Алканы

Общая формула представителей гомологического ряда алканов — СnН2n+2. Алканы также называют предельными или насыщенными углеводородами, поскольку все атомы углерода в них связаны одинарными связями, а оставшиеся валентности атомов углерода до предела насыщены атомами водорода.

Родоначальником гомологического ряда алканов является метан — СН4. Все последующие члены ряда отличаются от него на ,'группу -СН2-.

Так, следующий член ряда имеет формулу С2Н6 (этан). Для первых четырех членов гомологического ряда алканов используются исторически сложившиеся названия (их употребление зафиксировано правилами ИЮПАК) — метан, этан, пропан и бутан. Начиная с пятого члена ряда и далее используются названия, корень которых производится от греческого или латинского названия соответствующего числительного с суффиксом -ан. Так, пятый член ряда алканов имеет название пентан.

Атомы углерода, как уже было сказано, могут соединяться не только в линейную цепь, но и в разветвленную. В ряду алканов появление разветвления возможно начиная с бутана. Он может иметь два структурных изомера — бутан и изобутан (он же 2-метилпропан по номенклатуре ИЮПАК):

С увеличением количества углеродных атомов разветвления в цепи становятся многообразнее и количество изомеров возрастает. В молекулах неразветвленных (линейных) алканов присутствуют только первичные (на концах цепи) и вторичные (внутри цепи) атомы углерода. В разветвленных алканах имеются также третичные и четвертичные атомы углерода.

При мысленном отрыве от молекулы алкана атома водорода получаются углеводородные радикалы. Их название строится так же, как и для соответствующего алкана, но используется не суффикс -ан, а суффикс -ил. Соответственно, такие радикалы еще носят названия алкильных. Так, метану соответствует радикал метил (CH3-). В общем виде алкильные радикалы обычно обозначают символом R-. Как вы помните, понятие радикала (заместителя) и его название используются при построении названий соединений в ИЮПАК (2-метилпропан). Однако термин радикал (обычно в словосочетании свободный радикал) используется также для обозначения реально существующих частиц, участвующих в радикальных реакциях. Эти понятия ни в коем случае не следует путать! Очевидно, что начиная с пропана одному углеводороду могут соответствовать различные радикалы, то есть они тоже могут иметь изомеры. Так, для пропана:

Строение

Молекула простейшего алкана — метана — имеет форму правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах — атомы водорода. Углы между осями связей С—Н составляют 109°28' 

Химические свойства

Реакции радикального замещения

В качестве примера рассмотрим взаимодействие алканов с галогенами. Фтор реагирует очень энергично (как правило, со взрывом) — при этом рвутся все С—Н и С—С связи, и в результате образуются соединения CF4 и HF. Практического значения реакция не имеет. Иод с алканами не взаимодействует. Реакции с хлором или бромом идут либо при освещении, либо при сильном нагревании; при этом происходит образование от моно- до полигалогензамещенных алканов, например:

СН3—СН3+Сl2 ®hvСН3—СН2—Сl+НСl

Образование галогенопроизводных метана протекает по цепному свободнорадикальному механизму. Под действием света молекулы хлора распадаются на неорганические радикалы:

Сl2«2Сl.

Неорганический радикал Сl. отрывает от молекулы метана атом водорода с одним электроном, образуя НС1 и свободный радикал СН3

Свободный радикал взаимодействует с молекулой хлора Сl2, образуя галогенопроизводное и радикал хлора.

Реакция окисления начинается с отрыва атома водорода молекулой кислорода (которая представляет собой бирадикал) и далее идет как разветвленная цепная реакция. Количество радикалов в ходе реакции увеличивается. Процесс сопровождается

выделением большого количества теплоты, рвутся уже не только С—Н, но и С—С связи, так что в результате образуется оксид углерода (IV) и вода. Реакция может протекать как горение или при-водит к взрыву.

2СnН2n+2+(3n+1)О2 ®2nСO2+(2n+2)Н2O

При обычной температуре реакция окисления не идет; ее можно инициировать либо поджиганием, либо действием электрического разряда.

При сильном нагревании (свыше 1000°С) алканы полностью разлагаются на углерод и водород. Эта реакция называется пиролизом.

СН4®1200°С+2Н2

При мягком окислении алканов, в частности метана, кислородом воздуха в присутствии различных катализаторов могут быть получены метиловый спирт, формальдегид, муравьиная кислота.

Если метан пропускать через нагретую зону очень быстро, а затем сразу охлаждать водой, то в результате образуется ацетилен.