Почему предельные углеводороды такие неохотные до реакций
Алканы (предельные, насыщенные углеводороды, парафины) — углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны только одинарными связями, а все остальные валентности заняты водородом. Общая формула ряда — CnH2n+2.
Слово «предельный» означает, что углерод набрал предельно возможное число атомов водорода: присоединить больше нечего. Отсюда и латинское parum affinis — «малое сродство»: в обычных условиях алканы не реагируют почти ни с чем.
Каждый атом углерода в алкане находится в состоянии sp³-гибридизации: смешиваются одна s- и три p-орбитали, получаются четыре одинаковые гибридные орбитали, направленные к вершинам тетраэдра под углом 109°28′.
| Параметр | Значение | Что из этого следует |
|---|---|---|
| Гибридизация | sp³ | тетраэдр, свободное вращение |
| Валентный угол | 109°28′ | цепь зигзагообразная, а не прямая |
| Связь C–C | 0,154 нм, 348 кДж/моль | прочная, рвётся только при нагреве |
| Связь C–H | 0,109 нм, 413 кДж/моль | рвётся гомолитически, отсюда радикалы |
| Тип связей | только σ | нет π-связи — нечему присоединяться |
| Разность ЭО (C 2,5 / H 2,1) | 0,4 | связи почти неполярны |
Вся химия алканов вытекает из одного факта: в молекуле только σ-связи, и они малополярны. Ионным реагентам не за что зацепиться — нет ни заряженных центров, ни доступной π-плотности. Поэтому алканы не реагируют с кислотами, щелочами, KMnO4 и бромной водой, а вступают только в радикальные реакции, где связь рвут пополам.
Из-за угла 109°28′ углеродная цепь в пространстве изогнута. Вокруг каждой σ-связи C–C возможно свободное вращение, поэтому молекула непрерывно меняет форму. Разные пространственные формы одной молекулы называют конформациями; они легко переходят друг в друга и отдельными веществами не являются.
Для длинных молекул объёмная модель становится нечитаемой, поэтому дальше мы пользуемся обычной структурной формулой. Ниже — гексан во всех четырёх видах записи: включите разборы и посмотрите, как одна и та же молекула описывается по-разному.
Записи CH3–CH2–CH2–CH3 и «та же цепь, нарисованная уголком» — одно вещество, бутан. Изгиб на бумаге и повороты вокруг σ-связей нового изомера не создают.
Сравнение температур кипения изомеров спрашивают регулярно. Порядок для C5H12: н-пентан (36 °C) > 2-метилбутан (28 °C) > 2,2-диметилпропан (9,5 °C). Чем компактнее молекула — тем ниже температура кипения.