Алканы (предельные углеводороды)

Общая формула алканов $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$, молярная масса $M=14n+2$. Гомологический ряд: метан $\mathrm{CH_4}$, этан $\mathrm{C_2H_6}$, пропан $\mathrm{C_3H_8}$, бутан $\mathrm{C_4H_{10}}$, пентан $\mathrm{C_5H_{12}}$, гексан $\mathrm{C_6H_{14}}$, гептан $\mathrm{C_7H_{16}}$, октан $\mathrm{C_8H_{18}}$, нонан $\mathrm{C_9H_{20}}$, декан $\mathrm{C_{10}H_{22}}$. Если от молекулы алкана отнять атом водорода, получится радикал (алкил): $\mathrm{CH_3{-}}$ метил, $\mathrm{C_2H_5{-}}$ этил, $\mathrm{C_3H_7{-}}$ пропил.

Изомерия углеродного скелета у алканов начинается с бутана: у $\mathrm{C_4H_{10}}$ — 2 изомера, у $\mathrm{C_5H_{12}}$ — 3, у $\mathrm{C_6H_{14}}$ — 5, у $\mathrm{C_7H_{16}}$ — 9.

Правила международной номенклатуры:

1. Выберите самую длинную углеродную цепь, она даёт основу названия.
2. Пронумеруйте цепь с того конца, к которому ближе разветвление.
3. Укажите цифрами положение радикалов; для одинаковых радикалов используйте приставки ди-, три-, тетра-.
4. В конце назовите главную цепь.

Например, $\mathrm{CH_3{-}CH(CH_3){-}CH_2{-}CH_3}$ — это 2-метилбутан, $\mathrm{(CH_3)_3C{-}CH_2{-}CH_3}$ — 2,2-диметилбутан.

Все атомы углерода в алканах находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Четыре гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра, угол между связями 109°28′. Молекула метана имеет форму правильного тетраэдра с атомом углерода в центре.

В молекуле только σ-связи: $\mathrm{C{-}C}$ (длина 0,154 нм) и $\mathrm{C{-}H}$. Вокруг σ-связи возможно вращение групп атомов. Из-за тетраэдрического угла углеродная цепь имеет не прямую, а зигзагообразную форму. Связи прочные и малополярные, поэтому алканы химически малоактивны.

В промышленности алканы получают из природного газа, нефти и при крекинге нефтепродуктов. В лаборатории:

• реакция Вюрца: $\mathrm{2CH_3Cl+2Na\to C_2H_6+2NaCl}$;
• сплавление соли карбоновой кислоты со щёлочью: $\mathrm{CH_3COONa+NaOH\xrightarrow{t^\circ}CH_4+Na_2CO_3}$;
• гидролиз карбида алюминия: $\mathrm{Al_4C_3+12H_2O\to4Al(OH)_3+3CH_4}$;
• гидрирование алкенов: $\mathrm{C_2H_4+H_2\xrightarrow{Ni}C_2H_6}$.

При обычных условиях алканы от метана до бутана — газы, от $\mathrm{C_5}$ до $\mathrm{C_{15}}$ — жидкости, начиная с $\mathrm{C_{16}}$ — твёрдые вещества. Алканы нерастворимы в воде и легче её. С ростом молярной массы температура кипения повышается; разветвлённый изомер кипит ниже, чем изомер с неразветвлённой цепью. Метан — газ без запаха.

Для алканов характерны реакции замещения. В реакции присоединения они не вступают, бромную воду и раствор $\mathrm{KMnO_4}$ не обесцвечивают.

• Галогенирование (на свету, по радикальному механизму): $\mathrm{CH_4+Cl_2\xrightarrow{h\nu}CH_3Cl+HCl}$; дальше образуются $\mathrm{CH_2Cl_2}$, $\mathrm{CHCl_3}$, $\mathrm{CCl_4}$. Механизм: свет расщепляет молекулу $\mathrm{Cl_2}$ на два атома (радикала) хлора; $\mathrm{Cl\cdot}$ отрывает атом водорода от метана, образуется радикал $\mathrm{\cdot CH_3}$; он реагирует с новой молекулой $\mathrm{Cl_2}$, давая $\mathrm{CH_3Cl}$ и снова $\mathrm{Cl\cdot}$. Цепь обрывается, когда радикалы соединяются друг с другом.
• Нитрование (реакция Коновалова, разбавленная азотная кислота, нагревание): $\mathrm{C_2H_6+HNO_3\to C_2H_5NO_2+H_2O}$.
• Горение: $\mathrm{C_nH_{2n+2}+\frac{3n+1}{2}O_2\to nCO_2+(n+1)H_2O}$. Смесь метана с воздухом взрывоопасна.
• Разложение: $\mathrm{CH_4\xrightarrow{1000^\circ C}C+2H_2}$; $\mathrm{2CH_4\xrightarrow{1500^\circ C}C_2H_2+3H_2}$.
• Крекинг: $\mathrm{C_8H_{18}\to C_4H_{10}+C_4H_8}$; дегидрирование: $\mathrm{C_2H_6\xrightarrow{Ni,\ t^\circ}C_2H_4+H_2}$; изомеризация ($\mathrm{AlCl_3}$): бутан превращается в изобутан.

Применение: топливо (природный газ, сжиженный газ, бензин), получение водорода, сажи, ацетилена и растворителей ($\mathrm{CH_2Cl_2}$, $\mathrm{CHCl_3}$, $\mathrm{CCl_4}$); вазелин и парафин.