2 моль пропана это 10 моль O₂ и 6 моль CO₂.

Ответ: потребуется объём кислорода, соответствующий 10 моль O₂, а образуется объём углекислого газа, соответствующий 6 моль CO₂. Если дан молярный объём газа при выбранных условиях, каждое количество вещества умножают на этот объём. Коэффициенты нельзя переносить на объёмы, пока уравнение не уравнено.

Типичные ошибки

Некоторые записывают для алканов формулу CₙH₂ₙ, потому что путают её с формулой другого класса углеводородов. Для алканов с открытой цепью верна формула CₙH₂ₙ₊₂, что можно проверить на метане: при n = 1 получается CH₄. Если подсчёт не даёт для метана четыре атома водорода, формула выбрана неверно.

Наличие углеродной цепи иногда ошибочно считают признаком ненасыщенности. Название «насыщенные» связано не с длиной цепи, а с отсутствием кратных связей между атомами углерода. Проверяйте, какие связи показаны в формуле: в алкане все связи C–C одинарные.

Формулу C₄H₁₀ могут принимать за описание только одного вещества, поскольку состав молекулы одинаков. Но атомы углерода соединяются двумя способами, образуя прямую и разветвлённую цепи. Чтобы проверить себя, попробуйте нарисовать все варианты углеродного скелета, сохраняя четыре связи у каждого атома углерода.

При уравнивании горения иногда подбирают коэффициенты только для углерода и водорода, забывая про кислород. Тогда число атомов кислорода слева и справа не совпадает. Сначала подсчитайте все атомы в продуктах, затем поставьте коэффициент перед O₂ и в конце проверьте каждый элемент с обеих сторон уравнения.

Связь с другими темами

Для изучения алканов нужны знания о валентности углерода и водорода, составлении формул веществ и уравнивании химических реакций. Гомологический ряд и структурная изомерия пригодятся при знакомстве с другими классами органических веществ: они помогают сравнивать состав и строение молекул. Реакции горения и замещения связывают свойства углеводородов с их использованием как топлива и химического сырья.

Что запомнить

• Алканы — предельные углеводороды с одинарными связями между атомами углерода.
• Общая формула алканов — CₙH₂ₙ₊₂.
• Соседние алканы гомологического ряда отличаются на группу –CH₂–.
• Метан — первый представитель ряда алканов.
• Начиная с бутана, у алканов возможна структурная изомерия.
• При полном горении алканов образуются углекислый газ и вода.