§ 72. Алканы. Строение, номенклатура, изомерия, физические свойства

Определения и обозначения

Алканы — предельные ациклические углеводороды с открытой цепью. Предельными называют вещества, в молекулах которых между атомами углерода есть только одинарные связи, а число атомов водорода максимально для такого скелета. Их общая формула — CₙH₂ₙ₊₂, где n обозначает число атомов углерода; она помогает проверить формулу вещества или определить число водородов.

Гомологический ряд алканов — последовательность веществ, в которой каждый следующий член отличается от предыдущего на группу –CH₂–. Первые представители — метан CH₄, этан C₂H₆, пропан C₃H₈ и бутан C₄H₁₀. Это понятие позволяет упорядочить вещества и увидеть, как изменение длины цепи влияет на свойства при сохранении общего типа строения.

Структурная изомерия алканов — существование веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным порядком соединения атомов углерода. Например, у бутана C₄H₁₀ возможны цепь без разветвлений и цепь с разветвлением. Понятие нужно, чтобы не путать состав вещества с его строением: одной формулы иногда недостаточно для определения конкретного вещества.

Международная номенклатура алканов — система правил, по которой составляют названия веществ с учётом длины главной цепи и положений заместителей. Заместители — это группы атомов, присоединённые к главной цепи, например метильная группа –CH₃. Правила делают название однозначным: по нему можно восстановить углеродный скелет молекулы.

Как это устроено

Атом углерода четырёхвалентен, то есть обычно образует четыре ковалентные связи. В алканах соседние атомы углерода соединены одинарными связями C–C, а оставшиеся связи углерода занимают атомы водорода, образуя связи C–H. В открытой цепи каждый новый атом углерода добавляет одну связь с цепью и два атома водорода, поэтому число водородов выражается формулой CₙH₂ₙ₊₂.

Соседние алканы отличаются на –CH₂–, поэтому у каждого следующего представителя больше атомов и выше молярная масса. С ростом размера молекул усиливается притяжение между ними, что влияет на температуры кипения и плавления. При этом сохраняется общий тип строения — углеродный скелет с одинарными связями, поэтому вещества остаются членами одного гомологического ряда.

У первых трёх алканов углеродный скелет можно соединить только одним способом: в цепь из одного, двух или трёх атомов углерода нельзя внести разветвление и получить другое строение. Начиная с четырёх атомов появляется выбор: для C₄H₁₀ возможна цепь из четырёх атомов или цепь из трёх атомов с ответвлением. Так возникает структурная изомерия; при дальнейшем увеличении числа атомов углерода число возможных скелетов растёт.

При назывании разветвлённого алкана сначала находят самую длинную непрерывную цепь атомов углерода. Её нумеруют от конца, ближайшего к первому заместителю, чтобы получить наименьший возможный набор номеров. Затем называют заместитель и указывают его положение: например, CH₃–CH(CH₃)–CH₃ называется 2-метилпропаном, поскольку главная цепь содержит три атома углерода, а метильная группа находится у второго.

Связи C–C и C–H в алканах распределены так, что молекулы в целом неполярны. Вода полярна, и притяжение между её молекулами и молекулами алкана недостаточно, чтобы алкан растворялся в ней; зато он растворим в неполярных органических средах. По мере удлинения цепи взаимодействие между молекулами алкана усиливается, поэтому первые четыре представителя — газы, пентан и многие следующие — жидкости, а очень длинные цепи могут быть твёрдыми.

Строение, названия и физические свойства представителей ряда алканов

В таблице структурная формула показывает, как соединены атомы углерода, а число изомеров относится ко всем возможным строениям с данной молекулярной формулой. Сравните строки: разница формул соседних алканов составляет –CH₂–. По столбцу физического состояния видно, что при переходе от коротких цепей к более длинным газообразные вещества сменяются жидкими.

Разбор задач

Задача 1. Определить молекулярную формулу алкана, в молекуле которого 6 атомов углерода, и назвать его. Сначала используем общую формулу, где n — число атомов углерода. Затем подставляем значение n и по числу атомов углерода выбираем название вещества.

1. Подставляем n = 6 в формулу CₙH₂ₙ₊₂.
2. Считаем число атомов водорода: 2 · 6 + 2 = 14, поэтому формула — C₆H₁₄.
3. Алкан с шестью атомами углерода называется гексаном.

Ответ: C₆H₁₄, гексан. Проверка: число водородов равно 2n + 2, то есть 14. Формула соответствует алкану с открытой цепью.

Задача 2. Составить структурные формулы всех изомеров состава C₅H₁₂ и назвать их. Ищем разные углеродные скелеты, не меняя молекулярную формулу. Начинаем с цепи из пяти атомов, а затем укорачиваем главную цепь и размещаем оставшиеся атомы как заместители.

1. Цепь из пяти атомов даёт CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃. Это пентан.
2. Цепь из четырёх атомов с одной метильной группой даёт CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃. При нумерации с ближайшего конца заместитель находится у второго атома, поэтому название — 2-метилбутан.
3. Цепь из трёх атомов с двумя метильными группами у второго атома даёт CH₃–C(CH₃)₂–CH₃. Название — 2,2-диметилпропан.

Ответ: пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан. У каждой структуры пять атомов углерода и двенадцать атомов водорода, следовательно, все три имеют формулу C₅H₁₂. Другие варианты, полученные простым поворотом или перерисовкой этих скелетов, не являются новыми изомерами.

Задача 3. Назвать алкан, структурная формула которого записана так: CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃. В скобках показана метильная группа, отходящая от второго атома в изображённой цепи. Нужно установить длину самой длинной цепи и правильно пронумеровать её.

1. Находим самую длинную непрерывную цепь: в ней четыре атома углерода, значит, основа названия — бутан.
2. Нумеруем цепь с того конца, к которому ближе заместитель. Метильная группа получает номер 2, а не 3.
3. Соединяем номер и название заместителя с названием главной цепи.

Ответ: 2-метилбутан. В формуле всего пять атомов углерода, но главная цепь содержит четыре: один атом входит в заместитель. Название 3-метилбутан было бы неверным, потому что при выборе направления нумерации заместителю нужно дать меньший номер.

Типичные ошибки

Ошибка: считать изомерами вещества с разными молекулярными формулами. Обычно так происходит, когда ученик смешивает понятия «изомер» и «член гомологического ряда»: соседние гомологи действительно имеют разный состав. Проверьте себя, сравнив формулы: у изомеров число атомов каждого элемента одинаково, различается только соединение атомов.

Ошибка: выбирать главной любую длинную цепь, не проверяя, нет ли более длинной. Тогда неверно определяется основа названия, а иногда и положение заместителей. Проследите все возможные непрерывные пути по скелету и выберите содержащий наибольшее число атомов углерода.

Ошибка: нумеровать главную цепь с произвольного конца. Это делают, если начинают считать с того края, который первым заметили на рисунке, но так заместитель может получить завышенный номер. Проверьте оба направления и выберите то, где заместитель получает наименьший номер.

Ошибка: считать алканы растворимыми в воде из-за наличия в их молекулах атомов водорода. Само присутствие водорода не делает молекулу полярной: связи C–H не создают подходящего для смешивания с водой распределения зарядов. Для проверки вспомните, что алканы неполярны, поэтому они плохо растворяются в воде, но растворяются в неполярных органических средах.

Связь с другими темами

Для работы с алканами нужно знать валентность углерода, различать одинарные химические связи и уметь составлять структурные формулы. Эти знания позволяют проверять, что у каждого атома углерода соблюдены четыре связи, а формула соответствует строению. Позже представления об алканах понадобятся при изучении химических свойств углеводородов, реакций замещения и крекинга, а также при разборе изомерии других органических веществ.

Что запомнить

• Алканы — ациклические предельные углеводороды.
• Общая формула алканов: CₙH₂ₙ₊₂.
• Соседние члены гомологического ряда отличаются на –CH₂–.
• Структурные изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу, но разное строение.
• Главная цепь при назывании должна быть самой длинной.
• Молекулы алканов неполярны, поэтому алканы практически не растворяются в воде.
• С ростом числа атомов углерода обычно повышаются температуры кипения и плавления.