О чём этот урок

Алканы — самый простой класс органических веществ, и именно на нём удобнее всего впервые увидеть, как теория из первых уроков курса работает на практике. Природный газ в плите, бензин в баке, парафин в свече — всё это алканы или их смеси. Разберёмся, как они устроены, почему такие смирные в химическом плане и какие реакции для них всё-таки характерны.

Прежде чем начать

Понадобятся понятия из предыдущих уроков курса:

• общая формула гомологического ряда и понятие изомерии скелета (урок 6);
• гибридизация sp³ и σ-связь как единственный тип связи между атомами (урок 3);
• номенклатурные корни мет-, эт-, проп-, бут-, пент- и так далее (урок 5);
• понятие функциональной группы — у алканов, забегая вперёд, её попросту нет, и это тоже важная характеристика класса.

Разбираемся с нуля

Что такое алканы

Алканы (предельные, или насыщенные, углеводороды) — это углеводороды, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой и с атомами водорода только одинарными σ-связями. Двойных и тройных связей нет, поэтому все связи здесь одинарные — молекула «насыщена» водородом до предела.

Общая формула ряда — $C_nH_{2n+2}$ (мы вывели её в уроке 6, когда сравнивали гомологические ряды). Каждый атом углерода в алкане находится в состоянии sp³-гибридизации (урок 3) и образует ровно четыре σ-связи — либо с другими атомами углерода, либо с водородом. Других типов связей у алканов не бывает в принципе.

Гомологический ряд и номенклатура

Первые десять членов ряда используют корни, знакомые вам по уроку 5, с добавлением суффикса -ан:

n	Формула	Название
1	$CH_4$	метан
2	$C_2H_6$	этан
3	$C_3H_8$	пропан
4	$C_4H_{10}$	бутан
5	$C_5H_{12}$	пентан
6	$C_6H_{14}$	гексан
10	$C_{10}H_{22}$	декан

Для разветвлённых алканов имя строится так: находят самую длинную цепь (она даёт корень названия), нумеруют её атомы так, чтобы разветвления получили наименьшие номера, и перечисляют заместители-«ответвления» с указанием их номера. Например, вещество с цепью из четырёх атомов и одной метильной группой у второго атома называется 2-метилбутан. Полные правила такого именования — предмет отдельного разбора в уроке 5, здесь мы используем их как готовый инструмент.

Изомерия алканов

Начиная с бутана ($C_4H_{10}$), у алканов появляется изомерия углеродного скелета (урок 6): атомы можно собрать в неразветвлённую цепь или с разветвлением. Чем длиннее цепь, тем больше возможных изомеров: у бутана их два, у пентана — три, а у декана — уже 75. Других видов структурной изомерии у алканов нет: ни кратных связей, ни функциональных групп, положение которых можно было бы менять, здесь попросту нет.

Физические свойства и их закономерности

Свойства алканов меняются вдоль гомологического ряда предсказуемо:

Важно: температура кипения растёт с удлинением цепи и падает при разветвлении той же цепи.

Объяснение простое и механическое. Между молекулами алканов действуют только слабые межмолекулярные (ван-дер-ваальсовы) силы, а их сила зависит от площади контакта молекул друг с другом. Длинная неразветвлённая цепь — как вытянутая нить, она соприкасается с соседними молекулами по всей длине, и силы притяжения складываются. Разветвлённая молекула похожа скорее на компактный клубок — площадь контакта с соседями меньше, значит, меньше и суммарное притяжение, значит, ниже температура кипения. Поэтому неразветвлённый пентан кипит выше, чем его разветвлённый изомер той же формулы.

Как следствие роста длины цепи: первые четыре члена ряда (метан–бутан) при обычных условиях — газы, следующие (примерно до $C_{16}$) — жидкости, а более длинные цепи — твёрдые вещества (парафины).

Химические свойства: почему алканы малоактивны

Связи $C-C$ и $C-H$ в алканах — прочные, малополярные σ-связи. Разорвать их «мягкими» реагентами (кислотами, щелочами, большинством окислителей при обычных условиях) не получается — именно поэтому алканы исторически называли парафинами, то есть «лишёнными сродства». Реакции алканов почти всегда требуют жёстких условий — нагревания, света или катализатора — и идут по принципиально другому механизму, чем реакции присоединения, которые вы увидите в следующих уроках у непредельных соединений.

Характерная реакция: радикальное замещение

Раз двойных связей нет и присоединять нечего, единственный практичный способ видоизменить алкан — заменить один из атомов водорода на другой атом или группу. Самый показательный пример — галогенирование:

$$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{\;h\nu\;} CH_3Cl + HCl$$

Механизм идёт не сразу, а по стадиям, и запускается светом или нагревом:

1. Квант света (или тепло) разрывает молекулу хлора на два радикала — частицы с неспаренным электроном: $Cl_2 \to 2Cl^{\bullet}$.
2. Радикал хлора отрывает атом водорода от молекулы метана, образуя $HCl$ и новый радикал $CH_3^{\bullet}$.
3. Этот радикал реагирует со следующей молекулой хлора, давая продукт $CH_3Cl$ и снова радикал хлора — реакция способна повторяться по цепочке.

Такой механизм называют радикальным замещением, а на схематическом уровне достаточно запомнить: свет или нагрев разрывают связь на радикалы, а дальше радикалы поочерёдно замещают атомы водорода на галоген.

Горение

Алканы хорошо горят — это их главное практическое применение как топлива. При достатке кислорода происходит полное сгорание:

$$CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O$$

При недостатке кислорода сгорание неполное, и вместо углекислого газа образуется угарный газ $CO$ или, при ещё большем недостатке кислорода, свободный углерод (сажа):

$$2CH_4 + 3O_2 \to 2CO + 4H_2O$$

Крекинг и изомеризация: промышленный контекст

Нефть представляет собой природную смесь алканов разной длины цепи, и не все фракции этой смеси одинаково ценны. Два промышленных процесса позволяют «настраивать» состав смеси под нужды:

• Крекинг — расщепление длинных углеродных цепей на более короткие под действием высокой температуры (термический крекинг) или катализатора (каталитический крекинг). Из тяжёлых, малоценных фракций нефти так получают более лёгкие и востребованные — например, компоненты бензина.
• Изомеризация — превращение неразветвлённых алканов в их разветвлённые изомеры без изменения молекулярной формулы (вспомните урок 6: изомеризация в буквальном смысле превращает одно вещество в его структурный изомер). Разветвлённые алканы горят в двигателе более равномерно, поэтому изомеризация повышает качество бензина.

Источники алканов

Главные природные источники алканов — природный газ (почти целиком состоит из метана с примесью этана и пропана) и нефть (сложная смесь алканов различной длины цепи, а также других углеводородов). Именно переработка нефти — важнейший промышленный источник органического сырья, включая крекинг и изомеризацию, о которых шла речь выше.

Циклоалканы

Если замкнуть углеродную цепь в кольцо, получится циклоалкан. Общая формула ряда — $C_nH_{2n}$: по сравнению с алканом того же числа атомов углерода не хватает двух атомов водорода — они «высвобождаются» на замыкание цикла. Название образуется приставкой цикло- к соответствующему корню: циклопропан ($C_3H_6$), циклобутан ($C_4H_8$), циклогексан ($C_6H_{12}$).

По типу связей циклоалканы устроены так же, как алканы: только sp³-углерод, только σ-связи, поэтому в целом их химическое поведение похоже — низкая реакционная способность, характерны реакции замещения, а не присоединения.

Важно: есть оговорка для маленьких циклов (три-четыре атома). Идеальный угол между связями sp³-углерода — около 109,5°, а в треугольном или четырёхугольном цикле атомы вынуждены сходиться под гораздо более острым углом. Из-за этого «углового напряжения» связи в цикле оказываются менее прочными, и такие маленькие циклы реагируют легче обычных алканов — вплоть до реакций присоединения с раскрытием цикла. Это частность, углубляться в неё в рамках этого курса не будем.

Примеры и разбор

Пример 1. От названия к формуле

Задача: Определите молекулярную формулу вещества 2-метилпентан.

Разбор: Корень «пент-» указывает на главную цепь из пяти атомов углерода (суффикс -ан подтверждает, что это алкан), а «2-метил» означает одну боковую метильную группу у второго атома цепи. Считаем атомы углерода: пять в главной цепи плюс один в заместителе — итого шесть атомов. По общей формуле $C_nH_{2n+2}$ при $n=6$ получаем $C_6H_{14}$.

Вывод: число атомов углерода в формуле — это сумма атомов главной цепи и всех заместителей, а число атомов водорода дальше можно всегда найти по общей формуле ряда.

Пример 2. Сравнение температур кипения

Задача: Какое из веществ кипит при более высокой температуре — неразветвлённый гексан или его изомер 2,2-диметилбутан (тот же состав $C_6H_{14}$)?

Разбор: У обоих веществ одинаковый состав, значит, дело только в форме молекулы. Неразветвлённый гексан — вытянутая цепь с большой площадью контакта с соседними молекулами. 2,2-диметилбутан — более компактная, разветвлённая структура с меньшей площадью контакта. Чем меньше площадь контакта, тем слабее суммарные межмолекулярные силы и тем ниже температура кипения.

Вывод: выше кипит неразветвлённый гексан — это общее правило для любых изомеров-алканов.

Пример 3. Уравнение радикального замещения

Задача: Составьте уравнение реакции пропана с избытком хлора на свету до образования продукта замещения одного атома водорода, и укажите тип реакции.

Разбор: Свет инициирует разрыв молекулы хлора на радикалы, один из которых замещает атом водорода в пропане:

$$C_3H_8 + Cl_2 \xrightarrow{\;h\nu\;} C_3H_7Cl + HCl$$

Вывод: это реакция радикального замещения — характерная реакция алканов, идущая только при инициировании светом или нагревом.

Проверьте себя

1. Почему у алканов не бывает изомерии положения кратной связи или функциональной группы?
2. Объясните на молекулярном уровне, почему разветвлённые алканы кипят при более низкой температуре, чем их неразветвлённые изомеры.
3. Опишите по шагам механизм радикального замещения метана хлором.
4. В чём разница между полным и неполным сгоранием алкана? Приведите оба уравнения для этана.
5. Зачем нефтеперерабатывающим заводам нужны крекинг и изомеризация — какую задачу решает каждый из этих процессов?
6. Чем циклоалканы отличаются от алканов по общей формуле и почему?
7. Почему циклопропан реагирует легче, чем обычные алканы?

Коротко о главном

• Алканы — предельные углеводороды с общей формулой $C_nH_{2n+2}$, только sp³-углерод и только σ-связи.
• Название образуется корнем (число атомов углерода) плюс суффикс -ан; для разветвлённых цепей добавляются номера и названия заместителей.
• Начиная с бутана, у алканов есть изомерия углеродного скелета.
• Температура кипения растёт с длиной цепи и падает при разветвлении — из-за изменения площади межмолекулярного контакта.
• Алканы малоактивны из-за прочных неполярных связей; характерная реакция — радикальное замещение (например, галогенирование на свету).
• Алканы хорошо горят: полное сгорание даёт $CO_2$ и $H_2O$, неполное — $CO$ или сажу.
• Крекинг расщепляет длинные цепи на короткие, изомеризация превращает неразветвлённые цепи в разветвлённые — оба процесса важны при переработке нефти.
• Циклоалканы ($C_nH_{2n}$) похожи на алканы по свойствам, но маленькие циклы (3–4 атома) более реакционноспособны из-за напряжения цикла.

Куда дальше

Мы разобрали углеводороды только с одинарными связями. Следующий шаг — увидеть, что происходит, когда в цепи появляется двойная связь: меняется и геометрия молекулы, и её реакционная способность.

➡ Урок 8: Алкены: непредельные углеводороды с двойной связью