ГОМОЛОГІЧНА РЯД І ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АЛКАНІВ
Алкани - це граничні вуглеводні нециклічної будови. Їх називають такожпарафінами.
У гомологічному ряді алканів температури плавлення та кипіння збільшуються із зростанням молекулярної маси речовин (табл. 1). Метан, етан, пропан та бутан – гази без кольору та запаху. Алкани з числом атомів вуглецю від 5 до 15 за звичайних умов безбарвні рідини, починаючи з вуглеводню С16Н34 – тверді, білі, воскоподібні речовини.
Формули, назви та фізичні властивості деяких нормальних алканів
Алкани практично нерозчинні у воді, але добре розчиняються у неполярних органічних розчинниках, наприклад, у бензолі. Щільність рідких алканів трохи менша, ніж у води.
БУДОВА МОЛЕКУЛ АЛКАНІВ
Кожен атом вуглецю в молекулах алканів утворює чотири прості зв'язку з атомами водню або іншими атомами вуглецю. Електронні орбіталі атомів вуглецю знаходяться в стані гібридизації. 2> (рис. 1).
Малюнок 1. Моделі молекул метану: а – напівсферична; б – шарострижнева (показано розподіл електронної густини).
Валентний кут у молекулі метану та його гомологів становить 109,5 ◦ . Тому вуглецевий ланцюг у молекулах алканів має зигзагоподібну форму:
Навколо σ-зв'язківС-С можливе обертання, в результаті якого молекули можуть набувати різних форм, які називаютьконформаціями (рис. 2).
Малюнок 2. Моделі молекули гексану у різних конформаціях.
Вуглецевий скелет молекул алканів може мати як нормальну , так і розгалужену будову. У молекулах гомологівметану розрізняютьпервинні,вторинні,третинні ічетвертинні атоми вуглецю (див. додаток 1).
Зв'язкиС-С у молекулах алканів є ковалентними неполярними, а зв'язкиС-Н – ковалентними полярними. Однак значення електронегативності атомів вуглецю та водню близькі і рівні відповідно 2,5 та 2,1 за Полінгом. Тому за властивостями зв'язокС-Н близька до неполярної і виявляє схильність до гомолітичного розриву з утворенням вільних радикалів:
.
Отже, для алканів характерні реакції, які протікають за радикальним механізмом.
НОМЕНКЛАТУРА АЛКАНІВ
Відповідно до рекомендацій ІЮПАК при побудові назв алканів дотримуються наступних правил.
1. Знаходять основний, тобто найдовший вуглецевий ланцюг. Назва основного ланцюга збігається з назвою алкану з тим самим числом вуглецевих атомів (див. табл. 1). Суфікс–ан вказує на належність вуглеводню до класу алканів.
2. Нумерують атоми вуглецю в основний ланцюга, починаючи з того кінця, до якого ближче розташовується перший із наявних заступників.
3. Формулюють назву алкану. Для цього перераховують заступники в алфавітному порядку (наприклад, спочаткум етил-, потіме тил-), вказуючи перед кожним заступником номер атома вуглецю основного ланцюга, до якого він прикріплений, і додають назву основного ланцюга.
Якщо однакових заступників два, три або чотири, то використовують приставкиді-,три- ітетра- відповідно.
Приклад. Назвемо алкан, структурну формулу якого зображено нижче.
Найдовший вуглецевий ланцюг у формулі алкану виділений жирним шрифтом. Вона містить 8 атомів вуглецю. Алкан із таким самим числом атомів вуглецюназиваєтьсяоктан. Це слово і буде основою назви всієї речовини.
У молекулі три заступники – два радикали СН3- та один СН3-СН2-. Нумерацію атомів вуглецю ведемо у разі справа наліво, тоді атом вуглецю, якого прикріплений найближчий початку ланцюга заступник СН3- отримає номер 2.
Перелічуємо заступники за абеткою, вказуючи перед кожним із них цифрою номер атома вуглецю основного ланцюга, до якого він прикріплений, і додаємо назву основного ланцюга – слово октан.
Отже, назва алкану2,6-диметил-3-етілоктан.
ВИДИ ІЗОМЕРІЇ
Для алканів характерний лише один видструктурної ізомерії -ізомерію вуглецевого скелета.
Нижче наведено структурні формули всіх ізомерівгексану С6Н14.
Для деяких розгалужених алканів поряд із систематичними назвами використовують ітривіальні :
збутаннеопентан
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АЛКАНІВ
Граничні вуглеводні за звичайних умовхімічно інертні, оскільки для початку реакції з їх участю потрібно розірвати дуже міцні зв'язкиС-С абоС-Н.
Тому алканине реагують за звичайних умов з такими активними речовинами, як сірчана та азотна кислоти, металевий натрій, перманганат калію.
Важливо пам'ятати, що збромну воду та розчин перманганату калію алкани не знебарвлюють.
Реакції приєднання для алканів неможливі, оскільки всі їх валентності насичені. Для цих речовин характерні, в основному, реакції радикального заміщення атомів водню на інші атоми або групи атомів, що протікають у досить жорстких умовах – при УФ-освітленні або сильному нагріванні.
При високих температурах можуть протікати реакції зрозривом зв'язківС-С, а також дегідрування та ароматизація.
Нарешті, як і більшість органічних речовин, алкани можуть вступати у реакції горіння і каталітичного окислення. Розглянемо докладно приклади реакцій за участю алканів.