Сначала изучите: Основы органической химии и изомерия
Алканы (парафины) — предельные углеводороды: все связи углерод–углерод в их молекулах одинарные (σ-связи), каждый атом углерода находится в состоянии sp³-гибридизации. Алканы составляют основу природного газа и нефти, это важнейшее топливо и сырьё химической промышленности. Химически они «малоактивны» (отсюда и название парафины — «мало сродства»), но реакции радикального замещения, горения и крекинга, а также расчётные задачи на вывод формулы встречаются на экзамене ежегодно. Эта тема — фундамент органической химии: здесь формируются понятия номенклатуры, изомерии и механизма реакций.
Алканы образуют гомологический ряд: каждый следующий член отличается от предыдущего на одну группу CH₂ (гомологическую разность).
Общая формула CₙH₂ₙ₊₂; молярная масса M = 14n + 2
Первые десять членов: CH₄ метан, C₂H₆ этан, C₃H₈ пропан, C₄H₁₀ бутан, C₅H₁₂ пентан, C₆H₁₄ гексан, C₇H₁₆ гептан, C₈H₁₈ октан, C₉H₂₀ нонан, C₁₀H₂₂ декан. Начиная с пятого члена названия образуются от греческих числительных.
Поскольку углерод находится в sp³-гибридизации, четыре связи направлены к вершинам тетраэдра, валентный угол 109°28′ (около 109,5°). Поэтому длинная цепь не прямая, а зигзагообразная. Длина связи C–C 0,154 нм. Вокруг σ-связи возможно свободное вращение, поэтому молекула принимает разные конформации.
Атомы углерода в цепи бывают первичными (один соседний атом C), вторичными (два), третичными (три) и четвертичными (четыре). Это важно для реакций: водород у третичного атома замещается легче всего.
Циклоалканы CₙH₂ₙ — циклические предельные углеводороды (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан). Они являются межклассовыми изомерами алкенов. Циклы циклопропана и циклобутана напряжены, поэтому вступают в реакции присоединения (например, циклопропан с водородом даёт пропан), а циклогексан устойчив, как обычные алканы.
Для алканов характерна только структурная (скелетная) изомерия, начиная с C₄H₁₀: бутан и 2-метилпропан (изобутан). Для C₅H₁₂ существует 3 изомера (пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан), для C₆H₁₄ — 5, для C₇H₁₆ — 9.
Порядок названия по ИЮПАК:
Если отнять от молекулы алкана один атом водорода, получится радикал (алкил): CH₃– метил, C₂H₅– этил, C₃H₇– пропил, C₄H₉– бутил. Например, CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ — 2-метилбутан.
Физические свойства: C₁–C₄ — газы, C₅–C₁₅ — жидкости, высшие — твёрдые вещества (парафин). Алканы неполярны, поэтому практически нерастворимы в воде и легче её. С ростом молярной массы температура кипения повышается, так как усиливается межмолекулярное (дисперсионное) притяжение. При разветвлении цепи молекула становится более шарообразной, площадь контакта уменьшается и температура кипения падает: пентан кипит при 36 °C, а 2,2-диметилпропан — около 10 °C.
В алканах есть только прочные малополярные σ-связи, поэтому они не реагируют с кислотами, щелочами и обычными окислителями. Алканы не обесцвечивают бромную воду и раствор KMnO₄ — так их отличают от непредельных углеводородов.
Радикальное замещение (галогенирование) идёт на свету (hν) или при нагревании. Механизм цепной: инициирование (Cl₂ → 2Cl·), развитие цепи (Cl· + CH₄ → CH₃· + HCl, CH₃· + Cl₂ → CH₃Cl + Cl·) и обрыв цепи (соединение радикалов).
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl → CH₂Cl₂ → CHCl₃ → CCl₄ (на каждой стадии выделяется HCl)
Легче всего замещается водород у третичного атома, затем у вторичного, труднее всего — у первичного. Бромирование особенно избирательно.
Горение — важнейшая практическая реакция, выделяется много теплоты:
CₙH₂ₙ₊₂ + (3n+1)/2 O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O
При недостатке кислорода образуется CO или сажа (C). При горении алкана воды всегда больше, чем CO₂: n(H₂O) − n(CO₂) = n(алкана).
Нитрование (реакция Коновалова, разбавленная HNO₃, нагревание): CH₄ + HNO₃ → CH₃NO₂ + H₂O.
Превращения при высокой температуре:
В промышленности алканы выделяют из природного газа и перегонкой нефти. Лабораторные способы:
Реакция Вюрца: 2CH₃Cl + 2Na → C₂H₆ + 2NaCl (цепь удваивается)
Реакция Дюма: CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃ (сплавление, цепь укорачивается на один атом C)
Из карбида: Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄
Гидрирование алкенов: C₂H₄ + H₂ → C₂H₆ (Ni, нагревание)
Реакция Вюрца с двумя разными галогеналканами даёт смесь трёх алканов: CH₃Cl + C₂H₅Cl → этан, пропан, бутан. В реакции Дюма из соли карбоновой кислоты получается алкан с числом атомов углерода на один меньше: из C₂H₅COONa — этан.
На полное сгорание 1 моль алкана израсходовано 8 моль кислорода. Найдите алкан.
Массовая доля углерода в алкане 83,33 %. Найдите формулу алкана.
При сжигании алкана получили 194,4 г смеси оксидов углерода, CO в 10 раз больше (по молям), чем CO₂. Мольное отношение алкана и израсходованного O₂ равно 1,1 : 4. Найдите алкан.
Метан — бытовой газ и сырьё для получения синтез-газа, водорода, метанола, ацетилена. Пропан-бутановая смесь используется как сжиженный газ в баллонах. Бензин, керосин, дизельное топливо — смеси жидких алканов, вазелин и парафин — высшие алканы. Хлорпроизводные (CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄) применяются как растворители. Поскольку крекинг и дегидрирование алканов — исходная точка получения алкенов, алкинов и аренов, эта тема лежит в основе следующих тем «Алкены», «Алкины» и «Нефть и газ».