§ 10. Алканы

Определения и обозначения

Алкан — предельный ациклический углеводород, в молекуле которого атомы углерода соединены одинарными связями. «Предельный» означает, что у атомов углерода нет кратных связей и число атомов водорода максимально для такого скелета. «Ациклический» значит, что цепь не замыкается в кольцо. Это определение помогает отличить алканы от других углеводородов.

Общая формула алканов — CₙH₂ₙ₊₂, где n обозначает число атомов углерода в молекуле. Например, при n = 3 формула вещества будет C₃H₈. Формула задаёт состав всех представителей гомологического ряда алканов с целым положительным n. По ней можно быстро проверить, соответствует ли состав вещества алкану.

Гомологический ряд алканов — последовательность веществ, в которой соседние представители отличаются на группу –CH₂–. Так, метан CH₄, этан C₂H₆ и пропан C₃H₈ идут друг за другом. Разность между соседними членами называют гомологической разностью. Ряд показывает, как меняется состав веществ при последовательном удлинении цепи.

Структурная изомерия углеродного скелета — существование веществ с одинаковой молекулярной формулой, но разным порядком соединения атомов углерода. Например, атомы могут образовать прямую цепь или разветвлённый скелет. Такие вещества — изомеры, а не разные члены гомологического ряда. Понятие нужно, чтобы различать состав молекулы и её строение.

Как это устроено

Атом углерода имеет валентность четыре: ему необходимо образовать четыре связи, чтобы заполнить внешний электронный уровень. Атом водорода образует одну связь, поэтому в алкане он присоединяется к углероду одной парой общих электронов. Между атомами углерода также возникают одинарные связи. Когда все связи заняты, молекула получается насыщенной водородом и достаточно устойчивой при обычных условиях.

Общую формулу можно вывести, подсчитав связи в ациклическом углеродном скелете. В цепи из n атомов углерода имеется n − 1 связей C–C, и каждая занимает по одной валентности у двух атомов углерода. Всего у углерода 4n валентностей; связи скелета занимают 2(n − 1), а оставшиеся связи заняты водородом. Поэтому число атомов водорода равно 4n − 2(n − 1) = 2n + 2, то есть формула алкана CₙH₂ₙ₊₂.

Для названия алкана сначала находят самую длинную непрерывную цепь углеродных атомов: она задаёт основу названия. Цепь нумеруют с того конца, от которого заместители получают наименьшие номера; заместителями здесь служат ответвления, например метильная группа –CH₃. Затем указывают номер и название каждого заместителя, а после этого — название главной цепи. Поэтому важно искать именно наиболее длинный путь по связям, а не визуально самую прямую линию.

Бутан имеет формулу C₄H₁₀, но атомы углерода можно соединить двумя способами: выстроить в цепь из четырёх атомов или сделать цепь из трёх атомов с ответвлением. Получаются бутан и 2-метилпропан; в обоих веществах каждый углерод образует четыре связи, а формула остаётся одинаковой. При увеличении числа атомов углерода появляется больше способов разветвить скелет, поэтому число возможных структурных изомеров быстро растёт. Это рост числа вариантов соединения атомов, а не изменение общей формулы.

При увеличении длины цепи молекулы становятся крупнее и сильнее притягиваются друг к другу, поэтому для их разделения требуется больше энергии и температура кипения обычно повышается. Низшие алканы при комнатной температуре — газы, более длинноцепочечные представители — жидкости, а самые тяжёлые — твёрдые вещества. Алканы почти не растворяются в воде, поскольку их молекулы неполярны, тогда как молекулы воды полярны. В результате смешивание воды и алкана энергетически невыгодно, и жидкости разделяются на слои.

Состав, строение и основные свойства алканов

Таблица собирает признаки, по которым можно распознать алкан, сравнить его с другими представителями ряда и проверить название. В строке об изомерах приведены известные количества для первых формул, а агрегатное состояние указано для обычной комнатной температуры. Сопоставляйте данные: формула показывает состав, а структурная запись — способ соединения атомов.

Разбор задач

Задача 1. Для алкана с шестью атомами углерода определить молекулярную формулу и назвать вещество. Сначала используем общую формулу, потому что число атомов углерода уже известно. Затем полученную формулу сопоставим с названием по числу атомов углерода. Так можно проверить и состав, и принадлежность к ряду.

1. Подставляем n = 6: C₆H₂·₆₊₂ = C₆H₁₄.
2. Алкан с шестью атомами углерода называется гексаном.
3. Проверяем, что число атомов водорода равно 2 · 6 + 2 = 14.

Ответ: C₆H₁₄, гексан.

Задача 2. Составить структурные формулы двух изомеров состава C₄H₁₀ и назвать их. Изомеры должны иметь одинаковый состав, поэтому число атомов каждого элемента менять нельзя. Меняем только порядок соединения углеродных атомов: рассматриваем прямую цепь и разветвлённый вариант. После этого проверяем валентность и называем скелеты.

1. Вариант с цепью из четырёх атомов: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃. У каждого внутреннего атома углерода две связи с соседними углеродами, а недостающие связи заняты водородом.
2. Вариант с цепью из трёх атомов и ответвлением: CH₃–CH(CH₃)–CH₃. В скобках показана метильная группа, присоединённая ко второму атому цепи.
3. Названия: бутан и 2-метилпропан. В обеих формулах четыре атома углерода и десять атомов водорода, значит, это изомеры C₄H₁₀.

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

Задача 3. Для структуры CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ выбрать верное название из двух вариантов: 2-метилбутан или 3-метилбутан, а также записать молекулярную формулу. Сначала выделяем главную цепь, затем выбираем направление нумерации, после чего считаем атомы. Этот порядок не позволяет ошибочно дать заместителю больший номер.

1. Самая длинная цепь содержит четыре атома углерода, поэтому основа названия — бутан.
2. Ответвление CH₃ — метильная группа. Нумерация от ближайшего конца даёт ей номер 2, а не 3.
3. Всего в структуре пять атомов углерода. Для алкана C₅H₂·₅₊₂ = C₅H₁₂; валентность каждого углерода соблюдена.

Ответ: 2-метилбутан, C₅H₁₂.

Типичные ошибки

Ошибка — считать любую запись CₙH₂ₙ₊₂ формулой отдельного алкана. Эта зависимость относится к ациклическим алканам, а n должно быть целым положительным числом, задающим количество атомов углерода; сама формула не описывает порядок их соединения. Ошибку допускают, смешивая формулу состава с полной структурной характеристикой. Проверьте, что рассматривается цепь без цикла и что n имеет допустимое значение.

При выборе главной цепи иногда берут самую прямую на вид линию, хотя в структурной формуле важна самая длинная непрерывная последовательность связанных атомов углерода. Такое происходит, если воспринимать рисунок как геометрическую картинку, а не как схему связей. Проследите все возможные пути по связям и сравните число атомов в каждом. Главной будет цепь с наибольшим числом углеродных атомов.

Гомологи и изомеры — не одно и то же. У изомеров одинаковая молекулярная формула, но различное строение, а соседние гомологи отличаются на –CH₂–. Путаница возникает потому, что оба термина обозначают отношения между веществами одного класса. Для проверки сравните сначала молекулярные формулы: одинаковые указывают на возможные изомеры, разность в одну группу –CH₂– — на соседние гомологи.

В разветвлённой формуле легко случайно приписать атому углерода пять связей или оставить меньше четырёх без объяснения. Это случается, если при перестройке скелета забывают, что ответвление тоже соединено с углеродом химической связью. После записи посчитайте связи каждого атома углерода: одна связь считается одинарной, а углерод обычно должен иметь четыре связи суммарно. Недостающие связи приходятся на атомы водорода.

Связь с другими темами

Для изучения алканов нужны символы элементов, представление о валентности углерода и водорода, а также умение отличать молекулярную формулу от структурной. Знание строения углеродных цепей пригодится при изучении реакций органических веществ, в частности замещения, и способов получения других классов углеводородов. Сравнение алканов с алкенами и алкинами показывает, как кратные связи изменяют состав и строение молекул. Это помогает связывать устройство вещества с его химическими свойствами.

Что запомнить

• Алканы — предельные ациклические углеводороды.
• Общая формула алканов — CₙH₂ₙ₊₂.
• В молекулах алканов между атомами только одинарные связи.
• Соседние гомологи отличаются на группу –CH₂–.
• Изомеры имеют одинаковую молекулярную формулу, но различное строение.
• При увеличении длины углеродной цепи температуры кипения алканов обычно повышаются.
• Алканы практически не растворяются в воде.