Алканы: строение, свойства и применение

Алканы встречаются в школьной химии очень рано, хотя их роль выходит далеко за пределы учебных формул. Природный газ, бензин, парафин для свечей, пластмассы и многие растворители связаны с превращениями веществ этого класса. Чтобы уверенно решать задания, достаточно удерживать несколько опорных признаков: в молекулах алканов между атомами углерода есть только одинарные связи, их общая формула имеет вид C_nH_2n+2, а наиболее типичные реакции идут при нагревании или освещении. Дальше становятся понятны и свойства, и способы использования этих веществ.

Что называют алканами

Углеводороды делят на классы по строению углеродного скелета и типу связей. Алканы относятся к насыщенным, или предельным, углеводородам: каждый атом углерода уже образует максимально возможное число связей с соседними атомами и водородом. Углерод четырёхвалентен, водород одновалентен. В молекуле метана CH₄ один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. В этане CH₃CH₃ два атома углерода соединены друг с другом, а их оставшиеся валентности заняты водородом.

Алканы образуют гомологический ряд. Его первый член, метан CH₄, содержит один атом углерода; за ним следуют этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀ и более высокие представители. Каждая следующая формула отличается от предыдущей на группу CH₂. Эту разницу называют гомологической. Если в формуле алкана пять атомов углерода, по общей формуле получается C₅H₁₂: при n = 5 число атомов водорода равно 2 × 5 + 2.

Названия неразветвлённых алканов связаны с числом атомов углерода: мет-, эт-, проп-, бут-, пент-, гекс-. Суффикс «-ан» указывает на принадлежность к классу. Так, C₆H₁₄ называют гексаном. В задачах общая формула помогает отличить алкан от алкена: для шести атомов углерода алкен с одной двойной связью имел бы формулу C₆H₁₂, то есть на два атома водорода меньше.

Строение и изомерия

Связи C-C и C-H в алканах ковалентные. У каждого атома углерода четыре одинарные связи, поэтому вокруг него располагаются четыре направления связей, ориентированные к вершинам тетраэдра. В записи на бумаге молекулу обычно показывают цепочкой, например CH₃-CH₂-CH₂-CH₃. Такая формула удобна, но не означает, что настоящая молекула вытянута в прямую линию.

До трёх атомов углерода у алканов нет изомеров. У бутана C₄H₁₀ появляются два варианта углеродного скелета. Н-бутан имеет неразветвлённую цепь CH₃-CH₂-CH₂-CH₃. Второй изомер, 2-метилпропан, записывают как CH₃-CH(CH₃)-CH₃. Их состав одинаков, но атомы углерода соединены в разном порядке. Это изомерия углеродного скелета.

Число возможных изомеров растёт быстро. У пентана C₅H₁₂ их три: пентан, 2-метилбутан и 2,2-диметилпропан. При составлении изомеров сначала строят самую длинную цепь, затем по очереди укорачивают её и добавляют боковые ответвления. После каждой записи нужно проверить две вещи: сохраняется ли общее число атомов углерода и не является ли новая формула просто повёрнутым изображением уже найденной молекулы.

Физические свойства

При обычных условиях агрегатное состояние алкана зависит от длины цепи. Метан, этан, пропан и бутан являются газами. Пентан, гексан и близкие к ним вещества представляют собой жидкости. Высшие алканы, содержащие много атомов углерода, обычно твёрдые и входят в состав парафина. Температуры кипения и плавления в гомологическом ряду в целом повышаются с увеличением молекулярной массы: более крупные молекулы сильнее притягиваются друг к другу.

Алканы почти не растворяются в воде и легче её. Причина в различии строения: вода состоит из полярных молекул, а молекулы алканов неполярны. Если смешать воду с бензином или гексаном, образуются два слоя. Зато алканы хорошо смешиваются со многими неполярными органическими веществами. Это свойство используют, когда углеводородный растворитель должен извлечь из смеси жиры, масла или другие неполярные соединения.

Разветвление цепи также влияет на физические характеристики. Изомер с более компактной молекулой часто кипит при несколько более низкой температуре, чем его неразветвлённый аналог. Поэтому н-бутан кипит примерно при -0,5 °C, а 2-метилпропан примерно при -11,7 °C. В школьном задании обычно не требуют запоминать числа, но сам принцип полезен: одинаковая молекулярная формула ещё не гарантирует одинаковых свойств.

Химические свойства и реакции

Одинарные связи делают алканы сравнительно малоактивными при комнатной температуре. Они не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия так, как это делают алкены. Однако при подходящих условиях алканы реагируют. Самая известная реакция, горение, имеет большое практическое значение. При полном сгорании образуются углекислый газ и вода. Для метана уравнение выглядит так:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

Реакция сопровождается выделением большого количества теплоты. Если кислорода недостаточно, полное окисление не происходит. Тогда среди продуктов могут оказаться угарный газ CO или углерод в виде сажи. Например, неполное горение метана можно записать так: 2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O. Угарный газ ядовит, поэтому горелки, печи и газовые приборы нуждаются в хорошей вентиляции.

Для алканов характерна реакция замещения с галогенами. При освещении молекула хлора реагирует с метаном: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl. Один атом водорода в метане заменяется на атом хлора, а продукт называют хлорметаном. Если хлора много и реакция продолжается, могут образоваться дихлорметан CH₂Cl₂, хлороформ CHCl₃ и тетрахлорметан CCl₄. Свет нужен для начала цепного процесса; в темноте смесь реагирует гораздо медленнее.

При сильном нагревании крупные молекулы алканов распадаются на более короткие. Этот процесс называют крекингом. Упрощённый пример: C₁₀H₂₂ → C₅H₁₂ + C₅H₁₀. Среди продуктов здесь оказался пентан и пентен. Реальный состав смеси сложнее, но смысл ясен: тяжёлые фракции нефти превращают в более лёгкие и востребованные углеводороды. При нагревании в присутствии катализатора возможна изомеризация, когда неразветвлённый алкан превращается в разветвлённый, не меняя формулу.

Получение и применение

Главные природные источники алканов, нефть и природный газ. Природный газ содержит преимущественно метан, а также этан, пропан и бутан. Нефть представляет собой смесь многих углеводородов. Её разделяют перегонкой на фракции, различающиеся температурами кипения. Так получают нефтяной газ, бензиновую, керосиновую и дизельную фракции, а также более тяжёлые остатки.

В лабораторной практике метан можно получить нагреванием ацетата натрия с твёрдым гидроксидом натрия. Уравнение реакции: CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃. Этот способ относится к декарбоксилированию, поскольку из соли карбоновой кислоты удаляется фрагмент, содержащий углерод и кислород. Для школьного опыта важны меры безопасности: метан образует с воздухом взрывоопасную смесь, поэтому его нельзя поджигать до вытеснения воздуха из прибора.

Метан используют как топливо и сырьё для химической промышленности. Пропан и бутан входят в состав сжиженного газа для баллонов и туристических горелок. Жидкие алканы являются важной частью бензина, керосина и дизельного топлива. Твёрдые смеси высоких алканов, парафины, применяют для свечей, защитных покрытий и пропиток. Прямая цепь, разветвление, длина молекулы и условия переработки определяют, какая именно фракция окажется полезной в технике.

• Алканы имеют общую формулу C_nH_2n+2 и содержат только одинарные связи.
• С ростом длины цепи газы сменяются жидкостями, затем твёрдыми веществами.
• Для алканов характерны горение, галогенирование, крекинг и изомеризация.
• Основные природные источники алканов: природный газ и нефть.