Алкани

Алкани є найпростішими вуглеводнями. Всі атоми вуглецю в молекулах алканів сполучені один з одним простими, одинарними зв’язками. Алкани називаються також парафінами, насиченими вуглеводнями.

Метан. Найпростіший алкан – метан , молекула якого складається з одного атома вуглецю і чотирьох атомів водню.

Як уже зазначалось, атом вуглецю, що утворює чотири ковалентних зв’язки, знаходиться у збудженому стані (). В утворенні чотирьох ковалентних беруть учать одна s – і три p – орбіталі () зовнішнього енергетичного рівня одного атома вуглецю. Всі чотири ковалентних зв’язки, які утворює вуглець у молекулі , рівноцінні: мають однакову довжину, енергію зв’язку та інші властивості.

Рівноцінність хімічних зв’язків у метані можна пояснити, використовуючи поняття про гібридизацію орбіталей. Гібридизацією називається зміна форми і енергії різних орбіта лей одного атома, яка призводить до утворення однакових (гібридизованих) орбіталей.

Наприклад, при утворенні молекули метану гібридизації зазнають орбіталі атома вуглецю: одна s – і три p – орбіталі. Вид і число орбіталей, які беруть участь у гібридизації, визначають її тип. Так, у метані виявляються – гібридизація.

Гомологи метану. Крім метану всі інші вуглеводні, що належать до алканів, містять у складі два, три і більше вуглецевих атомів:

Як видно з наведених формул, кожний наступний член цього ряду можна одержати, додаючи до формули попереднього члена групу . Група називається гомологічної різницею. Речовини, подібні за хімічними властивостями, склад яких відрізняється на ціле число груп , називаються гомологами. Сукупність гомологів складає гомологічний ряд.

Склад молекул усіх алканів відповідає загальній формулі , де n = 1, 2, 3, 4… Отже, алкани – це вуглеводні, склад молекул яких відповідає загальній формулі .

Будова молекул алканів, згідно з сучасними електронними уявленнями про хімічний зв’язок, пояснюється так. У молекулах усіх алканів орбіталі атомів вуглецю перебувають у стані – гібридизації і направлені до вершини уявного тетраедра з їх центрів. Молекулу етану можна уявити як два тетраедри, сполучені вершинами. Кулестержнева модель молекули етану:

При такому сполучені групи можуть обертатися відносно зв’язку вуглець – вуглець, утворюючи різні геометричні форми – конформації.

Ізомерія. Для алканів характерна структурна ізомерія, яка зумовлена можливістю розгалуження вуглецевого ланцюга молекули. Вуглеводень з прямим, нерозгалуженим ланцюгом називається нормальним ізомером. У алканах з розгалуженим ланцюгом замісники (бічні ланцюги) можуть займати різне положення відносно головного ланцюга. Речовини, що мають однаковий склад, але різняться будовою вуглецевого ланцюга, називаються структурними ізомерами.

Першим членом гомологічного ряду алканів, який має ізомери, є бутан . В одному з ізомерів всі атоми вуглецю витягнуті в один ланцюг, у молекулі іншого ізомера головний вуглеводний ланцюг складається з трьох атомів, а четвертий атом вуглецю сполучений з середнім атомом ланцюга:

Ізомери бутану різняться властивостями. Так, температура кипіння нормального бутану становить , а ізобутан кипить при температурі .

У іншого представника ряду алканів – гексану існує п’ять структурних ізомерів. Один з них н – гексан (нормальний гексан, буква н означає “нормальний”) має прямий, нерозгалужений ланцюг, що складається з шести атомів вуглецю. У двох ізомерів головний ланцюг містить п’ять атомів вуглецю і, нарешті, можливі ще два ізомери, які мають у головному ланцюгу по чотири атома вуглецю:

Як можна бачити із структурних формул ізомерів, атоми вуглецю можуть бути сполучені з різною кількістю інших атомів вуглецю: одним, двома, трьома та чотирма. Залежно від цього розрізняють первинні, вторинні, третинні та четвертинні вуглецеві атоми, приклади яких показані в такій формулі:

У цій сполуці атом вуглецю С1 – первинний, атоми С2, С4, С5 – вторинні, атом С3 – третинний і С6 – четвертинний.

Число ізомерів у алканів може бути різним. Воно зростає в міру збільшення числа атомів вуглецю в молекулі алкану. Так, бутан має 2 ізомери: пентан – 3, гексан – 5, гептан – 9, октан – 18, нонан – 35, декан – 75.

Вуглеводневі радикали. Якщо від молекули вуглеводню відщепити один або кілька атомів водню, то утворюється вуглеводневий радикал. Назви радикалів утворюються від назв відповідних алканів з заміною закінчення –ан на –ил (-іл). Приклади вуглеводневих радикалів:

Як загальна назва вуглеводних радикалів прийнятий термін “алкін”, їх позначають буквою R.

Номенклатура. Хімічна номенклатура – це система формул і назв хімічних речовин. Вона охоплює правила складання формул і назв. Для органічної хімії найбільш зручно є замісникові номенклатура, яка рекомендована IUPAC (Міжнародна спілка теоретичної і прикладної хімії).

Для того щоб дати розгалуженому вуглеводню назву згідно з цією номенклатурою, необхідно виконувати такі правила.

Вибирають найдовший ланцюг атомів вуглецю в молекулі, наприклад:

Нумерують атоми вуглецю в головному вуглеводневому ланцюгу, починаючи з того кінця, до якого ближче розміщені розгалуження (пр.. а). Якщо замісники знаходяться на різних відстанях від кінця ланцюга, то нумерацію починають з того кінця, до якого ближче розгалуження (пр.. б). Якщо розгалуженість головного ланцюга однакова, то нумерацію починають з того кінця, до якого ближче знаходиться радикал, назва якого стоїть раніше в алфавітному порядку (пр. в). Приклади:

За основу назви розгалуженого вуглеводню беруть назву вуглеводню, що відповідає головному ланцюгу. Наприклад, якщо головний ланцюг містить 4 атоми вуглецю, коренем буде “бутан”, 9 атомів вуглецю – корінь “нонан”. Назва розгалуженого вуглецю будується в такій послідовності: спочатку зазначається цифра, що означає номер атома вуглецю в головному ланцюгу, у якого є розгалуження, потім назва радикала у бічному ланцюгу і назва найголовнішого ланцюга. Якщо вуглеводень містить кілька однокових радикалів, то в його назві перелічуються цифри, що вкрають їх положення, а число цих радикалів зазначається числовим префіксом: ди-, три-, тетра-, пента-.

Різні за будовою радикали перелічують в алфавітному порядку. Приклади:

Для багатьох органічних речовин, у тому числі і для деяких алканів, зберігаються тривіальні назви, тобто назви, що склалися історично. Наприклад, 2 – метил пропан має тривіальну назву ізобутан.

Властивості. Зі звичайних умов метан, етан, пропан, ізомерні бутан і неопентан – безбарвні гази. Нормальні алкани, починаючи з вуглеводню , за звичайних умов є твердими речовинами. Усі алкани дуже мало розчинні у воді.

У хімічному відношенні алкани – інертні речовини, що визначається міцністю зв’язків вуглець – вуглець і вуглець – водень. Крім того, ці зв’язки малополярні, тому для алканів будуть характерні реакції, що відбуваються з гомологічним розривом зв’язків.

Реакції з участю алканів, як правило, ініціюються високою температурою, електромагнітним випромінюванням, прискорюються каталізаторами. Для алканів характерні такі реакції:

1. Галогенування. Алкани можуть реагувати з хлором, бромом, якщо реакція ініціюється світлом. Розглянемо як приклад хлорування метану. На світлі відбувається гомологічний розрив молекул хлору з утворенням радикалів , і далі реакція відбувається за ланцюговим механізмом:

Продуктами реакції можуть бути . Кожний з названих продуктів можна виділити.

2. Нітрування. Алкани вступають у реакцію з азотною кислотою при нагріванні, наприклад:

.

Ця реакція відкрита російським хіміком М.І.Коноваловим і дістала назву реакції Коновалова. Нітрування можна здійснювати не тільки азотною кислотою, а й оксидами азоту (IV) .

3. Окислення. Алкани згорають на повітрі з виділенням великої кількості теплоти:

;

.

На реакціях горіння алканів ґрунтується їх застосування як палива. При невеликих температурах і наявності каталізаторів алкани можна окислити до органічних кислот.

4. Взаємодія з водяною парою. Важливе практичне значення має реакція метану з водою при високій температурі – конверсія метану з водяною парою:

.

Реакція відбувається при наявності каталізатора. Її продуктом є синтез-газ – суміш оксиду вуглецю з воднем. Синтез-газ широко використовується в органічному синтезі.

5. Крекінг. Розщеплення молекул органічних сполук з розривом зв’язків вуглець – вуглець під дією високих температур називається крекінгом. Під час крекінгу алканів утворюються алкани з меншим числом атомів вуглецю і ненасичені сполуки, наприклад:

Добування. Промислові способи добування алканів ґрунтуються на виділені їх з природних речовин, переважно нафти і природного газу.

Головною складовою частиною горючих природних газів і рудникового газу, який накопичується під землею є метан; його об’ємна частка може становити до 98 %. З природних газів можна виділити також етан, пропан, ізобутан. Ці і більш тяжкі вуглеводні виділяють з нафти.

Метан та інші алкани утворюються під дією водню на вугілля при високій температурі:

Такі реакції здійснюють на практиці при гідруванні вугілля.

Суміш алканів можна добути при нагріванні суміші вуглецю (ІІ) з воднем над каталізатором:

.

У лабораторних умовах метан можна добути, використовуючи такі реакції:

Розкладання карбіду алюмінію з водою:

;

Інші алкани можна добути при дії металічного натрію на галогенопохідні вуглеводнів, наприклад:

.

Реакції такого типа називаються реакцією Вюрца.

Застосування. Насичені вуглеводні широко використовуються в органічному синтезі. З них добувають багато органічних речовин: ненасичені вуглеводні, хлорпохідні, органічні кислоти.

Багато вуглеводнів входять до складу різних видів палива: горючого газу, бензину, гасу.