Главная / Теория / Органическая химия / Алканы

Алканы (предельные углеводороды, парафины)

1. Определение и общая формула

Определение

Алканы — предельные (насыщенные) углеводороды, в молекулах которых все атомы углерода связаны друг с другом только одинарными связями C-C и содержат максимально возможное количество атомов водорода.

Общая формула алканов: $C_nH_{2n+2}$, где $n \geq 1$

Важно

Алканы относятся к классу насыщенных углеводородов, поэтому они не вступают в реакции присоединения. Для них характерны реакции замещения, разложения и окисления.

2. Гомологический ряд алканов

Все алканы — вещества, сходные по физическим и химическим свойствам и отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп $-CH_2-$ (гомологическую разность). Такие вещества называются гомологами.

Формула Название Радикал Название радикала T кип., °C Агрег. сост.
$CH_4$Метан$-CH_3$Метил-161,5Газ
$C_2H_6$Этан$-C_2H_5$Этил-88,6Газ
$C_3H_8$Пропан$-C_3H_7$Пропил-42,1Газ
$C_4H_{10}$Бутан$-C_4H_9$Бутил-0,5Газ
$C_5H_{12}$Пентан$-C_5H_{11}$Пентил (амил)36,1Жидкость
$C_6H_{14}$Гексан$-C_6H_{13}$Гексил68,7Жидкость
$C_7H_{16}$Гептан$-C_7H_{15}$Гептил98,4Жидкость
$C_8H_{18}$Октан$-C_8H_{17}$Октил125,7Жидкость
$C_9H_{20}$Нонан$-C_9H_{19}$Нонил150,8Жидкость
$C_{10}H_{22}$Декан$-C_{10}H_{21}$Децил174,1Жидкость

Важно

$C_1-C_4$ — газы, $C_5-C_{17}$ — жидкости, начиная с $C_{18}$ — твёрдые вещества. Все алканы легче воды, не растворимы в воде и не смешиваются с ней.

3. Строение алканов

В молекулах алканов встречаются два типа химических связей:

  • Связь C-H — ковалентная слабополярная
  • Связь C-C — ковалентная неполярная

Все связи в алканах — одинарные $\sigma$-связи.

Гибридизация

Атомы углерода в алканах находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Четыре $sp^3$-гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра под углом 109°28' друг к другу.

$sp^3$-гибридизация:   4 $\sigma$-связи   |   Угол 109,5°   |   Тетраэдрическая форма
sp3-гибридизация в метане: четыре орбитали направлены к вершинам тетраэдра под углом 109,5°

$sp^3$-гибридизация в метане ($CH_4$): тетраэдрическое расположение орбиталей

В молекуле метана $CH_4$ атомы водорода расположены в вершинах тетраэдра, в центре которого находится атом углерода. Молекулам линейных алканов с большим числом атомов углерода соответствует зигзагообразное расположение атомов C.

4. Номенклатура алканов (IUPAC)

Для названия разветвлённых алканов по систематической номенклатуре IUPAC используется следующий алгоритм:

1
Найти главную цепь
Выбрать самую длинную непрерывную цепь атомов углерода. Если таких цепей несколько, выбирают ту, которая имеет наибольшее число заместителей (ответвлений).
2
Пронумеровать атомы главной цепи
Нумерацию начинают с того конца, к которому ближе расположен заместитель (ответвление). Если заместители равноудалены, нумеруют с того конца, где их больше.
3
Назвать заместители
Заместители (углеводородные радикалы) называют, заменяя суффикс -ан на суффикс -ил: метан -> метил, этан -> этил, пропан -> пропил и т.д.
4
Составить название
Название составляется так: цифры-заместители + название главной цепи. Заместители перечисляют в алфавитном порядке. Одинаковые заместители объединяют приставками ди-, три-, тетра-.

Примеры номенклатуры

Пример 1

$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

Главная цепь: 4 атома C (бутан). Заместитель: метил у C-2.

Название: 2-метилбутан

Пример 2

$CH_3-C(CH_3)_2-CH_2-CH_3$

Главная цепь: 4 атома C (бутан). Два метила у C-2.

Название: 2,2-диметилбутан

Пример 3

$CH_3-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

Главная цепь: 5 атомов C (пентан). Метилы у C-2 и C-3.

Название: 2,3-диметилпентан

Пример 4

$CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

Главная цепь: 6 атомов C (гексан). Два метильных заместителя у C-3 и C-4.

Название: 3,4-диметилгексан

5. Изомерия алканов

5.1. Структурная изомерия (изомерия углеродного скелета)

Для алканов характерна изомерия углеродного скелета — изомеры отличаются строением углеродной цепи (линейная или разветвлённая).

Важно

Структурная изомерия появляется начиная с бутана ($C_4H_{10}$). Метан, этан и пропан изомеров не имеют.

Пример: формуле $C_4H_{10}$ соответствуют два изомера:

н-Бутан

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$

Линейная цепь, T кип. = -0,5 °C

Изобутан (2-метилпропан)

$CH_3-CH(CH_3)-CH_3$

Разветвлённая цепь, T кип. = -11,4 °C

Для формулы $C_5H_{12}$ существует три изомера:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$   (пентан)
$CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$   (2-метилбутан)
$C(CH_3)_4$   (2,2-диметилпропан / неопентан)

С увеличением числа атомов C количество изомеров быстро возрастает:

Формула $C_4H_{10}$ $C_5H_{12}$ $C_6H_{14}$ $C_7H_{16}$ $C_8H_{18}$ $C_{10}H_{22}$
Число изомеров 2 3 5 9 18 75

5.2. Оптическая изомерия

Если атом углерода в молекуле алкана связан с четырьмя различными заместителями (асимметрический атом C), возможно существование двух оптических изомеров — молекул, которые соотносятся как предмет и его зеркальное изображение.

Внимание

Для алканов не характерна изомерия положения кратной связи (нет кратных связей), геометрическая (цис-транс) изомерия, а также межклассовая изомерия (с циклоалканами — только начиная с $C_3H_6$, но циклоалканы имеют формулу $C_nH_{2n}$, отличную от алканов).

6. Физические свойства алканов

  • $C_1-C_4$ — газы без цвета и запаха (метан, этан, пропан, бутан)
  • $C_5-C_{17}$ — жидкости
  • $C_{18}$ и выше — твёрдые вещества
  • Нерастворимы в воде, растворимы в органических растворителях
  • Легче воды (плотность меньше 1 г/мл)
  • С ростом молекулярной массы температуры кипения и плавления возрастают
  • Разветвлённые изомеры имеют более низкие температуры кипения, чем линейные

Важно

Алканы устойчивы к действию сильных окислителей ($KMnO_4$, $K_2Cr_2O_7$ и др.), не реагируют с концентрированными кислотами, щелочами, бромной водой.

7. Химические свойства алканов

Алканы — предельные углеводороды, поэтому для них характерны реакции:

Замещение

Радикальный механизм ($S_R$). Галогенирование, нитрование.

Разложение

Дегидрирование, крекинг, пиролиз метана.

Окисление

Горение, каталитическое окисление.

7.1. Реакции замещения

Разрыв слабополярных связей C-H протекает по гомолитическому (радикальному) механизму с образованием свободных радикалов.

Галогенирование

Алканы реагируют с хлором и бромом на свету (hv) или при нагревании.

Хлорирование метана (последовательное замещение):

$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl + HCl$   (хлорметан)
$CH_3Cl + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_2Cl_2 + HCl$   (дихлорметан)
$CH_2Cl_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CHCl_3 + HCl$   (трихлорметан / хлороформ)
$CHCl_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CCl_4 + HCl$   (тетрахлорметан)

Важно

Бромирование протекает более медленно и избирательно. Порядок легкости замещения водорода:
$C_{третичный}-H > C_{вторичный}-H > C_{первичный}-H$

Механизм радикального замещения ($S_R$)

Стадия 1. Инициирование (зарождение) цепи

Под действием света или при нагревании молекула галогена распадается на два радикала:

$Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2Cl\cdot$

Стадия 2. Развитие (рост) цепи

Радикал хлора отрывает атом H от молекулы алкана, образуя алкильный радикал, который далее реагирует с молекулой $Cl_2$:

$CH_4 + Cl\cdot \to CH_3\cdot + HCl$
$CH_3\cdot + Cl_2 \to CH_3Cl + Cl\cdot$

Стадия 3. Обрыв цепи

Два радикала сталкиваются и образуют молекулу:

$CH_3\cdot + Cl\cdot \to CH_3Cl$
$CH_3\cdot + CH_3\cdot \to C_2H_6$

Нитрование (реакция Коновалова)

Алканы взаимодействуют с разбавленной $HNO_3$ при нагревании до 140 °C и под давлением. Атом H замещается на нитрогруппу $-NO_2$:

$CH_4 + HNO_3 \xrightarrow{140°C, p} CH_3NO_2 + H_2O$   (нитрометан)

Избирательность: $C_{третичный}-H > C_{вторичный}-H > C_{первичный}-H$

7.2. Реакции разложения

Дегидрирование

Отщепление атомов водорода при нагревании в присутствии катализатора (Ni, Pt, Pd, $Cr_2O_3$).

$C_2H_6 \xrightarrow{Ni, t} CH_2=CH_2 + H_2$   (этан -> этилен)
$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{Cr_2O_3, t} CH_2=CH-CH=CH_2 + 2H_2$   (бутан -> бутадиен-1,3)

Дегидроциклизация

Алканы с 5 и более атомами C в главной цепи при дегидрировании образуют циклические соединения:

$CH_3(CH_2)_4CH_3 \xrightarrow{Pt, t} \text{циклогексан} \xrightarrow{Cr_2O_3, t} C_6H_6 + 3H_2$   (гексан -> бензол)
$CH_3(CH_2)_5CH_3 \xrightarrow{Cr_2O_3, t} C_6H_5CH_3 + 4H_2$   (гептан -> толуол)

Пиролиз метана

При медленном нагревании до 1500 °C метан разлагается до простых веществ:

$CH_4 \xrightarrow{1500°C} C + 2H_2$

При быстром нагревании (~ 0,01 с) происходит межмолекулярное дегидрирование с образованием ацетилена:

$2CH_4 \xrightarrow{1500°C, быстро} CH \equiv CH + 3H_2$

Крекинг

Определение

Крекинг — реакция разложения алкана с длинной углеродной цепью на алкан + алкен с более короткой цепью.

$C_{10}H_{22} \xrightarrow{t} C_5H_{12} + C_5H_{10}$   (декан -> пентан + пентен)

Термический крекинг

Сильное нагревание без доступа воздуха. Образуется смесь алканов и алкенов различной длины.

Каталитический крекинг

Более низкая температура + катализатор (цеолиты). Сопровождается изомеризацией и дегидрированием.

7.3. Реакции окисления

Горение (полное окисление)

Алканы горят с образованием $CO_2$ и $H_2O$ с выделением большого количества теплоты:

$CH_4 + 2O_2 \to CO_2 + 2H_2O + Q$
В общем виде: $C_nH_{2n+2} + \frac{3n+1}{2}O_2 \to nCO_2 + (n+1)H_2O$

Важно

При горении в недостатке кислорода может образоваться угарный газ $CO$ или сажа $C$:
$2C_3H_8 + 7O_2 \to 6CO + 8H_2O$
$CH_4 + O_2 \to C + 2H_2O$

Каталитическое окисление

$2C_4H_{10} + 5O_2 \xrightarrow{кат., t} 4CH_3COOH + 2H_2O$   (бутан -> уксусная кислота)
$CH_4 + O_2 \xrightarrow{кат., t} HCHO + H_2O$   (метан -> формальдегид)
$2CH_4 + O_2 \xrightarrow{кат., t} 2CH_3OH$   (метан -> метанол)

Паровая конверсия метана

Окисление метана водяным паром при высокой температуре, продукт — синтез-газ:

$CH_4 + H_2O \xrightarrow{Ni, 800°C} CO + 3H_2$   (синтез-газ)

7.4. Изомеризация

Под действием катализатора ($AlCl_3$) и при нагревании неразветвлённые алканы (от $C_4$) превращаются в разветвлённые:

$CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \xrightarrow{AlCl_3, t} CH_3-CH(CH_3)-CH_3$   (бутан -> изобутан)

8. Способы получения алканов

⛽
Из природных источников Промышленный
  • Из нефти (ректификация, крекинг)
  • Из природного и попутного газа
  • Из каменного угля
1
Реакция Вюрца Именная

Взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием. Происходит удвоение углеродного скелета:

$2C_2H_5Cl + 2Na \to C_4H_{10} + 2NaCl$

Реакция подходит для получения симметричных алканов.

2
Гидролиз карбида алюминия Лабораторный

Получение метана:

$Al_4C_3 + 12H_2O \to 4Al(OH)_3 + 3CH_4\uparrow$
$Al_4C_3 + 12HCl \to 4AlCl_3 + 3CH_4\uparrow$
3
Реакция Дюма (декарбоксилирование) Именная

Сплавление солей карбоновых кислот со щелочами:

$CH_3COONa + NaOH \xrightarrow{сплавл.} CH_4\uparrow + Na_2CO_3$

В общем виде: $R-COONa + NaOH \to R-H + Na_2CO_3$

4
Электролиз по Кольбе Именная

Электролиз водных растворов солей карбоновых кислот:

$2CH_3COONa + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} C_2H_6\uparrow + 2CO_2\uparrow + H_2\uparrow + 2NaOH$
5
Гидрирование непредельных углеводородов

Присоединение водорода к алкенам, алкинам, циклоалканам:

$CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{Ni, t} C_2H_6$   (этилен -> этан)
$CH \equiv CH + 2H_2 \xrightarrow{Ni, t} C_2H_6$   (ацетилен -> этан)
6
Синтез Фишера-Тропша Промышленный

Из синтез-газа:

$nCO + (2n+1)H_2 \xrightarrow{кат., t, p} C_nH_{2n+2} + nH_2O$
7
Газификация угля Промышленный

Получение метана из углерода и водорода:

$C + 2H_2 \xrightarrow{кат., t, p} CH_4$

Практические задания

Задача 1. Номенклатура

Решение

Назовите по систематической номенклатуре (IUPAC) следующий алкан: $CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$

Решение:

  1. Находим самую длинную цепь: 6 атомов C (гексан)
  2. Нумеруем с любого конца (симметрично): C-1, C-2, C-3 (метил), C-4 (метил), C-5, C-6
  3. Заместители: два метила у C-3 и C-4
Ответ: 3,4-диметилгексан

Задача 2. Изомеры $C_5H_{12}$

Решение

Напишите структурные формулы всех изомеров состава $C_5H_{12}$ и дайте им названия.

Решение:

1) $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$   -- пентан
2) $CH_3-CH(CH_3)-CH_2-CH_3$   -- 2-метилбутан (изопентан)
3) $C(CH_3)_4$   -- 2,2-диметилпропан (неопентан)

Всего 3 изомера.

Задача 3. Хлорирование пропана

Решение

Запишите уравнение реакции монохлорирования пропана. Какой основной продукт образуется при бромировании?

Решение:

При хлорировании пропана образуется смесь 1-хлорпропана и 2-хлорпропана:

$CH_3-CH_2-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3-CHCl-CH_3 + HCl$   (2-хлорпропан, преобладает)
$CH_3-CH_2-CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_2Cl-CH_2-CH_3 + HCl$   (1-хлорпропан)

При бромировании реакция протекает избирательно, основной продукт — 2-бромпропан (замещение у вторичного атома C).

Задача 4. Реакция Вюрца

Решение

Какой алкан образуется при действии натрия на 1-хлорпропан? Запишите уравнение реакции.

Решение:

Реакция Вюрца — удвоение углеродного скелета:

$2CH_3CH_2CH_2Cl + 2Na \to CH_3CH_2CH_2-CH_2CH_2CH_3 + 2NaCl$

Образуется гексан ($C_6H_{14}$).

Задача 5. Горение алкана

Решение

Запишите уравнение реакции полного сгорания пропана. Вычислите объем кислорода (н.у.), необходимый для сжигания 11,2 л пропана.

Решение:

$C_3H_8 + 5O_2 \to 3CO_2 + 4H_2O$

По уравнению: на 1 моль пропана нужно 5 моль $O_2$.

$V(C_3H_8)$ = 11,2 л = 0,5 моль (при н.у.)

$n(O_2) = 5 \times 0,5 = 2,5$ моль

$V(O_2) = 2,5 \times 22,4 = 56$ л

Ответ: $V(O_2)$ = 56 л

Задача 6. Цепочка превращений

Решение

Осуществите цепочку превращений: $Al_4C_3 \to CH_4 \to CH_3Cl \to C_2H_6$

Решение:

1) Гидролиз карбида алюминия:

$Al_4C_3 + 12H_2O \to 4Al(OH)_3 + 3CH_4$

2) Хлорирование метана:

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

3) Реакция Вюрца:

$2CH_3Cl + 2Na \to C_2H_6 + 2NaCl$
Задания ЕГЭ по теме
Задание 10. Классы органических Тест → Задание 11. Теория строения Тест → Задание 12. Химические реакции Тест → Задание 14. Свойства углеводородов Тест → Задание 32. Цепочка (5 реакций) Самопроверка