14.1. Ациклические предельные углеводороды (алканы)

Алканы – предельные или насыщенные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) связью, а их свободные связи насыщены атомами водорода.

Алканы относятся к алифатическим углеводородам, т.е. образующим незамкнутые цепи углеродных атомов.

Алканы называют также “парафины” (от лат parum affinis – мало сродства), что объясняется стойкостью предельных углеводородов к ряду сильных реагентов, таких как крепкие кислоты и щелочи.

Общая формула алканов С_nH_2n+2.

Номенклатура алканов

Названия первых четырех алканов возникли более или менее случайно. Начиная с пятого названия алканов производятся от греческих числительных. Все алканы имеют в названии суффикс –ан.

При отнятии одного атома водорода получаются остатки предельных углеводородов, называемые радикалами. Радикалы называют по тем углеводородам, из которых они образованы, но в названии углеводородов суффикс –ан меняется на –ил.

Таблица 14.2.

Названия алканов и соответствующих им радикалов

Число атомов С	Формула алкана СnH2n+2	Название алкана	Формула радикала СnH2n+1	Название радикала
1	СН4	метан	– СН3	метил
2	С2Н6 (СН3 – СН3)	этан	– С2Н5 (– СН2 – СН3)	этил
3	С3Н8 (СН3 – СН2 – СН3)	пропан	– С3Н7 (– СН2 – СН2 – СН3) ( – СН – СН3)  СН3	пропил изопропил
4	С4Н10 (СН3 – СН2 – СН2 – СН3)	бутан н-бутан	– С4Н9 (– СН2 – (СН2)2 – СН3)	н-бутил
5	С5Н12 (СН3 – (СН2)3 – СН3)	н-пентан	– С5Н11 (– СН2 – (СН2)3 – СН3)	н-пентил (амил)
6	С6Н14 (СН3 – (СН2)4 – СН3)	н-гексан
7	С7Н16 (СН3 – (СН2)5 – СН3)	н-гептан
8	С8Н18 (СН3 – (СН2)6 – СН3)	н-октан
9	С9Н20 (СН3 – (СН2)7 – СН3)	н-нонан
10	С10Н22 (СН3 – (СН2)8 – СН3)	н-декан
11	С11Н24	ундекан
12	С12Н26	додекан
13	С13Н28	тридекан
16	С16Н34	гексадекан (цетан)
20	С20Н42	эйкозан
30	С30Н62	триаконтан
100	С100Н202	гектан

Алканы, имеющие неразветвленную цепь, называются нормальными, например н-гексан.

Названия разветвленных алканов по номенклатуре ИЮПАК образуются следующим образом: 1) выбрать самую длинную цепь; 2) пронумеровать атомы углерода в цепи; 3) определить радикалы и к какому по счету атому С они присоединены; 4) если имеются одинаковые радикалы, то используются приставки: 2 – ди, 3 – три, 4 – тетра, 5 – пента и т.д.; 5) название дается по названию алкана, образующего самую длинную цепь.

СН₂ – СН₃



¹СН₃ – ²СН – ³СН – ⁴СН₂ – ⁵С – ⁶СН₂ – ⁷СН₃

  

СН₃ СН₃ С₂Н₅

2,3-диметил-5,5-диэтилгептан

В этом соединении атомы углерода 1 и 7 являются первичными, т.к. связаны только с одним соседним атомом углерода; атомы углерода 4 и 6 связаны с двумя атомами углерода и являются вторичными; атомы углерода 2 и 3 являются третичными; атом углерода 5 – четвертичный.

Строение алканов

Первый представитель ряда алканов – метан СН₄. При образовании молекулы метана, как и при образовании молекул других алканов реализуется первое валентное состояние углерода – sp³-гибридизация.

									
		2p				sp3
	2s
C	2s22p2				C*	2s12p3

При образовании молекулы метана возбужденный атом углерода С^* образует 4 одинаковых гибридных sp³-орбитали, которые вытянуты от центра к вершинам правильного тетраэдра. Атом углерода с sp³-гибридизованными орбиталями называется тетраэдрическим атомом.

Рис. 14.1. Схема образования sp³-гибридных орбиталей.

При перекрывании четырех sp³-гибридизованных орбиталей с 1s- орбиталями четырех атомов водорода получается молекула метана. Все углы С-Н-С одинаковы и равны 109⁰28^/. Химические связи в метане относятся к -связям, т.е. связям, образованным вдоль линии, связывающей центры атомов.

В молекуле этана СН₃ – СН₃ атомы углерода тоже тетраэдрические, как и в метане. В этане одна из sp³-гибридизованных орбиталей углерода перекрываются с другой такой же орбиталью второго углеродного атома, образуя -связь. Если атомы связаны только -связью, то говорят, что между ними одинарная (или простая) связь. Вокруг одинарных связей возможно вращение.

Все углеродные атомы в молекулах алканов sp³-гибридизованы и все валентные углы близки к тетраэдрическим, поэтому молекулы с числом атомов углерода больше 2 имеют не линейную форму, а изогнуты.

Изомерия алканов

У алканов реализуется изомерия углеродной цепи.

Например, изомеры пентана можно представить следующим образом (приведем только углеродную цепь):

С



С – С – С – С – С С – С – С – С С – С – С

 

С С

н-пентан 2-метилбутан 2,2-диметилпропан

С увеличением числа углеродных атомов число изомеров резко возрастает. Так, у бутана С₄Н₁₀ всего 2 изомера, у пентана С₅Н₁₂ – три; декан С₁₀Н₂₂ имеет 75 изомеров, эйкозан С₂₀Н₄₂ – 366319 изомеров, а тетраконтан С₄₀Н₈₂ имеет более 6  10¹³ изомеров!

Физические свойства алканов

Предельные углеводороды с числом атомов от 1 до 4 при обычных условиях представляют собой газы; углеводороды с числом атомов от 5 до 15 – жидкости; углеводороды с числом атомов более 16 представляют собой твердые вещества.

Температура плавления и кипения углеводородов повышается с укрупнением молекул.

Предельные углеводороды очень плохо растворяются в воде, в большинстве органических растворителей они растворяются.

Первые представители ряда предельных углеводородов – метан и этан – не обладают запахом. Легко летучие низшие углеводороды обладают запахом бензина. Высшие представители алканов, входящие в состав нефтяных масел и парафина, также не имеют запаха, обладая очень малой летучестью.

Таблица 14.3.

Физические свойства и некоторые показатели

пожарной опасности предельных углеводородов

Углеводороды	Агрегатное состояние	Плотность кг/м3	tкип 0С	tсамовоспл 0С	Теплота сгорания, кДж/кг	НКПР %	ВКПР %
Метан СН4	газ	0,415	– 161,6	537	49560	5	15
Этан С2Н6	газ	0,546	– 88,6	472	47460	2,9	15
Пропан С3Н8	газ	0,582	– 42,1	466	46620	2,1	9,5
Бутан С4Н10	газ	0,600	– 0,5	405	45780	1,9	9,1
Пентан С5Н12	жидкость	626	36,1	309	45360	1,4	7,8
Гексан С6Н14	жидкость	659	68,7	247	44940	1,2	7,5
Гексадекан С16Н34	твердый	773	286,9	207	44398	–	–
Эйкозан С20Н42	твердый	790	344	232	44290	–	–

Физические свойства и показатели пожарной опасности изомерных алканов существенно зависят от их строения. Для примера приведем некоторые величины, характеризующие пожароопасные свойства изомеров пентана.

Таблица 14.4.

Физические свойства и некоторые показатели

пожарной опасности изомеров пентана

Изомеры пентана	Агрегатное состояние	Плотность кг/м3	tкип 0С	tвспыш 0С	tсамовос 0С	НКПР %	ВКПР %	НТПР 0С	ВТПР 0С
н-пентан	жидкость	621,4	36,4	– 44	286	1,47	7,7	– 48	– 23
2-метил-бутан	жидкость	619,6	27,9	– 52	432	1,36	9,0	– 56	– 30
2,2-диметил-пропан	газ	3,216 (в жидк. 613,0	9,5		450	1,38	7,3

Приведенные данные свидетельствуют о том, что изомеры с более разветвленной цепью имеют меньшие значения температуры кипения и температуры вспышки, и, следовательно, легче испаряются. Температура самовоспламенения имеет обратную зависимость. Эти данные необходимо учитывать при анализе пожарной опасности производств, где обращаются данные вещества.

Химические свойства алканов