Алканы: формула, гомологический ряд, свойства, получение

Формула алканов и гомологический ряд

Если в формулу CₙH₂ₙ₊₂ подставлять n = 1, 2, 3 и далее, получится гомологический ряд алканов. Соседние члены ряда — гомологи — отличаются на группу CH₂ (гомологическую разность) и имеют сходные химические свойства. Названия первых четырёх алканов исторические, начиная с пентана корень образован от греческого числительного.

n	Название	Формула	Строение	t кип., °C	Состояние при н. у.
1	метан	CH₄	CH₄	−162	газ
2	этан	C₂H₆	CH₃–CH₃	−89	газ
3	пропан	C₃H₈	CH₃–CH₂–CH₃	−42	газ
4	бутан	C₄H₁₀	CH₃–(CH₂)₂–CH₃	−0,5	газ
5	пентан	C₅H₁₂	CH₃–(CH₂)₃–CH₃	36	жидкость
6	гексан	C₆H₁₄	CH₃–(CH₂)₄–CH₃	69	жидкость
7	гептан	C₇H₁₆	CH₃–(CH₂)₅–CH₃	98	жидкость
8	октан	C₈H₁₈	CH₃–(CH₂)₆–CH₃	126	жидкость
9	нонан	C₉H₂₀	CH₃–(CH₂)₇–CH₃	151	жидкость
10	декан	C₁₀H₂₂	CH₃–(CH₂)₈–CH₃	174	жидкость

Температуры кипения даны для неразветвлённых изомеров. С ростом молярной массы усиливается притяжение между молекулами, и температура кипения растёт. Общее правило: C₁–C₄ — газы, C₅–C₁₅ — жидкости, начиная с C₁₆ — твёрдые вещества. Если из молекулы алкана убрать один атом водорода, получится радикал алкил CₙH₂ₙ₊₁–: метил CH₃–, этил C₂H₅–, пропил C₃H₇–.

Строение молекул алканов

Атомы углерода в алканах находятся в состоянии sp³-гибридизации. Четыре гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра, угол между связями — 109°28′. Все связи одинарные, σ-типа: длина связи C–C — 0,154 нм, C–H — 0,109 нм. Молекула метана — правильный тетраэдр с атомом углерода в центре. Цепи из трёх и более атомов углерода не прямые, а зигзагообразные; вокруг σ-связей возможно свободное вращение, поэтому молекулы гибкие.

Связи C–C и C–H прочные и малополярные. Этим объясняется химическая пассивность алканов при обычных условиях: они не реагируют с кислотами, щелочами, бромной водой и перманганатом калия. Отсюда и старое название «парафины» — от латинского «малосродные».

Номенклатура и изомерия алканов

Начиная с бутана, у алканов есть структурная изомерия углеродного скелета. Бутан C₄H₁₀ существует в виде двух изомеров, пентан C₅H₁₂ — трёх, гексан — пяти, гептан — девяти, у декана их уже 75. Изомеры различаются физическими свойствами: разветвлённые молекулы компактнее и кипят при более низкой температуре.

Название алкана по номенклатуре ИЮПАК составляют так:

Выбрать самую длинную цепь атомов углерода — главную.
Пронумеровать её с того конца, к которому ближе разветвление.
Назвать заместители (метил, этил) и указать номера атомов, при которых они стоят; одинаковые заместители объединить приставками ди-, три-, тетра-.
Добавить название алкана, соответствующее главной цепи.

Формула	Название ИЮПАК	Тривиальное название
CH₃–CH₂–CH₂–CH₃	бутан	н-бутан
CH₃–CH(CH₃)–CH₃	2-метилпропан	изобутан
CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃	2-метилбутан	изопентан
CH₃–C(CH₃)₂–CH₃	2,2-диметилпропан	неопентан
CH₃–CH(CH₃)–CH(CH₃)–CH₃	2,3-диметилбутан	—

Типичная ошибка — названия вроде «1-метилбутан» или «2-этилпропан». Если заместитель стоит у крайнего атома или продолжает цепь, значит, главная цепь выбрана неверно: «1-метилбутан» — это просто пентан, а «2-этилпропан» — 2-метилбутан.

Физические свойства алканов

Молекулы алканов неполярны, поэтому алканы практически не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях и сами служат растворителями (гексан, бензин). Все они легче воды. Метан — газ без цвета и запаха; запах бытового газа дают специально добавленные пахучие вещества (одоранты), чтобы утечку можно было заметить. Жидкие алканы пахнут бензином, твёрдые (парафин) почти не имеют запаха.

Газообразные алканы образуют с воздухом взрывоопасные смеси. Поэтому при запахе газа нельзя пользоваться открытым огнём и включать электроприборы — нужно перекрыть газ и проветрить помещение.

Химические свойства алканов

Для алканов характерны реакции замещения и разложения, идущие с разрывом связей C–H и C–C. Реакции присоединения для них невозможны: все валентности атомов углерода насыщены.

Горение

Алканы горят с выделением большого количества теплоты — поэтому их главное применение — топливо. При полном сгорании образуются углекислый газ и вода:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O
2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O

При недостатке кислорода образуется ядовитый угарный газ или сажа: 2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O. Поэтому газовым приборам нужна хорошая вентиляция.

Галогенирование на свету

На свету (hν) или при нагревании алканы реагируют с хлором и бромом: атомы водорода последовательно замещаются на галоген.

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl hν
CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl hν
CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl hν
CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl hν

Продукты — хлорметан CH₃Cl, дихлорметан, трихлорметан (хлороформ) и тетрахлорметан CCl₄. Реакция идёт по радикальному цепному механизму:

зарождение цепи — свет разрывает молекулу хлора на радикалы: Cl₂ → 2Cl·;
рост цепи — радикал хлора отрывает атом водорода, а метил-радикал атакует новую молекулу хлора: Cl· + CH₄ → HCl + ·CH₃, ·CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl·;
обрыв цепи — радикалы соединяются друг с другом: Cl· + Cl· → Cl₂, ·CH₃ + ·CH₃ → C₂H₆, ·CH₃ + Cl· → CH₃Cl.

У гомологов метана легче всего замещается водород при третичном, затем при вторичном атоме углерода. Так, при бромировании пропана основной продукт — 2-бромпропан CH₃–CHBr–CH₃: C₃H₈ + Br₂ → C₃H₇Br + HBr hν.

Крекинг и разложение

При сильном нагревании (сотни градусов) или с катализатором длинные молекулы рвутся по связи C–C на алкан и алкен с более короткими цепями. Это крекинг — основной способ получить больше бензина из тяжёлых фракций нефти:

C₈H₁₈ → C₄H₁₀ + C₄H₈ t°
C₁₀H₂₂ → C₅H₁₂ + C₅H₁₀ t°

Метан при очень высокой температуре разлагается: при 1000 °C — на углерод (сажу) и водород, при 1500 °C и быстром охлаждении — на ацетилен:

CH₄ → C + 2H₂ 1000 °C
2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂ 1500 °C

Дегидрирование

При нагревании на катализаторе (Ni, Pt, Cr₂O₃) алканы отщепляют водород и превращаются в алкены; из бутана получают и бутадиен — сырьё для синтетического каучука, а из гексана — бензол:

C₂H₆ → C₂H₄ + H₂ t°, кат.
C₄H₁₀ → C₄H₆ + 2H₂ t°, кат.
C₆H₁₄ → C₆H₆ + 4H₂ t°, кат. Pt

Изомеризация

При нагревании с хлоридом алюминия неразветвлённые алканы превращаются в разветвлённые: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ → CH₃–CH(CH₃)–CH₃ (AlCl₃, t°). Разветвлённые алканы повышают октановое число бензина.

С водяным паром на никелевом катализаторе метан образует синтез-газ — смесь угарного газа и водорода: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ t°, кат. Ni.

Реакции метана, этана, пропана и бутана

Получение алканов

В лаборатории

Сплавление солей карбоновых кислот со щёлочью. Метан получают, нагревая безводный ацетат натрия CH₃COONa с твёрдой щёлочью (обычно с натронной известью — смесью NaOH и CaO): CH₃COONa + NaOH → CH₄↑ + Na₂CO₃ t°, сплавление. Газ собирают вытеснением воды: метан в ней почти не растворяется.
Гидролиз карбида алюминия: Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃↓ + 3CH₄↑.
Реакция Вюрца — удвоение углеродной цепи действием натрия на галогеналкан: 2CH₃Cl + 2Na → C₂H₆ + 2NaCl; из хлорэтана получается бутан: 2C₂H₅Cl + 2Na → C₄H₁₀ + 2NaCl.
Гидрирование алкенов: C₃H₆ + H₂ → C₃H₈ t°, кат. Ni.

В промышленности

Главные источники алканов — природный газ (в основном метан), попутный нефтяной газ (этан, пропан, бутан) и нефть. Нефть перегонкой разделяют на фракции: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут. Из синтез-газа (CO и H₂) на катализаторах получают метан и жидкие алканы — синтетическое топливо; простейший пример — CO + 3H₂ → CH₄ + H₂O t°, кат. Ni.

Применение алканов

Метан — топливо для быта и электростанций и химическое сырьё: из него получают водород, синтез-газ, метанол, ацетилен, сажу для резины и красок, хлорпроизводные.
Пропан и бутан — сжиженный газ для баллонов, зажигалок и автомобилей.
Жидкие алканы — основа бензина, керосина, дизельного топлива; гексан — растворитель.
Твёрдые алканы и их смеси — парафин (свечи, пропитка бумаги) и мазеобразный вазелин, который используют в медицине и косметике.
Крекингом и дегидрированием алканов получают алкены — сырьё для полимеров; подробнее — на странице алкены.

Цепочки превращений с алканами — частое задание в 10 классе и на экзамене, например «ацетат натрия → метан → хлорметан → этан → этилен». Потренируйтесь на странице цепочки превращений, а место алканов среди других классов смотрите в разделе органическая химия.

Частые вопросы

Какая общая формула алканов?

CₙH₂ₙ₊₂, где n — число атомов углерода. Например, при n = 5 получается пентан C₅H₁₂, при n = 8 — октан C₈H₁₈.

Почему алканы называют предельными углеводородами?

Атомы углерода в них связаны только одинарными связями, и все их валентности до предела насыщены атомами водорода. Поэтому алканы не вступают в реакции присоединения.

Как получить метан в лаборатории?

Сплавлением безводного ацетата натрия со щёлочью: CH₃COONa + NaOH → CH₄↑ + Na₂CO₃. Другой способ — гидролиз карбида алюминия водой.

Как отличить алкан от алкена?

Алкены обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия, а алканы с этими реактивами не реагируют.

С какого алкана начинается изомерия?

С бутана C₄H₁₀: у него два изомера — н-бутан и 2-метилпропан (изобутан). У пентана изомеров три, у гексана — пять.