"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Алканы — насыщенные углеводороды с одинарными связями между атомами углерода. Их физические свойства закономерно меняются в гомологическом ряду: метан, этан, пропан и бутан — газы, следующие представители — жидкости, а самые тяжёлые — твёрдые вещества. С увеличением числа атомов углерода обычно растут температуры кипения и плавления. Алканы почти не растворяются в воде, зато растворяются в неполярных органических растворителях.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Алканы — насыщенные ациклические углеводороды, содержащие только одинарные связи между атомами углерода. Слово «насыщенные» означает, что углеродная цепь уже содержит максимально возможное число атомов водорода. Это определение помогает отличать алканы от алкенов и алкинов, в которых есть кратные связи.
Гомологический ряд алканов — последовательность соединений общей формулы CₙH₂ₙ₊₂, в которой соседние вещества отличаются на группу CH₂. Например, после пропана C₃H₈ идёт бутан C₄H₁₀. Такой ряд позволяет проследить, как свойства постепенно изменяются при увеличении углеродной цепи.
Температура кипения — температура перехода алкана из жидкого состояния в газообразное. Она зависит от строения молекулы и относительной молекулярной массы: чем сильнее притяжение между молекулами, тем больше энергии нужно для кипения. По температурам кипения сравнивают летучесть разных алканов.
Растворимость — способность алкана растворяться в определённом растворителе. Для алканов особенно характерна малая растворимость в воде, но хорошие неполярные растворители могут смешиваться с ними. Это свойство важно при выборе растворителя и объяснении разделения воды и нефти.
Число атомов углерода влияет на агрегатное состояние алкана через размер и массу его молекул. В маленьких молекулах межмолекулярное притяжение невелико, поэтому они легко переходят в газ и остаются газами при обычных условиях. По мере удлинения цепи притяжение усиливается: примерно C₅–C₁₆ представлены жидкостями, а начиная приблизительно с C₁₇ вещества становятся твёрдыми.
Температуры кипения и плавления большинства алканов в целом повышаются с ростом относительной молекулярной массы. Более крупная молекула содержит больше электронов, поэтому в ней легче возникают временные неравномерности распределения заряда. Они создают более сильные дисперсионные силы между молекулами, и для их разделения требуется больше энергии.
Разветвление углеродной цепи обычно понижает температуру кипения по сравнению с неразветвлённым изомером. У компактной разветвлённой молекулы меньше площадь соприкосновения с соседними молекулами, поэтому силы притяжения между ними слабее. В результате такая жидкость легче переходит в газ, хотя состав и относительная молекулярная масса изомеров одинаковы.
Алканы практически не растворяются в воде, потому что их молекулы неполярны, а молекулы воды полярны. Вода образует устойчивые взаимодействия с полярными частицами, но не может эффективно взаимодействовать с алканами. Зато неполярные органические растворители имеют похожую природу межмолекулярных взаимодействий и хорошо растворяют алканы.
Плотность жидких алканов обычно меньше плотности воды, поэтому при смешивании они образуют верхний слой. Причина связана с особенностями упаковки и состава молекул углеводорода, а не с его растворением в воде. При встряхивании образуется временная эмульсия, но после отстаивания жидкости снова разделяются на два слоя.
| Свойство | Низшие алканы | Средние алканы | Высшие алканы |
|---|---|---|---|
| Агрегатное состояние при обычных условиях | C₁–C₄: газы | Примерно C₅–C₁₆: жидкости | Примерно с C₁₇: твёрдые вещества |
| Растворимость в воде | Практически не растворяются | Практически не растворяются | Практически не растворяются |
| Растворимость в органических растворителях | Растворяются в неполярных растворителях | Растворяются в неполярных растворителях | Растворяются в неполярных растворителях |
| Плотность | Газообразные алканы легче воздуха или близки к нему | Жидкие алканы обычно легче воды | Твёрдые алканы обычно легче воды |
| Изменение температуры кипения в гомологическом ряду | Возрастает с увеличением числа атомов углерода | Возрастает с увеличением числа атомов углерода | Возрастает с увеличением числа атомов углерода |
Сначала по формуле или названию определите число атомов углерода, а затем найдите соответствующую группу веществ. Таблица показывает общие закономерности, поэтому границы между группами следует понимать как приблизительные. Для сравнения изомеров дополнительно учитывайте разветвление цепи.
Определите агрегатное состояние бутана, октана и эйкозана при обычных условиях. Нужно сопоставить число атомов углерода в каждой формуле с положением вещества в гомологическом ряду. Используем границы, указанные в таблице.
Ответ: бутан — газ, октан — жидкость, эйкозан — твёрдое вещество.
Расположите метан, пропан, гексан и декан в порядке возрастания температуры кипения. Все вещества являются алканами, поэтому сначала сравним длину цепи и относительную молекулярную массу. Чем больше атомов углерода, тем сильнее обычно межмолекулярное притяжение.
Ответ: метан < пропан < гексан < декан.
Сравните температуры кипения н-пентана и 2-метилбутана и объясните различие. Эти вещества являются изомерами: у них одинаковая формула C₅H₁₂, но разное строение цепи. Поэтому одной относительной молекулярной массы недостаточно для сравнения.
Ответ: н-пентан кипит при более высокой температуре, чем 2-метилбутан.
Ошибка: считать, что все алканы при комнатной температуре являются газами или жидкостями. Её допускают, если запоминают только свойства первых представителей ряда. Проверка проста: определите число атомов углерода и сравните его с границами C₁–C₄, C₅–C₁₆ и примерно C₁₇ и выше.
Ошибка: утверждать, что алканы растворяются в воде из-за наличия углерода и водорода. На самом деле алканы неполярны, а вода полярна, поэтому они практически не смешиваются. Проверьте себя вопросом: похожи ли по полярности растворённое вещество и растворитель?
Ошибка: путать увеличение температуры кипения с увеличением летучести. Чем выше температура кипения, тем обычно ниже летучесть вещества при одинаковой температуре. Чтобы не ошибиться, помните: летучее вещество легче переходит в газ и имеет более низкую температуру кипения.
Ошибка: считать, что у всех изомеров одинаковая температура кипения. Одинаковый состав не означает одинаковую форму молекулы: разветвление уменьшает площадь контакта и обычно снижает температуру кипения. При сравнении изомеров сначала проверяйте строение углеродной цепи.
Для понимания физических свойств нужны знания о строении алканов, гомологическом ряде, изомерии, относительной молекулярной массе и полярности молекул. Эти сведения объясняют, почему вещества с одной формулой могут кипеть при разных температурах.
Тема пригодится при изучении перегонки нефти и разделения углеводородов по температурам кипения. Она также помогает понять применение алканов в качестве топлива и неполярных органических растворителей.
Почему метан не растворяется в воде?
Метан — неполярная молекула, а вода — полярное вещество. Между ними не возникает достаточно сильного взаимодействия, поэтому метан практически не растворяется в воде.
Почему бутан — газ, а пентан — жидкость?
Молекула пентана крупнее молекулы бутана, поэтому между молекулами пентана сильнее межмолекулярное притяжение. Температура кипения пентана выше комнатной, а у бутана она ниже, поэтому при обычных условиях бутан — газ, а пентан — жидкость.
Почему температура кипения возрастает с увеличением длины цепи?
У более длинных молекул больше электронов и больше площадь соприкосновения. Поэтому усиливаются дисперсионные силы притяжения, и для перехода вещества в газ нужно затратить больше энергии.
Почему разветвлённые алканы кипят при более низкой температуре?
Разветвление делает молекулу более компактной и уменьшает площадь контакта между соседними молекулами. Межмолекулярное притяжение ослабевает, поэтому на кипение требуется меньше энергии.
Почему нефть и вода образуют два слоя?
Вода полярна, а углеводороды нефти в основном неполярны, поэтому они плохо смешиваются. Кроме того, плотность большинства жидких углеводородов меньше плотности воды, поэтому нефтяной слой располагается сверху.
5.2. Физические свойства
