Особенности строения алканов и что это такое

Алканы представляют собой предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой только одинарными связями. Это определяет основные особенности строения их молекул.

Тетраэдрическое строение

Все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp³-гибридизации. Это означает, что валентные электроны атомов углерода образуют четыре эквивалентные гибридные орбитали, направленные в вершины тетраэдра под углом 109,5° друг к другу.

Такое строение определяет форму молекул и углы между связями:

• молекулы имеют форму тетраэдров, соединенных общими вершинами;
• валентные углы при атомах углерода - 109,5°.

Благодаря вращению вокруг одинарных связей С-С, молекулы алканов могут принимать различные пространственные формы, называемые конформациями.

Гомологический ряд

Все алканы образуют гомологический ряд, каждый последующий член которого отличается от предыдущего на группу -СХ₂-.

Общая формула гомологического ряда алканов - C_nH_2n+2.

Гомологи обладают сходными химическими свойствами, закономерно изменяющимися физическими свойствами и отличаются на -СХ₂- группу.

Первые четыре представителя ряда алканов имеют тривиальные названия:

1. метан CH₄
2. этан C₂H₆
3. пропан C₃H₈
4. бутан C₄H₁₀

Названия остальных представителей образуются от греческих числительных с добавлением суффикса "-ан".

Изомерия алканов

Особенности строения алканов заключаются также в существовании изомеров с одинаковым числом атомов, но разным порядком их соединения.

Для алканов характерны два вида изомерии:

1. Изомерия углеродного скелета (структурная изомерия) - изомеры отличаются последовательностью соединения атомов углерода в цепи.
2. Пространственная изомерия - изомеры имеют одинаковый порядок соединения атомов, но разное расположение заместителей в пространстве.

Число возможных структурных изомеров резко возрастает с увеличением числа атомов углерода в молекуле. Например, для C₅H₁₂ - 3 изомера, для C₆H₁₄ - 5 изомеров.

Пространственная изомерия характерна для алканов, начиная с C₇H₁₆.

Особенности строения алканов и алкенов

Алканы и алкены являются гомологическими рядами углеводородов, что определяет их сходство:

• наличие одинаковых гомологов с общей формулой C_nH_2n;
• способность к изомерии углеродного скелета;
• сходные химические свойства.

В то же время имеется существенное отличие - в молекулах алкенов присутствует двойная связь между атомами углерода. Это придает алкенам особые физические и химические свойства.

Особенности строения алканов алкенов также заключаются в наличии кратных связей.

Наличие π-связей определяет повышенную реакционную способность алкенов, алкинов и аренов.

Особенности строения алканов, алкенов, алкадиенов, алкинов, аренов состоят в различном типе ненасыщенности.

Особенности строения молекул алканов

Итак, основными особенностями строения молекул алканов являются:

1. Тетраэдрическое строение благодаря sp³-гибридизации атомов углерода;
2. Существование гомологического ряда с общей формулой C_nH_2n+2;
3. Возможность изомерии углеродного скелета и пространственной изомерии;
4. Насыщенный характер - отсутствие кратных и ароматических связей.

Эти особенности в совокупности определяют свойства алканов как насыщенных углеводородов с относительно невысокой химической активностью.

Физические свойства

Физические свойства алканов также определяются особенностями строения их молекул.

Так, благодаря насыщенному характеру, межмолекулярное взаимодействие в алканах осуществляется за счет дисперсионных сил и водородных связей. Это обуславливает их низкую полярность и хорошую растворимость в неполярных растворителях.

С увеличением молекулярной массы температуры плавления и кипения алканов повышаются. Это связано с усилением межмолекулярного взаимодействия за счет большего числа атомов.

Химические свойства

Химические свойства алканов обусловлены в первую очередь высокой прочностью связей С-С и С-Н в молекулах, что затрудняет их разрыв.

Поэтому для алканов характерны следующие реакции:

1. Радикальное замещение атомов водорода в молекулах на галогены или другие группы;
2. Термическое разложение (пиролиз) и дегидрирование при нагревании;
3. Горение с образованием СО2 и Н2О.

Эти реакции протекают главным образом при нагревании или под действием катализаторов и инициаторов.

Применение

Благодаря своим физическим и химическим особенностям, алканы находят широкое применение в различных областях.

Газообразные алканы (метан, этан) используются как горючий и энергетический материал. Жидкие алканы применяются в качестве растворителей и компонентов моторных топлив.

Высшие твердые алканы входят в состав парафина, применяемого в свечном производстве, медицине, косметике.

Получение

Основным источником для получения алканов служат природные углеводороды - нефть и природный газ. Из них методом ректификации выделяют фракции, содержащие смеси алканов.

В лаборатории небольшие количества алканов можно получить такими методами как:

• Гидрирование ненасыщенных углеводородов;
• Восстановление галогеналканов металлами;
• Электролиз солей карбоновых кислот (реакция Кольбе).

Выбор метода зависит от требуемого алкана, необходимого количества и наличия реагентов.

Анализ и идентификация

Для подтверждения структуры и идентификации конкретных алканов используется комплекс физико-химических методов анализа:

1. Хроматография для разделения смесей на индивидуальные соединения;
2. Спектроскопия (ИК, ЯМР) для установления структуры молекул;
3. Масс-спектрометрия для определения молекулярной массы.

Сопоставление полученных данных с литературными позволяет достоверно идентифицировать индивидуальные алканы.