Алканы: строение, гомологический ряд, свойства и получение

Утро обычной квартиры начинается с алканов: газовая плита метнула синий конус пламени — это горит метан, зажигалка щёлкнула колёсиком — вспыхнул бутан, а к остановке подъехал автобус, в баке которого октан и его соседи по бензиновой фракции. Три бытовые сцены, одно семейство: предельные углеводороды, или алканы. Это первый класс органической химии десятого класса, и от него зависит всё дальнейшее: алкены, спирты и кислоты получаются из алканов цепочками превращений. Разберём строение молекул, научимся называть их по номенклатуре, проследим, как меняются свойства по ряду, и соберём набор реакций, который нужен и на уроках, и на экзамене.

Строение: sp3 и тетраэдр

Во всех алканах атомы углерода живут в состоянии sp3-гибридизации: одна s-орбиталь и три p-орбитали смешиваются в четыре одинаковых облака, направленных к вершинам тетраэдра. Валентный угол между связями — $109^{\circ }28\prime$. Все связи одинарные, сигма: облака перекрываются прямо между ядрами, поэтому связи C–C и C–H прочные, а молекулу нельзя согнуть без разрыва. Отсюда второе имя класса — предельные углеводороды: все валентности закрыты, присоединять к молекуле больше нечего. В метане идеальный тетраэдр из одного углерода и четырёх водородов, в этане два тетраэдра склеены ребром, а длинные цепи выстраиваются зигзагом — вокруг одинарных связей фрагменты свободно вращаются.

Число атомов водорода в молекуле подчиняется строгой арифметике: каждый атом углерода держит четыре связи, часть уходит на соединения с соседями по скелету. Если в цепи n атомов углерода, между ними занято n минус один, и на водород остаётся ровно 2n плюс два. Эта арифметика объясняет и плотность упаковки молекул, и число сигма-связей, которое любят спрашивать в задачах. Запомни оба подсчёта — они будут работать до конца органики.

Тетраэдр объясняет и химическую инертность. Облака sp3-связей вытянуты симметрично, заряды внутри молекулы распределены ровно, поэтому алканы не тянутся к полярным реагентам: с кислотами, щелочами и окислителями в мягких условиях они ведут себя как нейтральные зрители. Разорвать прочную сигма-связь можно только жёстко — сильным нагреванием, светом или катализатором, и поэтому почти каждая реакция класса идёт с жёсткими условиями. Отсюда и обратная проверка: если реакция алкана идёт легко, стоит перепроверить класс вещества — возможно, перед тобой не алкан.

Гомологический ряд и изомерия

Гомологи — вещества одного класса со сходным строением, отличающиеся на одну или несколько групп CH2. Алканы выстраиваются в бесконечный ряд с общей формулой $C_n{H}_{2n+2}$: метан, этан, пропан, бутан, пентан и дальше. Названия первых четырёх исторические, их надо выучить, дальше работает греческий счёт: гексан, гептан, октан, нонан, декан. С ростом цепи закономерно растут температуры плавления и кипения — на этом построена вся таблица свойств ряда.

Начиная с бутана у алканов появляется изомерия: один и тот же состав молекулы допускает несколько вариантов соединения углеродного скелета. Бутан существует в двух формах: прямой н-бутан и разветвлённый изобутан, он же 2-метилпропан. С ростом числа атомов выбор растёт лавинообразно: у пентана три изомера, у гексана пять, а у декана уже семьдесят пять. Изомеры различаются свойствами, и главная закономерность такая: чем сильнее ветвится скелет, тем ниже температура кипения, потому что разветвлённые молекулы хуже прилегают друг к другу.

Гомологи#

вещества одного класса со сходным строением, отличающиеся на группу CH2

Изомеры#

вещества одинакового состава молекул, но с разным порядком соединения атомов

Сигма-связь#

связь с перекрытием облаков прямо между ядрами; в алканах все связи такие

Предельные углеводороды#

углеводороды только с одинарными связями, присоединять к ним нечего

Номенклатура: как назвать алкан

По правилам ИЮПАК название собирается из трёх решений. Первое: найди самую длинную цепь атомов углерода — она даст основу имени по тому же ряду: метан, пропан, гексан. Второе: пронумеруй цепь с того конца, к которому ближе заместитель, чтобы номера вышли меньшими. Третье: перечисли заместители приставками метил-, этил- с номерами, а при повторах используй ди-, три-, тетра-. Если два варианта нумерации дают одинаковые номера, выбирай тот, где больше заместителей, — это тоже правило, а не вкус.

Физические свойства по ряду

Первые четыре члена ряда — газы: метан, этан, пропан, бутан. С пятого по пятнадцатый — жидкости, из которых состоят бензин и керосин, а дальше идут твёрдые парафины — свечи и защитные воски. Логика простая: чем длиннее цепь, тем тяжелее молекула и тем сильнее межмолекулярное притяжение, поэтому температуры плавления и кипения растут. Ветвление работает в обратную сторону, снижая температуру кипения. В воде алканы практически не растворяются: они легче воды и собираются плёнкой на поверхности, зато сами неплохо растворяют жиры и масла.

На границах ряд делится ещё и по запаху и применению, и это помогает запоминать. Метан без запаха, но в бытовой газ специально добавляют одорант, чтобы утечку слышать. Пропан и бутан сжижаются при небольшом давлении — поэтому их удобно возить в баллонах. Жидкая фракция от пентана до декана и есть бензин: брызнешь — испаряется, поднесёшь искру — вспыхивает. Дальше керосин авиации, дизельное топливо и мазут, а твёрдые парафины плавятся у свечи и держат форму помады.

Химические свойства

Алканы — чемпионы по химическому спокойствию: прочные неполярные сигма-связи не рвутся в мягких условиях, а присоединять к молекуле нечего. Поэтому главные реакции — замещение. На свету галоген атакует молекулу по цепному радикальному механизму и заменяет водород по одному: метан с хлором даёт хлорметан и хлороводород, дальше хлористый метилен, хлороформ и четырёххлористый углерод. Горение — вторая работа класса: полное сгорание отдаёт тепло и свет, на нём стоят плитки, котельные и двигатели.

Две реакции перестраивают сам скелет. Крекинг: при сильном нагревании без доступа кислорода длинные молекулы рвутся на короткие — так из мазута получают бензин, и это главный промышленный источник алканов с малым числом атомов. Дегидрирование: катализатор отщепляет водород, одинарная связь превращается в двойную, и алкан становится алкеном — мостик к следующему классу. Есть и реакция Вюрца: галогенопроизводное с натрием удваивает цепь — старинный, но рабочий способ построить углеродный скелет вручную.

Получение и применение

Промышленность получает алканы в основном из природного газа и нефти: газовую смесь разделяют ректификацией, а тяжёлые фракции гонят через крекинг и риформинг. В лаборатории работают другие пути: гидрирование алкенов над никелем превращает двойную связь в одинарную, сплавление ацетата натрия со щёлочью даёт метан, а реакция Вюрца наращивает цепь по заданному чертежу. Каждый путь хорош своей чистотой продукта, и химики выбирают его по цели синтеза.

Применение следует прямо за рядом. Метан — топливо плит, котельных и электростанций, а также сырьё для синтез-газа, из которого делают водород, аммиак и метанол. Пропан-бутановая смесь живёт в баллонах на дачах и в газобаллонных автомобилях. Октан и его соседи — основа бензина, и качество топлива меряют октановым числом: чем выше стойкость к детонации, тем лучше для двигателя. Твёрдые парафины идут на свечи, смазки и косметику.

Прогони квиз и карточки, а потом собери всю органику в одну схему: алканы сгорают, замещаются на свету, рвутся при крекинге и дегидрируются в алкены. Следующий класс — алкены — начнётся ровно с той двойной связи, которая здесь появилась. Владеешь тремя условиями-кодами и номенклатурой — значит, первый барьер органической химии взят.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема