НАСИЧЕНІ ВУГЛЕВОДНІ (АЛКАНИ)

Алкани є найпростішими вуглеводнями. Всі атоми Карбону в молекулах алканів сполучені один з одним простими, одинарними зв`язками. Алкани називають також парафінами, насиченими вуглеводнями.

ГОМОЛОГІЧНИЙ РЯД АЛКАНІВ

Метан. Найпростіший алкан – метан СН₄, молекула якого складається з одного атома Карбону і чотирьох ато­мів Гідрогену.

Як уже зазначалось, атом Карбону, що утворює чотири ковалентних зв`язки, знаходиться у збудженому стані (1s<sup>2</sup>2s<sup>1</sup>2р<sup>3</sup>). В утворенні чотирьох ковалентних зв`язків беруть участь одна s- і три р-орбіталі (р_х, р_у, р_z) зовнішнього енергетичного рівня одного атома Карбону. Всі чотири ковалентних зв`язки, які утворює Карбон у молекулі СН<sub>4</sub>, рівноцінні: мають однакову довжину, енергію зв`язку та інші властивості.

Рівноцінність хімічних зв`язків у метані можна поясни­ти, використовуючи поняття про гібридизацію ор­біталей. Гібридизацією називається зміна форми і енергії різних орбіталей одного атома, яка приводить до утворення однакових (гібридизованих) орбіталей.

Наприклад, при утворенні молекули метану гібридиза­ції зазнають орбіталі атома Карбону: одна s- і три р-орбіталі. Вид і число орбіталей, які беруть участь у гібридизації, визначають її тип. Так, у метані виявляється sр³-гібриди­зація. Рис.1 показує, як з однієї s- і трьох р-орбіталей утворюється чотири однакові гібридизовані sр³-орбіталі. У просторі ці орбіталі розміщені одна відносно одної під однаковими кутами і напрямлені до вершин тетраедра.

Під час утворення молекули метану СН₄, sр³-гібридизо­вані орбіталі атома Карбону перекриваються з s-орбіталями атомів Гідрогену, що зображено на рис.2. Гібридизова­ні орбіталі атома Карбону напрямлені до вершин уявного тетраедра, що пояснює тетраедричну форму молекули метану.

Будову молекули метану можна зобразити також за до­помогою кулестержневої моделі, показаної на рис.3, а. У цій моделі атоми умовно позначаються кулями, а хімічні зв`язки – стержнями, що сполучають кулі,

Гомологи метану. Крім метану всі інші вуглеводні, що належать до алканів, містять у складі молекули два, три і більше вуглецевих атомів:

СН₄ — метан С₈Н₁₈ — октан

С₂Н₆ — етан С₉Н₂₀ — нонан

С₃Н₈ — пропан С₁₀Н₂₂ — декан

С₄Н₁₀ —бутан С₁₁Н₂₄ — ундекан

С₅Н₁₂ — пентан ……………………….

С₆Н₁₄ — гексан С₂₀Н₄₂ — ейкозан

С₇Н₁₆ — гептан ……………………….

Як видно з наведених формул, кожний наступний член цього ряду можна одержати, додаючи до формули попе­реднього члена групу СН₂. Група СН₂ називається гомо­логічною різницею. Речовини, подібні за хіміч­ними властивостями, склад яких відрізняється на ціле число груп СН₂, називаються гомологами. Сукуп­ність гомологів складає гомологічний ряд.

Склад молекул усіх алканів відповідає загальній формулі С_nН_2n+2, де
n =1, 2, 3, 4… Отже, алкани – це вуглеводні, склад молекул яких відповідає загальній формулі С_nН_2n+2.

Будова молекул алканів, згідно з сучасними елетронними уявленнями про хімічний зв`язок, пояснюється так. У молекулах усіх алканів орбіталі атомів Карбону пере­бувають у стані sр<sup>3</sup>-гібридизації і напрямлені до вершин уявного тетраедра з їх центрів. Молекулу етану можна уявити як два тетраедри, сполучені вершинами. Кулестержнева модель молекули етану показана на рис.3, б. При такому сполученні групи СН<sub>3</sub> можуть обертатися відносно зв`язку Карбон – Карбон, утворюючи різні гео­метричні форми – конформації.

Будову молекул решти алканів можна уявити як сполу­чення великої кількості тетраедрів. При цьому за рахунок вільного обертання груп навколо зв`язку С – С можливе утворення різних конформацій. На рис.4 показано дві з можливих конформацій бутану.

Ізомерія. Для алканів характерна структурна ізо­мерія, яка зумовлена мож­ливістю розгалуження вуг­лецевого ланцюга молекули. Вуглеводень з прямим, нерозгалуженим ланцюгом на­зивається нормальним ізомером. У алканах з розгалуженим, ланцюгом замісники (бічні ланцюги) можуть займати різне положення відносно головного ланцюга. Речовини, що мають однаковий склад, але різ­няться будовою вуглецевого ланцюга, називаються структурними ізомерами.

Першим членом гомологічного ряду алканів, який має ізомери, є бутан С₄Н₁₀. В одному з ізомерів С₄Н₁₀ всі атоми Карбону витягнуті в один ланцюг, у молекулі іншого ізомера головний вуглеводневий ланцюг складається з трьох атомів, а четвертий атом Карбону сполучений з се­реднім атомом ланцюга:

СН₃–СН₂–СН₂–СН₃,

Нормальний бутан

Ізобутан

Ізомери бутану різняться властивостями. Так, темпера­тура кипіння нормального бутану становить –0,5°С, а ізобутан кипить при температурі –11,7°С.

У іншого представника ряду алканів – гексану С₆Н₁₄ існує п`ять структурних ізомерів. Один з них н-гексан (нормальний гексан, буква н означає "нормальний") має прямий, нерозгалужений ланцюг, що складається з шести атомів Карбону, у двох ізомерів головний ланцюг містить п`ять атомів Карбону і, нарешті, можливі ще два ізомери, які мають у головному ланцюгу по чотири атоми Карбону:

Як можна бачити із структурних формул ізомерів, ато­ми Карбону можуть бути сполучені з різною кількістю інших атомів Карбону: одним, двома, трьома та чотирма. Залежно від цього розрізняють первинні (perv.), вторинні (vtor.), третинні (tret.) та четвертинні (chetv.) карбонові атоми.

Число ізомерів у алканів може бути різним. Воно зро­стає в міру збільшення числа атомів Карбону в молекулі алкану. Так, бутан має 2 ізомери, пентан – 3, гексан – 5, гептан – 9, октан – 18, нонан – 35, декан – 75 і т. Д. Ейкозан С₂₀Н₄₂ має вже 366319 ізомерів.

Вуглеводневі радикали. Якщо від молекули вуглеводню відщепити один або кілька атомів водню, то утвориться вуглеводневий радикал. Назви радикалів утво­рюють від назв відповідних алканів з заміною закінчення -ан на -ил
(-іл). Приклади вуглеводневих радикалів:

СН₃– С₂Н₅– СН₃–СН₂–СН₂– СН₃–СН₂–СН₂–СН₂–

Метил Етил н–Пропил н–Бутил

Ізопропил Ізобутил втор–Бутил трет–Бутил

Ізопентил Неопентил

Як загальна назва вуглеводневих радикалів прийнятий термін "алкіл", їх позначають буквою R .

Номенклатура. Хімічна номенклатура — це система формул і назв хімічних речовин. Вона охоплює правила складання формул і назв. Для органічної хімії найбільш зручною є замісникова номенклатура, яка рекомендована ІUРАС (Міжнародна спілка теоретичної і прикладної хімії).

Для того щоб дати розгалуженому вуглеводню назву згідно з цією номенклатурою, необхідно виконувати такі правила.

Вибирають найдовший (головний) ланцюг атомів вуглецю в молекулі, нумерують атоми вуглецю в головному вуглеводневому ланцюгу, починаючи з того кінця, до якого ближче роз­міщені розгалуження (приклад а). Якщо замісники зна­ходяться на рівних віддалях від кінця ланцюга, то нумера­цію починають з більш розгалуженого кінця (приклад b). Якщо розгалуженість головного ланцюга однакова, то нумерацію починають з того кінця, до якого ближче знахо­диться радикал, назва якого стоїть раніше в алфавітному порядку (приклад c). Приклади:

За основу (корінь) назви розгалуженого вуглеводню беруть назву вуглеводню, що відповідає головному (про­нумерованому) ланцюгу. Наприклад, якщо головний лан­цюг містить 4 атоми Карбону, коренем буде "бутан", 9 ато­мів Карбону – корінь "нонан".

Назва розгалуженого вуглеводню будується в такій послідовності: спочатку зазначається цифра, що озна­чає номер атома Карбону в головному ланцюгу, у якого є розгалуження (бічний ланцюг), потім назва радикала у бічному ланцюгу і назва найголовнішого ланцюга (корінь).

Якщо вуглеводень містить кілька однакових радика­лів, то в його назві перелічуються цифри, що вказують їх положення, а число цих радикалів зазначається число­вим префіксом: ди- (два), три- (три), тетра- (чотири), пента- (п`ять).

Різні за будовою радикали перелічують в алфавітному дорядку (за першою буквою в їх назві). Приклади:

2-метилпентан

4-етил-2,3-диметилгексан

Для багатьох органічних речовин, у тому числі і для деяких алканів, зберігаються тривіальні назви, тобто назви, що склалися історично. Наприклад,
2-метилпропан має тривіальну назву ізобутан.

ВЛАСТИВОСТІ, ДОБУВАННЯ 1 ЗАСТОСУВАННЯ АЛКАН1В

Властивості. За звичайних умов метан, етан, пропан, ізомерні бутан і неопентан – безбарвні гази. Нормальні алкани, починаючи з вуглеводню С₁₇Н₃₆ (температура плавлення 22,5°С), за звичайних умов є твердими речови­нами.

Усі алкани дуже мало розчинні у воді.

У хімічному відношенні алкани – інертні речовини, що визначається міцністю зв`язків Карбон – Карбон і Карбон – Гідроген. Крім того, ці зв`язки малополярні, тому для алканів будуть характерні реакції, що відбуваються з гемолітичним розривом зв`язків.

Реакції з участю алканів, як правило, ініціюються (викликаються) високою температурою, електромагнітним випромінюванням, прискорюються каталізаторами. Для алканів характерні такі реакції.

1. Галогенування (заміщення водню на гало­ген). Алкани можуть реагувати з хлором, бромом, якщо реакція ініціюється світлом.

Розглянемо як приклад хлорування метану. На світлі відбувається гемолітичний розрив молекул хлору з утво­ренням радикалів Сl·, і далі реакція відбувається за ланцюговим механізмом:

Сl₂® 2Сl·

СН₄ + Сl·®·СН₃ + НСl

·СН₃ + Сl₂® СН₃Сl + Сl· і т. Д.

Продуктами реакції можуть бути СН₃Сl (метилхлорид, або хлорметан), СН₂Сl₂ (метиленхлорид, або дихлорметан), СНСl₃ (хлороформ) і ССl₄ (тетра-хлорид Карбону, або чотирихлористий вуглець). Кожний з названих про­дуктів можна виділити.

2. Нітрування (заміщення водню на нітрогрупу). Алкани вступають у реакцію з азотною кислотою при нагріванні, наприклад:

СН₄ + НNО₃® СН₃NО₂ + Н₂О.

Ці реакції відкриті російським хіміком М.І.Коноваловим і дістали назву реакції Коновалова. Нітрування можна здійснювати не тільки азотною кисло­тою а й оксидами азоту (IV) NО₂ або N₂О₄.

Реакції заміщення атомів Гідрогена на атоми галогенів, нітро-групу найлегше відбуваються біля третинного атому Карбону, що пояснюється найбільшою стійкістю третинних радикалів. Наприклад:

3. Окислення. Алкани згоряють на повітрі з виді­ленням великої кількості теплоти:

СН₄ + 2О₂® СО₂ + 2Н₂О; С₃Н₈ + 5О₂® 3СО₂ + 4Н₂О.

На реакціях горіння алканів грунтується їх застосуван­ня як палива.

При невеликих температурах і наявності каталізаторів алкани можна окислити до органічних кислот.

4. Взаємодія з водяною парою. Важливе практичне значення має реакція метану з водою при високій температурі (800°С) – конверсія метану з водя­ною парою:

СН₄ + Н₂О ® СО + 3Н₂.

Реакція відбувається при наявності каталізатора, її продуктом є синтез-газ – суміш оксиду Карбону (II) з воднем. Синтез-газ широко використовується в органіч­ному синтезі.

5. Крекінг. Розщеплення молекул органічних спо­лук з розривом зв`язків Карбон – Карбон під дією висо­ких температур називається крекінгом. Під час крекінгу алканів утворюються алкани з меншим числом атомів вуглецю і ненасичені сполуки (іноді водень), наприклад:

С₄Н₁₀® СН₄ + С₃Н₆ або С₄Н₁₀® С₂Н₆ + С₂Н₄.

Добування. Промислові способи добування алканів грунтуються на виділенні їх з природних речовин, пере­важно нафти і природного газу.

Головною складовою частиною горючих природних газів і рудникового газу, який накопичується під землею (в шахтах, рудниках), є метан; його об`ємна частка може встановити до 98 %. З природних газів можна виділити також етан, пропан, бутан, ізобутан. Ці і більш тяжкі вуглеводні виділяють з нафти.

Метан та інші алкани утворюються під дією водню на вугілля при високій температурі:

С + 2Н₂®СН₄.

Такі реакції здійснюють на практиці при гідруванні вугілля (приєднання водню).

Суміш алканів можна добути при нагріванні суміші оксиду Карбону (II) з воднем над каталізатором:

nСО + (2n+1)Н₂® С_nН_2n+2 + nН₂О.

У лабораторних умовах метан можна добути, викорис­товуючи такі реакції:

– розкладання карбіду алюмінію водою:

Аl₄С₃ + 12Н₂О ® 3СН₄ + 4Аl(ОН)₃,

– сплавляння ацетату натрію з лугом [звичайно беруть натронне вапно – суміш NаОН і Са(ОН)₂]:

СН₃СООNа + NаОН ® СН₄ + Nа₂СО₃

Інші алкани можна добути при дії металічного натрію на галогенопохідні вуглеводнів, наприклад:

2С₂Н₅Сl + 2Nа ® С₄Н₁₀ + 2NаСl

Реакції такого типу називаються реакцією В ю р ц а.

Застосування. Насичені вуглеводні широко використо­вуються в органічному синтезі. З них добувають багато органічних речовин: ненасичені вуглеводні, хлоропохідні, органічні кислоти.

Багато вуглеводнів входить до складу різних видів палива: горючого газу, бензину, гасу.

З вищих алканів виготовляють такі речовини, як пара­фін і вазелін, мастила, електроізолятори. Вищі алкани є сировиною для добування синтетичних мийних засобів.