Строение и гомологический ряд алканов

Алканы открывают органическую химию не случайно: это самые простые по строению углеводороды. На них удобно разобрать то, что пригодится во всех следующих главах, — как устроен атом углерода в органической молекуле, что такое гомологический ряд и почему свойства вещества определяются его строением.

Слово «предельные» означает, что углерод в них насыщен водородом до предела: каждая из четырёх валентностей углерода, не занятая связью с соседним углеродом, занята водородом, и присоединить больше нечего. Старое название парафины происходит от латинского parum affinis — «малосродственный»: в обычных условиях алканы почти ни с чем не реагируют.

#Откуда формула C_nH_2n+2

В цепи из n атомов углерода каждый атом четырёхвалентен, всего у них 4n валентностей. На соединение атомов углерода между собой уходит n − 1 связь, и каждая занимает две валентности. Остаётся 4n − 2(n − 1) = 2n + 2 валентности — ровно столько атомов водорода и присоединяется.

Проверим на пропане: n = 3, водородов 2·3 + 2 = 8, формула C₃H₈. Структурная формула показывает то же самое: у крайних атомов углерода по три водорода, у среднего — два.

#Электронное строение: sp³-гибридизация

В молекуле алкана каждый атом углерода образует четыре одинарные связи. Для этого одна 2s-орбиталь и три 2p-орбитали атома углерода смешиваются — гибридизуются — и превращаются в четыре одинаковые sp³-гибридные орбитали. Они отталкиваются друг от друга и располагаются как можно дальше: направлены к вершинам правильного тетраэдра под углом 109°28′.

Каждая гибридная орбиталь перекрывается с орбиталью соседнего атома по линии, соединяющей ядра. Так образуется σ-связь (сигма-связь). В алканах все связи — σ-связи: C–H и C–C.

Обе связи прочные и почти неполярные. Отсюда главная черта химии алканов: разорвать такую связь трудно, а разорвать её так, чтобы электроны достались одному атому, почти невозможно. Поэтому алканы реагируют неохотно и в основном по радикальному механизму — мы вернёмся к этому в § 2.3.

#Почему цепь — зигзаг

Тетраэдрический угол сохраняется и в длинных молекулах. Поэтому углеродная цепь алкана не прямая, а зигзагообразная: каждое звено отклоняется на 109°28′. Структурные формулы, записанные в строку, — лишь условность, удобная для бумаги.

#Гомологический ряд

Если выстроить алканы по числу атомов углерода, каждый следующий отличается от предыдущего на группу CH₂. Такой ряд называют гомологическим, его членов — гомологами, а группу CH₂ — гомологической разностью. Гомологи сходны по строению и химическим свойствам, а их физические свойства закономерно меняются с ростом молекулы.

Названия первых четырёх алканов исторические, их нужно запомнить. Начиная с пятого, в основе названия — греческое числительное: пента (5), гекса (6), гепта (7), окта (8), нона (9), дека (10). Суффикс -ан у всех алканов общий.

#Физические свойства

Молекулы алканов неполярны и притягиваются друг к другу только слабыми межмолекулярными силами. Отсюда все их физические свойства:

• Агрегатное состояние. При обычных условиях C₁–C₄ — газы, C₅–C₁₅ — жидкости, начиная с C₁₆ — твёрдые вещества.
• Температуры кипения и плавления растут с числом атомов углерода: чем больше молекула, тем сильнее межмолекулярное притяжение.
• Разветвлённые изомеры кипят ниже неразветвлённых: молекула компактнее, площадь контакта с соседями меньше.
• В воде алканы практически не растворяются (вода полярна, алканы нет), зато хорошо растворяются в органических растворителях и сами служат растворителями — гексан, петролейный эфир.
• Легче воды: плотность жидких алканов меньше 1 г/см³, поэтому бензин и масла растекаются по поверхности воды.
• Метан — газ без цвета и запаха. Запах бытовому газу придают специально, добавляя сернистые соединения (одоранты), чтобы утечку можно было заметить.