Определение
Строение
Номенклатура
Изомерия
Физические свойства
Химические свойства
Получение
Применение

Определение

Алканы (парафины) – алифатические (нециклические) предельные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями в неразветвленные или разветвленные цепи.

Алканы имеют общую формулу CnH2n+2, где n – число атомов углерода.

(i) Алканы – название предельных углеводородов по международной номенклатуре.
Парафины – исторически сложившееся название, отражающее свойства этих соединений (от лат. parrum affinis – малоактивный).
Предельными, или насыщенными, эти углеводороды называют в связи с полным насыщением углеродной цепи атомами водорода.

Строение
Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии 3-гибридизации, угол между связями С-C составляет 109°28', поэтому молекулы нормальных алканов с большим числом атомов углерода имеют зигзагообразное строение (зигзаг). Длина связи С-С в предельных углеводородах равна 0,154 нм (1нм=1*10-9м).

Нажмите, чтобы перейти на верх страницы Наверх

Номенклатура

Для названия предельных углеводородов применяют в основном систематическую и рациональную номенклатуры.

(i) Правила систематической номенклатуры

Общее (родовое) название предельных углеводородов — алканы.
Названия первых четырех членов гомологического ряда метана тривиальные: метан, этан, пропан, бутан. Начиная с пятого названия образованы от греческих числительных с добавлением суффикса –ан (этим подчеркивается сходство всех предельных углеводородов с родоначальником этого ряда — метаном).
Для простейших углеводородов изостроения сохраняются их несистематические названия: изобутан, изопентан, неопентад.

По рациональной номенклатуре алканы рассматривают как производные простейшего углеводорода — метана, в молекуле которого один или несколько водородных атомов замещены на радикалы. Эти заместители (радикалы) называют по старшинству (от менее сложных к более сложным). Если эти заместители одинаковые, то указывают их количество. В основу названия включают слово "метан":

    CH3
|
H3C—C—CH3
|
   CH3

                              C2H5
                                 |

H3C—CH—CH—CH3
        |
            CH3

тетраметилметан
(2,2-диметилпропан)

метилэтилизопропилметан
(2,3-диметилпентан)

Свою номенклатуру имеют и радикалы (углеводородные радикалы). Одновалентные радикалы называют алкилами и обозначают буквой R или Alk.
Их общая формула CnH2n+ 1 .
Названия радикалов составляют из названий соответствующих углеводородов заменой суффикса -ан на суффикс -ил (метан — метил, этан — этил, пропан — пропил и т.д.).
Двухвалентные радикалы называют, заменяя суффикс -ан на -илиден (исключение - радикал метилен ==СН2).
Трехвалентные радикалы имеют суффикс -илидин (исключение - радикал метин ==СН).

В таблице 1 приведены названия первых пяти углеводородов, их радикалов, возможных изомеров и соответствующие им формулы.

Таблица 1.
Формула
Название
углеводорода
радикала
углеводорода
радикала
    метан метил
    этан этил
   

пропан пропил


изопропил
 

 



н-бутан



метилпропан
(изо-бутан)
н-бутил



метилпропил
(изо-бутил)



трет-бутил
   



н-пентан н-пентил
  метилбутан
(изопентан)
метилбутил
(изопентил)
    диметилпропан
(неопентан)
диметилпропил
(неопентил)

Нажмите, чтобы перейти на верх страницы Наверх


Изомерия
Изомеры – это вещества, имеющие одинаковый состав и одну и ту же молекулярную формулу и массу, но различное химическое строение, а потому обладающие различными физическими и химическими свойствами.

Структурная изомерия

Причиной проявления структурной изомерии в ряду алканов является способность атомов углерода образовывать цепи различного строения. Этот вид структурной изомерии называется изомерией углеродного скелета.

Структурные изомеры имеют одинаковый состав, но различаются химическим строением, при этом химические свойства изомеров - сходны, а физические - различны. Алканы с разветвленным строением из-за менее плотной упаковки молекул и, соответственно, меньших межмолекулярных взаимодействий, кипят при более низкой температуре, чем их неразветвленные изомеры.

В молекулах метана СН4, этана С2Н6 и пропана С3Н8 может быть только один порядок соединения атомов, то есть первые три члена гомологического ряда алканов изомеров не имеют. Для бутана С4Н10 возможны две структуры:

Один из этих изомеров (н-бутан) содержит неразветвленную углеродную цепь, а другой — изобутан — разветвленную (изостроение).

С увеличением числа атомов углерода в составе молекул увеличиваются возможности для разветвления цепи, т.е. количество изомеров растет с ростом числа углеродных атомов.

В ряду радикалов мы также встречаемся с явлением изомерии (см. табл. 1). Причем число изомеров у радикалов значительно больше, чем у соответствующих им алканов. Например, пропан, как известно, изомеров не имеет, а радикал пропил имеет два изомера: н-пропил и изо-пропил:

                       |
СН3—СН3—СН2—      и     Н3С—СН—СН3

Поворотная изомерия алканов

Вращение атомов вокруг s-связи не будет приводить к ее разрыву. В результате внутримолекулярного вращения по s-связям С–С молекулы алканов, начиная с этана С2Н6, могут принимать разные геометрические формы.
Различные пространственные формы молекулы, переходящие друг в друга путем вращения вокруг s-связей С–С, называют конформациями или поворотными изомерами (конформерами).
Поворотные изомеры молекулы представляют собой энергетически неравноценные ее состояния. Их взаимопревращение происходит быстро и постоянно в результате теплового движения. Поэтому поворотные изомеры не удается выделить в индивидуальном виде, но их существование доказано физическими методами. Некоторые конформации более устойчивы (энергетически выгодны) и молекула пребывает в таких состояниях более длительное время.

Нажмите, чтобы перейти на верх страницы Наверх


Физические свойства

В обычных условиях первые четыре члена гомологического ряда алканов – газы, C5–C17 – жидкости, а начиная с C18 – твердые вещества. Температуры плавления и кипения алканов их плотности увеличиваются с ростом молекулярной массы. Все алканы легче воды, в ней не растворимы, однако растворимы в неполярных растворителях (например, в бензоле) и сами являются хорошими растворителями.
Физические свойства некоторых алканов представлены в таблице.

Таблица 2. Физические свойства некоторых алканов.

Название

Формула

tпл °С

tкип °С

d204

Метан

СН4

-182,5

-161,5

0,4150

(при -164 °С)

Этан

С2Н6

-182,8

-88,6

0,5610

(при -100 °С)

Пропан

С3Н8

-187,7

-42

0,5853

(при -44,5 °С)

Бутан

С4Н10

-138,3

-0,5

0,6000

(при 0°С)

Пентан

C5H12

-129,7

+36,1

0,6262

Гексан

С6Н14

-95,3

68,7

0,6594

Гептан

С7H16

-90,6

98,4

0,6838

Октан

C8H18

-56,8

124,7

0,7025

Нонан

С9Н20

-53,7

150,8

0,7176

Декан

C10H22

-29,6

174,0

0,7300

Пентадекан

C15H32

+10

270,6

0,7683

Эйкозан

С20Н42

36,8

342,7

0,7780

(при 37 °С)

Пентакозан

C25H52

53,7

400

0,8012

Триаконтан

С30Н62

66,1

457

0,8097

* d420 – относительная плотность, т.е.
 отношение плотности вещества при 20
°С к плотности воды при 4°С.

Нажмите, чтобы перейти на верх страницы Наверх


Химические свойства

Тривиальное (историческое) название алканов - "парафины" - означает "не имеющие сродства". Алканы химически малоактивны. Низкая реакционная способность алканов обусловлена очень малой полярностью связей С-С и С-Н в их молекулах вследствие почти одинаковой электроотрицательности атомов углерода и водорода. Предельные углеводороды в обычных условиях не взаимодействуют ни с концентрированными кислотами, ни со щелочами, ни даже с таким активным реагентом как перманганат калия.

Для них свойственны реакции замещения водородных атомов и расщепления.

В этих реакциях происходит гомолитическое расщепление кoвалентных связей, т. е. они осуществляются по свободно-радикальному (цепному) механизму.
Реакции вследствие прочности связей C–C и C–H протекают или при нагревании, или на свету, или с применением катализаторов.
Рассмотрим некоторые примеры реакций этого типа.

  1. Галогенирование. Это одна из характерных реакций предельных углеводородов. Наибольшее практическое значение имеют бромирование и хлорирование алканов.

  2. Нитрование. Несмотря на то, что в обычных условиях алканы не взаимодействуют с концентрированной азотной кислотой, при нагревании их до 140°С с разбавленной (10%-ной) азотной кислотой под давлением осуществляется реакция нитрования – замещение атома водорода нитрогруппой (реакция М.И.Коновалова). В подобную реакцию жидкофазного нитрования вступают все алканы, однако скорость реакции и выходы нитросоединений низкие. Наилучшие результаты наблюдаются с алканами, содержащими третичные углеродные атомы.

  3. Крекинг. При высокой температуре в присутствии катализаторов предельные углеводороды подвергаются расщеплению, которое называется крекингом. При крекинге происходит гомолитический разрыв углерод-углеродных связей с образованием насыщенных и ненасыщенных углеводородов с более короткими цепями.

     CH3–CH2–CH2–CH3(бутан) ––400°C> CH3–CH3(этан) + CH2=CH2(этилен) 
    Повышение температуры процесса ведет к более глубоким распадам углеводородов и, в частности, к дегидрированию, т.е. к отщеплению водорода. Так, метан при 1500ºС приводит к ацетилену.
      2CH4  ––1500°C>  H–C=C–H(ацетилен) + 3H2 

  4. Изомеризация. Под влиянием катализаторов при нагревании углеводороды нормального строения подвергаются изомеризации - перестройке углеродного скелета с образованием алканов разветвленного строения.  

    CH3–CH2–CH2–CH2–CH3(пентан)  ––t°,AlCl3>  CH3
    CH–CH2–CH3(2- метилбутан)
     I
    CH3
  5. Окисление. В обычных условиях алканы устойчивы к действию кислорода и окислителей. При поджигании на воздухе алканы горят, превращаясь в двуокись углерода и воду и выделяя большое количество тепла.
  6.   CH4 + 2O2  ––пламя>  CO2 + 2H2O
     C5H12 + 8O2  ––пламя>  5CO2 + 6H2

Нажмите, чтобы перейти на верх страницы Наверх


Получение

Важнейшим источником алканов в природе является природный газ, минеральное углеводородное сырье- нефть и сопутствующие ей нефтяные газы. Природный газ на 95 процентов состоит из метана. Такой же состав имеет болотный газ, образующийся в результате переработки бактериями (гниения) углеводов. Попутные нефтяные газы состоят в основном из этана, пропана, бутана и частично пентана. Их отделяют от нефти на специальных установках по подготовке нефти. При отсутствии газоконденсатных станций попутные нефтяные газы сжигают в факелах, что является крайне неразумной и разорительной практикой в нефтедобыче. Одновременно с газами нефть очищается от воды, грязи и песка, после чего поступает в трубу для транспортировки. Из нефти при ее разгонке (перегонке, дистилляции) отбирая последовательно все более и более высококипящие фракции получают:
бензины - т. кип. от 40 до 180 С, (содержит углеводороды С510), состоит более, чем из 100 индивидуальных соединений, нормальных и разветвленных алканов, циклоалканов, алкенов и ароматических углеводородов;
керосин
180-230 C, (С1112);
легкий газойль
(дизельное топливо) 230-305 С (С1317);
тяжелый газойль и легкий дистиллят смазочного масла 305-405 С (С1825);
смазочные масла 405-515 С (С2638).
Остаток после перегонки нефти называется асфальтом или битумом.

  1. Реакции гидрирования угля под давлением, гидрирования окиси или двуокиси углерода в присутствии катализаторов (железо, кобальт, никель) при повышенной температуре имеет важное самостоятельное значение для получения предельных углеводородов.
    n C + (n+1) H2  ––400°С,p>  CnH2n+2
    n CO + (2n+1) H2  ––200°С,Ni>  CnH2n+2+ n H2
    R–CH=CH–R' + H2 ––kat>  R–CH2–CH2–R'
      (циклопропан) + H2 ––Pd>  CH3 –CH2 –CH3(пропан) 

  2. Получение алканов можно осуществить реакцией Вюрца, заключающейся в действии металлического натрия на моногалогенопроизводные углеводородов.
      2CH3–CH2Br(бромистый этил) + 2Na ––> CH3–CH2–CH2–CH3(бутан) + 2NaBr 
    (i) Реакция Вюрца имеет смысл лишь для получения более крупных углеводородов из одного алкилгалогенида, поскольку в противном случае получается трудноразделимая в лабораторных условиях смесь алканов.

  3. Термическое декарбоксилирование солей карбоновых кислот в присутствии щелочей:
    CH3COONa + NaOH  ––>  CH4­ + Na2CO3  , или в общем виде
    R-COONa + NaOH ---> R-H + Na2CO3

  4. Электролиз солей карбоновых кислот (реакция Кольбе):
    2 СН3-СОО- - 2е ---> CH3-СН3 + 2 СO2, или
    2R-COO- -2е ---> R-R + 2 CO2

Нажмите, чтобы перейти на верх страницы Наверх

 

Применение

Первый в ряду алканов – метан – является основным компонентом природных и попутных газов и широко используется в качестве промышленного и бытового газа. Перерабатывается в промышленности в ацетилен, газовую сажу, фторо- и хлоропроизводные.
Низшие члены гомологического ряда используются для получения соответствующих непредельных соединений реакцией дегидрирования. Смесь пропана и бутана используется в качестве бытового топлива. Средние члены гомологического ряда применяются как растворители и моторные топлива.
Большое промышленное значение имеет окисление высших предельных углеводородов — парафинов с числом углеродных атомов 20-25. Этим путем получают синтетические жирные кислоты с различной длиной цепи, которые используются для производства мыл, различных моющих средств, смазочных материалов, лаков и эмалей.
Жидкие углеводороды используются как горючее (они входят в состав бензина и керосина). Алканы широко используются в органическом синтезе.

Нажмите, чтобы перейти на верх страницы Наверх