Алканы

Алканы — первый ряд углеводородов, на котором удобно изучать связь между составом, строением и реакциями органических веществ. Метан входит в состав природного газа, пропан и бутан используют как топлива, а более тяжёлые алканы встречаются в нефтяных фракциях. Но одинаковая принадлежность к классу не означает одинакового агрегатного состояния и одной температуры кипения.

Определение и общая формула

Алканы — ациклические насыщенные углеводороды. Они содержат только C и H, не имеют циклов, а все связи между атомами углерода одинарные.

Их молекулярный состав описывает формула:

C_nH_2n+2, n ≥ 1.

Слово «насыщенные» означает максимально возможное содержание водорода для такого открытого углеродного скелета. Оно не относится к насыщенности раствора. Насыщенные циклические углеводороды выделяют в другой класс: один цикл уменьшает число H по сравнению с ациклической формулой.

Первые представители — метан CH₄, этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀. Соседние члены ряда различаются на CH₂. При этом общей формуле могут соответствовать разные изомеры.

Строение и номенклатура

У атома C в алканах четыре σ-связи. В обычной модели его окружение близко к тетраэдрическому, угол между направлениями связей — около 109,5°. Поэтому изображённая на листе прямая цепь не означает, что все атомы C расположены на одной прямой.

Вращение вокруг одинарных связей приводит к разным конформациям. Оно не меняет порядок соединения атомов и само по себе не создаёт новый структурный изомер. Изомерия углеродного скелета начинается с C₄H₁₀: бутан имеет неразветвлённую цепь, 2-метилпропан — разветвлённую.

Для названия разветвлённого алкана выбирают самую длинную непрерывную цепь, нумеруют её с учётом меньших номеров заместителей и называют боковые группы. CH₃– — метил, C₂H₅– — этил. Общее число C и длина главной цепи — не одно и то же.

Физические свойства

Алканы слабо взаимодействуют с водой и плохо в ней растворяются. Это молекулярные вещества с преобладанием дисперсионных межмолекулярных взаимодействий. Низшие представители при комнатной температуре и обычном давлении газообразны; далее встречаются жидкости и твёрдые вещества.

В неразветвлённом ряду температура кипения обычно растёт с размером молекулы. Ветвление при одинаковой молекулярной формуле, как правило, понижает температуру кипения. Температуры плавления меняются сложнее из-за особенностей упаковки молекул, поэтому точную границу газ — жидкость — твёрдое вещество всегда связывают с конкретным веществом и условиями.

Горение

При полном окислении алкана образуются CO₂ и H₂O. Для метана:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

Реакция экзотермическая. При неполном сгорании могут образовываться угарный газ CO и сажа; продукты зависят от условий, поэтому одну схему полного горения нельзя применять ко всем процессам с недостатком кислорода.

Общее уравнение полного горения одного моля алкана удобно проверять по C, затем H, затем O:

C_nH_2n+2 + ((3n + 1)/2)O₂ → nCO₂ + (n + 1)H₂O.

Дробный коэффициент при расчёте на один моль допустим. Если нужны наименьшие целые коэффициенты и дробь не сокращается, всё уравнение удваивают.

Замещение и превращение скелета

При освещении ультрафиолетом алканы могут реагировать с хлором по радикальному механизму. Для первой ступени хлорирования метана:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (свет).

Это замещение: H заменяется на Cl. Уравнение не обещает образования только одного чистого продукта — возможно дальнейшее замещение с получением CH₂Cl₂, CHCl₃ и CCl₄. У более сложных алканов возникают также разные положения заместителя.

Типичная реакция алкана с галогеном — замещение, а не присоединение к C–C. Условия реакции и возможность смеси продуктов нужно учитывать вместе с суммарным уравнением.

При высокой температуре и, в ряде технологий, катализаторе длинные цепи расщепляются. Упрощённый пример крекинга:

C₈H₁₈ → C₄H₁₀ + C₄H₈.

Реальный процесс даёт смесь. При дегидрировании от молекулы отщепляется H₂, например этан может превращаться в этен. Обратная реакция — присоединение водорода к алкену на катализаторе — позволяет получать алкан:

CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃ (катализатор).

Три разобранных примера

1. Как определить алкан по молярной массе?

Для алкана с M = 58 г/моль используем округлённые атомные массы:

14n + 2 = 58; n = 4; формула C₄H₁₀.

Это не определяет, бутан перед нами или 2-метилпропан: массы изомеров одинаковы.

2. Сколько кислорода нужно бутану?

Уравнение полного горения:

2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O.

Для 5,8 г чистого бутана n = 0,10 моль. На один моль требуется 6,5 моль O₂:

n(O₂) = 0,10 · 6,5 = 0,65 моль.

Доля кислорода в воздухе и объём газа требуют дополнительных условий, если задача спрашивает именно их.

3. Почему при хлорировании пропана возможны два монопродукта?

H можно заменить у крайнего или среднего C. Получаются CH₃CH₂CH₂Cl и CH₃CHClCH₃: 1-хлорпропан и 2-хлорпропан. Два крайних атома C в исходном пропане равнозначны и третьего положения не дают. Соотношение продуктов не обязано быть 1 : 1.

Частые ошибки

• Относить циклоалканы к формуле C_nH_2n+2.
• Считать алканы абсолютно неспособными к реакциям.
• Путать крекинг, замещение и дегидрирование.
• Использовать уравнение первой ступени хлорирования как доказательство единственного конечного продукта.

Пять заданий

1. Запишите формулу алкана с семью атомами C.
2. Найдите молярную массу C₆H₁₄.
3. Составьте уравнение полного горения пропана.
4. Сколько CO₂ образуется при полном сгорании 0,25 моль пропана?
5. Какие изменения происходят при превращении этана в этен и при первой ступени хлорирования метана?

Ответы с объяснениями

1. C₇H₁₆, поскольку число H равно 2 · 7 + 2.
2. С округлёнными атомными массами:

   M = 6 · 12 + 14 · 1 = 86 г/моль.

3. Сначала уравнивают C и H, затем кислород:

   C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O.

4. Каждый моль пропана содержит три моля атомов C:

   n(CO₂) = 0,25 · 3 = 0,75 моль.

5. В первом случае отщепляется H₂ и появляется двойная связь — дегидрирование. Во втором один H заменяется на Cl, образуется HCl — замещение.

Связанные темы и источники

Повторите номенклатуру и гомологию и изомерию. Сравните реакции с алкенами.

Для проверки фактов: IUPAC: алканы; OpenStax: радикальное галогенирование.