Алканы: строение, изомерия, свойства
Гомологический ряд и изомерия
Алканы — самые простые органические вещества: их молекулы построены только из одинарных связей C–C и C–H. Общая формула \(\ce{C_nH_{2n+2}}\); соседние члены гомологического ряда отличаются группой \(\ce{CH2}\). Каждый атом углерода находится в \(sp^3\)-гибридизации, связи направлены к вершинам тетраэдра, а цепь имеет форму зигзага (урок 17).
Типы атомов углерода и водорода
Атом углерода называют первичным, если он связан с одним атомом углерода, вторичным — с двумя, третичным — с тремя, четвертичным — с четырьмя. Атомы водорода называют так же, как атом углерода, с которым они связаны. Эта классификация пригодится в уроке 30: атомы водорода разных типов замещаются галогенами с разной скоростью.
Изомерия
Начиная с бутана, алканы существуют в виде структурных изомеров. Число изомеров быстро растёт с длиной цепи: у \(\ce{C4H10}\) их 2, у \(\ce{C5H12}\) — 3, у \(\ce{C6H14}\) — 5, у \(\ce{C7H16}\) — 9, у \(\ce{C10H22}\) — 75, а у \(\ce{C20H42}\) — больше 366 тысяч.
edit_noteРазбор задачи: изомеры гексана
Сколько структурных изомеров у \(\ce{C6H14}\)? Перебирайте по длине главной цепи. Цепь из шести атомов: гексан. Цепь из пяти атомов с одним метилом: метил можно поставить к атому C2 или C3 (к C4 — то же, что к C2): 2-метилпентан и 3-метилпентан. Цепь из четырёх атомов с двумя метилами: 2,2-диметилбутан и 2,3-диметилбутан. Цепь из четырёх атомов с этилом невозможна (получилась бы цепь из пяти). Итого пять изомеров.
boltПроверка на повторы
Самая частая ошибка при переборе изомеров — записать один изомер дважды под разными названиями. Проверяйте каждый изомер правилом IUPAC: если «4-метилпентан» — это 2-метилпентан, записанный с неправильной нумерацией, то такой изомер уже есть в списке.
history_eduОткуда слово «парафины»
Алканы называли парафинами от латинского parum affinis — «мало сродства»: они не реагируют ни с кислотами, ни со щелочами, ни с перманганатом калия. Название ввёл Карл Райхенбах в 1830 году для воскообразной массы, выделенной им из древесного дёгтя.
Физические свойства и их причины
Молекулы алканов неполярны, и между ними действуют только слабые дисперсионные силы. Их величина пропорциональна площади соприкосновения молекул. Отсюда два правила.
1. Температура кипения растёт с длиной цепи. Метан кипит при \(-161\,^\circ\)C, пентан — при \(36\,^\circ\)C, октан — при \(126\,^\circ\)C. При обычных условиях алканы \(\ce{C1}\)–\(\ce{C4}\) — газы, \(\ce{C5}\)–\(\ce{C16}\) — жидкости, выше — твёрдые вещества (парафин).
2. Разветвлённые изомеры кипят ниже неразветвлённых. Разветвлённая молекула компактнее, почти шарообразна, и соприкасается с соседями меньшей площадью. Пентан кипит при \(36\,^\circ\)C, 2-метилбутан — при \(28\,^\circ\)C, 2,2-диметилпропан — при \(9{,}5\,^\circ\)C.
С температурой плавления картина сложнее: симметричные молекулы плотнее упаковываются в кристалл, поэтому 2,2-диметилпропан плавится при \(-17\,^\circ\)C, а пентан — при \(-130\,^\circ\)C.
edit_noteРазбор задачи: какой изомер кипит ниже
Расположите по возрастанию температуры кипения: гексан, 2,2-диметилбутан, 2-метилпентан. У всех трёх одинаковая молярная масса, решает форма молекулы. Самая компактная, с четвертичным атомом углерода, — 2,2-диметилбутан (кипит при \(50\,^\circ\)C), затем 2-метилпентан (\(60\,^\circ\)C) и неразветвлённый гексан (\(69\,^\circ\)C).
boltСравнение в два шага
Сначала сравните молярные массы: у более тяжёлого алкана температура кипения выше почти всегда. Если массы равны (изомеры), сравните разветвлённость: чем больше разветвлений и чем ближе форма к шару, тем ниже температура кипения.
auto_awesomeМетан под ногами
Природный газ на 80–98 % состоит из метана. На дне океанов и в вечной мерзлоте метан заключён в кристаллы льда — газовые гидраты; в них запасено углерода, по оценкам, больше, чем во всех остальных ископаемых топливах вместе взятых. Кусок гидрата можно поджечь: лёд горит, оставляя лужицу воды.
Нефть, газ и октановое число
Главные источники алканов — природный газ (метан, этан, пропан, бутаны) и нефть — смесь сотен углеводородов. Нефть разделяют перегонкой на фракции по температурам кипения: газ, бензин (\(\ce{C5}\)–\(\ce{C11}\)), керосин, дизельное топливо, мазут. Затем фракции переделывают химически — крекингом, риформингом, изомеризацией (урок 33), чтобы получить больше бензина и алкенов.
Октановое число
В двигателе смесь паров бензина с воздухом должна сгорать плавно после искры, а не взрываться раньше времени от сжатия (детонация). Устойчивость к детонации выражают октановым числом: у гептана оно принято равным 0, у 2,2,4-триметилпентана (изооктана) — 100. Бензин с октановым числом 95 детонирует так же, как смесь 95 % изооктана и 5 % гептана. Разветвлённые алканы, арены и спирты имеют высокие октановые числа, неразветвлённые алканы — низкие.
edit_noteРазбор задачи: формула алкана по плотности
Плотность паров алкана по водороду равна 43. Молярная масса \(M = 43 \cdot 2 = 86\) г/моль. Для алкана \(\ce{C_nH_{2n+2}}\): \(14n + 2 = 86\), \(n = 6\) — это гексан \(\ce{C6H14}\) или любой из его изомеров: по плотности изомеры не различить.
boltФормула за секунду
Молярная масса алкана \(M = 14n + 2\). Вычтите 2 и разделите на 14 — получите число атомов углерода. Если деление не нацело, это не алкан: для алкенов и циклоалканов \(M = 14n\), для алкинов \(M = 14n - 2\).
history_eduОктановая шкала
Шкалу предложил в 1927 году Грэм Эдгар: он заметил, что гептан из смолы джефрийской сосны детонирует сильнее всех известных топлив, а синтезированный им изооктан — слабее. Эталоны выбрали потому, что оба вещества можно получить очень чистыми.
push_pinГлавное
Алканы — насыщенные углеводороды \(\ce{C_nH_{2n+2}}\) с атомами углерода в \(sp^3\)-гибридизации; из-за прочных малополярных связей они инертны к ионным реагентам и реагируют в основном по радикальному механизму. Температура кипения растёт с длиной цепи и падает с разветвлением. Алканы получают из нефти и природного газа; разветвлённые алканы дают бензину высокое октановое число.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.