Строение, изомерия, структурные формулы алканы

Международная номенклатура алканов. Алканы: строение, свойства

Нелишне будет начать с определения понятия алканов. Это насыщенные либо предельные углеводороды, парафины. Также можно сказать, что это углероды, в которых соединение атомов C осуществляется посредством простых связей. Общая формула имеет вид: CnH₂n+ 2.

Известно, что соотношение количества атомов H и C в их молекулах максимально, если сравнивать с другими классами. Ввиду того что все валентности заняты либо C, либо H, химические свойства алканов выражены недостаточно ярко, поэтому их вторым названием выступает словосочетание предельные либо насыщенные углеводороды.

Также существует более древнее наименование, которое лучше всего отражает их относительную химинертность – парафины, что в переводе означает «лишенные сродства».

Итак, тема нашего сегодняшнего разговора: «Алканы: гомологический ряд, номенклатура, строение, изомерия». Также будут представлены данные касательно их физических свойств.

Алканы: строение, номенклатура

В них атомы C пребывают в таком состоянии, как sp3-гибридизация. В связи с этим молекулу алканов можно продемонстрировать в качестве набора тетраэдрических структур C, которые связаны не только между собой, но и с H.

Между атомами C и H присутствуют прочные, весьма малополярные s-связи. Атомы же вокруг простых связей всегда вращаются, ввиду чего молекулы алканов принимают разнообразные формы, причем длина связи, угол между ними – постоянные величины. Формы, которые трансформируются друг в друга из-за вращения молекулы, происходящего вокруг σ-связей, принято называть ее конформациями.

В процессе отрыва атома H от рассматриваемой молекулы сформировываются 1-валентные частицы, называемые углеводородными радикалами. Они появляются в результате соединений не только органических веществ, но и неорганических. Если отнять 2 атома водорода от молекулы предельного углеводорода, то получатся 2-валентные радикалы.

Таким образом, номенклатура алканов может быть:

• радиальной (старый вариант);
• заместительной (международная, систематическая). Она предложена ИЮПАК.

Особенности радиальной номенклатуры

В первом случае номенклатура алканов характеризуется следующим:

1. Рассмотрение углеводородов в качестве производных метана, у которого замещен 1 либо несколько атомов H радикалами.
2. Высокая степень удобства в случае с не очень сложными соединениями.

Особенности заместительной номенклатуры

Заместительная номенклатура алканов имеет следующие особенности:

1. Основа для названия – 1 углеродная цепь, остальные же молекулярные фрагменты рассматриваются в качестве заместителей.
2. При наличии нескольких идентичных радикалов перед их наименованием указывается число (строго прописью), а радикальные номера разделяются запятыми.

Для удобства информация представлена в виде таблицы.

Название вещества	Основа названия (корень)	Молекулярная формула	Название углеродного заместителя	Формула углеродного заместителя
Метан	Мет-	CH₄	Метил	CH₃
Этан	Эт-	C₂H₆	Этил	C₂H₅
Пропан	Проп-	C₃H₈	Пропил	C₃H₇
Бутан	Бут-	C₄H₁₀	Бутил	C₄H₉
Пентан	Пент-	C₅H₁₂	Пентил	C₅H₁₁
Гексан	Гекс-	C₆H₁₄	Гексил	C₆H₁₃
Гептан	Гепт-	C₇H₁₆	Гептил	C₇H₁₅
Октан	Окт-	C₈H₁₈	Октил	C₈H₁₇
Нонан	Нон-	C₉H₂₀	Нонил	C₉H₁₉
Декан	Дек-	C₁₀H₂₂	Децил	C₁₀H₂₁

Вышеуказанная номенклатура алканов включает названия, которые сложились исторически (первые 4 члена ряда предельных углеводородов).

Наименования неразвернутых алканов с 5 и более атомами C образованы от греческих числительных, которые отражают данное число атомов C. Так, суффикс -ан говорит о том, что вещество из ряда насыщенных соединений.

При составлении названий развернутых алканов в роли основной цепи выбирается та, которая содержит максимальное количество атомов C. Она нумеруется так, чтобы заместители были с наименьшим номером. В случае двух и более цепей одинаковой длины главной становится та, которая содержит наибольшее количество заместителей.

Изомерия алканов

В качестве углеводорода-родоначальника их ряда выступает метан CH₄. С каждым последующим представителем метанового ряда наблюдается отличие от предыдущего на метиленовую группу – CH₂. Данная закономерность прослеживается во всем ряду алканов.

Немецкий ученый Шиль выдвинул предложение назвать этот ряд гомологическим. В переводе с греческого означает «сходный, подобный».

Таким образом, гомологический ряд – набор родственных органических соединений, имеющих однотипную структуру с близкими химсвойствами. Гомологи – члены данного ряда. Гомологическая разность – метиленовая группа, на которую отличаются 2 соседних гомолога.

Структура каждого последующего гомолога может быть выведена из предыдущего таким же образом. В итоге из этана образуется пропан – C₃H₈.

Что такое изомеры?

Это вещества, которые имеют идентичный качественный и количественный молекулярный состав (идентичную молекулярную формулу), однако различное химическое строение, а также обладающие разными химсвойствами.

Вышерассмотренные углеводороды отличаются по такому параметру, как температура кипения: -0,5° – бутан, -10° – изобутан. Данный вид изомерии именуется как изомерия углеродистого скелета, она относится к структурному типу.

Число структурных изомеров растет быстрыми темпами с увеличением количества углеродных атомов. Таким образом, C₁₀H₂₂ будет соответствовать 75 изомерам (не включая пространственные), а для C₁₅H₃₂ уже известны 4347 изомеров, для C₂₀H₄₂ – 366 319.

Итак, уже стало понятно, что такое алканы, гомологический ряд, изомерия, номенклатура. Теперь стоит перейти к правилам составления названий по ИЮПАК.

Номенклатура ИЮПАК: правила образования названий

Во-первых, необходимо отыскать в углеводородной структуре углеродную цепь, которая наиболее длинна и содержит максимальное количество заместителей. Затем требуется пронумеровать атомы C цепи, начиная с конца, к которому ближе всего расположен заместитель.

Во-вторых, основа – название неразветвленного насыщенного углеводорода, которому по количеству атомов C соответствует самая главная цепь.

В-третьих, перед основой необходимо указать номера локантов, возле которых расположены заместители. За ними записываются через дефис названия заместителей.

Если один и тот же атом C содержится сразу два заместителя, локант тоже записывается дважды.

Согласно этим правилам и формируется международная номенклатура алканов.

Проекции Ньюмена

Этот американский ученый предложил для графической демонстрации конформаций специальные проекционные формулы – проекции Ньюмена. Они соответствуют формам А и Б и представлены на рисунке ниже.

В первом случае это А-заслоненная конформация, а во втором – Б-заторможенная. В позиции А атомы H располагаются на минимальном расстоянии друг от друга. Данной форме соответствует самое большое значение энергии, ввиду того что отталкивание между ними наибольшее.

Это энергетически невыгодное состояние, вследствие чего молекула стремится покинуть его и перейти к более устойчивому положению Б. Здесь атомы H максимально удалены друг от друга.

Так, энергетическая разница этих положений – 12 кДж/моль, благодаря чему свободное вращение вокруг оси в молекуле этана, которая соединяет метильные группы, получается неравномерным. После попадания в энергетически выгодное положение молекула там задерживается, другими словами, «тормозится».

Именно поэтому оно и называется заторможенным. Результат – 10 тыс. молекул этана пребывают в заторможенной форме конформации при условии комнатной температуры. Только одна имеет другую форму – заслоненную.

Получение предельных углеводородов

Из статьи уже стало известно, что это алканы (строение, номенклатура их подробно описаны ранее). Будет нелишне рассмотреть способы их получения. Они выделяются из таких природных источников, как нефть, природный, попутный газ, каменный уголь. Применяются также и синтетические методы. Например, H₂ 2H₂:

1. Процесс гидрирования непредельных углеводородов: CnH₂n (алкены)→ CnH₂n+2 (алканы)← CnH₂n-2 (алкины).
2. Из смеси монооксида C и H – синтез-газа: nCO+(2n+1)H₂→ CnH₂n+2+nH₂O.
3. Из карбоновых кислот (их солей): электролиз на аноде, на катоде:

• электролиз Кольбе: 2RCOONa+2H₂O→R-R+2CO₂+H₂+2NaOH;
• реакция Дюма (сплав со щелочью): CH₃COONa+NaOH (t)→CH₄+Na₂CO₃.

1. Крекинг нефти: CnH₂n+2 (450-700°)→ CmH₂m+2+ Cn-mH₂(n-m).
2. Газификация топлива (твердого): C+2H₂→CH₄.
3. Синтез сложных алканов (галогенопроизводных), которые имеют меньшее количество атомов C: 2CH₃Cl (хлорметан) +2Na →CH₃- CH₃ (этан) +2NaCl.
4. Разложение водой метанидов (карбидов металлов): Al₄C₃+12H₂O→4Al(OH₃)↓+3CH₄↑.

Физические свойства предельных углеводородов

Для удобства данные сгруппированы в таблицу.

Формула	Алкан	Температура плавления в °С	Температура кипения в °С	Плотность, г/мл
CH₄	Метан	-183	-162	0,415 при t = -165°С
C₂H₆	Этан	-183	-88	0,561 при t= -100°C
C₃H₈	Пропан	-188	-42	0,583 при t = -45°C
н-C₄H₁₀	н-Бутан	-139	-0,5	0,579 при t =0°C
2-Метилпропан	– 160	– 12	0,557 при t = -25°C
2,2-Диметил-пропан	– 16	9,5	0,613
н-C₅H₁₂	н-Пентан	-130	36	0,626
2-Метилбутан	– 160	28	0,620
н-C₆H₁₄	н-Гексан	– 95	69	0,660
2-Метилпентан	– 153	62	0,683
н-C₇H₁₆	н-Гептан	– 91	98	0,683
н-C₈H₁₈	н-Октан	– 57	126	0,702
2,2,3,3-Тетра-метилбутан	– 100	106	0,656
2,2,4-Триметил-пентан	– 107	99	0,692
н-C₉H₂₀	н-Нонан	– 53	151	0,718
н-C₁₀H₂₂	н-Декан	– 30	174	0,730
н-C₁₁H₂₄	н-Ундекан	– 26	196	0,740
н-C₁₂H₂₆	н-Додекан	– 10	216	0,748
н-C₁₃H₂₈	н-Тридекан	– 5	235	0,756
н-C₁₄H₃₀	н-Тетрадекан	6	254	0,762
н-C₁₅H₃₂	н-Пентадекан	10	271	0,768
н-C₁₆H₃₄	н-Гексадекан	18	287	0,776
н-C₂₀H₄₂	н-Эйкозан	37	343	0,788
н-C₃₀H₆₂	н-Триаконтан	66	235 при1 мм рт. ст	0,779
н-C₄₀H₈₂	н-Тетраконтан	81	260 при3 мм рт. ст.
н-C₅₀H₁₀₂	н-Пентаконтан	92	420 при15 мм рт. ст.
н-C₆₀H₁₂₂	н-Гексаконтан	99
н-C₇₀H₁₄₂	н-Гептаконтан	105
н-C₁₀₀H₂₀₂	н-Гектан	115

Заключение

В статье было рассмотрено такое понятие, как алканы (строение, номенклатура, изомерия, гомологический ряд и пр.). Немного рассказано об особенностиях радиальной и заместительной номенклатур. Описаны способы получения алканов.

Кроме того, в статье подробно перечислена вся номенклатура алканов (тест может помочь усвоить полученную информацию).

Источник: https://FB.ru/article/191055/mejdunarodnaya-nomenklatura-alkanov-alkanyi-stroenie-svoystva

Тема №15 «Алканы» | CHEM-MIND.com

Алканы — углеводороды, в молекулах которых атомы связаны одинарными связями и которые соответствуют общей формуле CnH2n+2. В молекулах алканов все атомы углерода находятся в состоянии sр3-гибридизации.

Это означает, что все четыре гибридные орбитали атома углерода одинаковы по форме, энергии и направлены в углы равносторон­ней треугольной пирамиды — тетраэдра. Углы между орбиталями равны 109° 28′.

Вокруг одинарной углерод-углеродной связи возможно практически свободное вращение, и молекулы алканов могут приобретать самую разнообразную форму с углами при атомах углерода, близкими к тетраэдрическому (109° 28′), напри­мер, в молекуле н-пентан.

Особо стоит напомнить о связях в молекулах ал­канов. Все связи в молекулах предельных углеводо­родов одинарные. Перекрывание происходит по оси, соединяющей ядра атомов, т. е. это σ-связи.

Связи углерод — углерод являются неполярными и плохо поляризуемыми. Длина С—С связи в алканах равна 0,154 нм (1,54 • 1010 м). Связи С—Н несколько коро­че.

Электронная плотность немного смещена в сто­рону более электроотрицательного атома углерода, т. е. связь С—Н является слабополярной.

Гомологический ряд метана

Гомологи — вещества, сходные по строению и свойствам и отличающиеся на одну или более групп СН2.

Предельные углеводороды составляют гомоло­гический ряд метана.

Изомерия и номенклатура алканов

Для алканов характерна так называемая струк­турная изомерия. Структурные изомеры отлича­ются друг от друга строением углеродного скеле­та. Простейший алкан, для которого характерны структурные изомеры, — это бутан.

Рассмотрим подробнее для алканов основы но­менклатуры ИЮПАК.

1.     Выбор главной цепи. Формирование названия углеводорода начинается с определения главной цепи — самой длинной цепочки атомов углерода в молекуле, которая является как бы ее основой.

2.     Нумерация атомов главной цепи. Атомам главной цепи присваивают номера. Нумерация атомов главной цепи начинается с того конца, к которому ближе стоит заместитель (структуры А, Б). Если заместители находятся на равном уда­лении от конца цепи, то нумерация начинается от того конца, при котором их больше (структу­ра В).

Старшинство углеводородных заместителей определяется по тому, в каком порядке следует в алфавите буква, с которой начи­нается их название: метил (—СН3), затем пропил (-СН2-СН2-СН3), этил (—СН2—СН3) и т. д.

Обратите внимание на то, что название заме­стителя формируется заменой суффикса -ан на суффикс -ил в названии соответствующего алкана.

3.     Формирование названия. В начале названия указывают цифры — номера атомов углерода, при которых находятся заместители. Если при данном атоме находятся несколько заместителей, то соот­ветствующий номер в названии повторяется дваж­ды через запятую (2,2-).

После номера через дефис указывают количество заместителей (ди — два, три — три, тетра — четыре, пента — пять) и на­звание заместителя (метил, этил, пропил). Затем без пробелов и дефисов — название главной цепи.

цепь называется как углеводород — член гомологического ряда метана (метан, этан, пропан и т. д.).

Названия веществ, структурные формулы кото­рых приведены выше, следующие:

•    структура А: 2-метилпропан;

•    структура Б: 3-этилгексан;

•    структура В: 2,2,4-триметилпентан;

•    структура Г: 2-метил 4-этилгексан.

Отсутствие в молекулах предельных углеводоро­дов полярных связей приводит к тому, что они плохо растворяются в воде, не вступают во взаимодействие с заряженными частицами (ионами). Наиболее ха­рактерными для алканов являются реакции, проте­кающие с участием свободных радикалов.

Физические свойства алканов

Первые четыре представителя гомологического ряда метана — газы.

Простейший из них — ме­тан — газ без цвета, вкуса и запаха (запах «газа», почувствовав который, надо звонить 04, опреде­ляется запахом меркаптанов — серосодержащих соединений, специально добавляемых к метану, используемому в бытовых и промышленных га­зовых приборах для того, чтобы люди, находя­щиеся рядом с ними, могли по запаху определить утечку).

Углеводороды состава от С5Н12 до С15Н32 — жидкости; более тяжелые углеводороды — твердые ве­щества. Температуры кипения и плавления алканов постепенно увеличиваются с возрастанием длины углеродной цепи. Все углеводороды плохо растворяются в воде, жидкие углеводороды являются рас­пространенными органическими растворителями.

Реакции замещения.

Наиболее характерными для алканов являются реакции свободнорадикаль­ного замещения, в ходе которого атом водорода за­мещается на атом галогена или какую-либо группу.

Приведем уравнения характерных реакций галогенирования:

В случае избытка галогена хлорирование может пойти дальше, вплоть до полного замещения всех атомов водорода на хлор:

Полученные вещества широко используются как растворители и исходные вещества в органи­ческих синтезах.

Реакция дегидрирования (отщепления водоро­да)

В ходе пропускания алканов над катализато­ром (Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3) при высокой температуре (400-600 °C) происходит отщепление молекулы во­дорода и образование алкена:

Реакции, сопровождающиеся разрушением углеродной цепи. Все предельные углеводороды горят с образованием углекислого газа и воды. Га­зообразные углеводороды, смешанные с воздухом в определенных соотношениях, могут взрываться.

1. Горение предельных углеводородов — это сво­боднорадикальная экзотермическая реакция, кото­рая имеет очень большое значение при использова­нии алканов в качестве топлива:

В общем виде реакцию горения алканов можно записать следующим образом:

2. Термическое расщепление углеводородов.

Эти радикалы взаимодействуют между собой, обмениваясь атомом водорода, с образованием мо­лекулы алкана и молекулы алкена:

Реакции термического расщепления лежат в ос­нове промышленного процесса — крекинга угле­водородов. Этот процесс является важнейшей ста­дией переработки нефти.

3. Пиролиз. При нагревании метана до темпе­ратуры 1000 °С начинается пиролиз метана — раз­ложение на простые вещества:

При нагревании до температуры 1500 °С воз­можно образование ацетилена:

4. Изомеризация. При нагревании линейных углеводородов с катализатором изомеризации (хло­ридом алюминия) происходит образование веществ с разветвленным углеродным скелетом:

5. Ароматизация. Алканы с шестью или более углеродными атомами в цепи в присутствии ка­тализатора циклизуются с образованием бензола и его производных:

Алканы вступают в реакции, протекающие по свободнорадикальному механизму, т. к. все атомы углерода в молекулах алканов находятся в состоянии sp3-гибридизации. Молекулы этих веществ по­строены при помощи ковалентных неполярных С—С (углерод — углерод) связей и слабополярных С—Н (углерод — водород) связей.

В них нет участков с повышенной и с пониженной электронной плотностью, легко поляризуемых связей, т. е. таких связей, электронная плотность в которых может смещаться под действием внешних факторов (элек­тростатических полей ионов). Следовательно, алка­ны не будут реагировать с заряженными частицами, т. к.

связи в молекулах алканов не разрываются по гетеролитическому механизму.

Химические свойства алканов – конспект

Шпаргалка

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева Таблица растворимости

Источник: https://www.chem-mind.com/2017/03/27/%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0-%E2%84%9615-%D0%B0%D0%BB%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D1%8B/

Изомерия алканов

Строениеалканов

Химическоестроение (порядок соединения атомовв молекулах) простейших алканов –метана, этана и пропана – показываютих структурные формулы, приведенные вразделе 2. Из этих формул видно, что валканах имеются два типа химическихсвязей: 

С–С и С–Н.

СвязьС–С является ковалентной неполярной.Связь С–Н – ковалентная слабополярная,т.к. углерод и водород близки поэлектроотрицательности (2.5 – для углеродаи 2.1 – для водорода). Образование ковалентныхсвязей в алканах за счет общих электронныхпар атомов углерода и водорода можнопоказать с помощью электронных формул:

Электронныеи структурные формулы отражают химическоестроение, но не дают представленияо пространственном строении молекул,которое существенно влияет на свойствавещества.

Пространственноестроение, т.е. взаимное расположениеатомов молекулы в пространстве, зависитот направленности атомных орбиталей(АО) этих атомов. В углеводородах главнуюроль играет пространственная ориентацияатомных орбиталей углерода, посколькусферическая 1s-АО атома водорода лишенаопределенной направленности.

https://www.youtube.com/watch?v=m1xY5Ujd-Gg

Пространственноерасположение АО углерода в свою очередьзависит от типа его гибридизации (частьI, раздел 4.3). Насыщенный атом углеродав алканах связан с четырьмя другимиатомами.

Следовательно, его состояниесоответствует sp3-гибридизации (частьI, раздел 4.3.1).

В этом случае каждая изчетырех sp3-гибридных АО углерода участвуетв осевом (σ-) перекрывании с s-АО водородаили с sp3-АО другого атома углерода,образуя σ-связи С-Н или С-С.

Валентныйугол Н-С-Н равен 109о28'. Пространственноестроение метана можно показать с помощьюобъемных (масштабных) и шаростержневыхмоделей.

Виртуальнаямодель (VRML-сцена,2 камеры)

Длязаписи удобно использовать пространственную(стереохимическую) формулу.

Вмолекуле следующего гомолога –этана С2Н6 – два тетраэдрических sp3-атомауглерода образуют более сложнуюпространственную конструкцию:

Длямолекул алканов, содержащих свыше 2-хатомов углерода, характерны изогнутыеформы.Это можно показать на примере н-бутана(VRML-модель)или н-пентана:

Изомерия– явление существования соединений,которые имеют одинаковый состав(одинаковую молекулярную формулу), норазное строение. Такие соединенияназываются изомерами.

Различияв порядке соединения атомов в молекулах(т.е. в химическом строении) приводяткструктурнойизомерии.Строение структурных изомеров отражаетсяструктурными формулами. В ряду алкановструктурная изомерия проявляется присодержании в цепи 4-х и более атомовуглерода, т.е. начиная с бутана С4Н10.

 Еслив молекулах одинакового состава иодинакового химического строениявозможно различное взаимное расположениеатомов в пространстве, тонаблюдается пространственнаяизомерия (стереоизомерия).

В этом случае использование структурныхформул недостаточно и следует применятьмодели молекул или специальные формулы- стереохимические (пространственные)или проекционные.

Крометого, при наличии в молекуле атомауглерода, связанного с 4-мя различнымизаместителями, возможен еще один видпространственной изомерии, когда двастереоизомера относятся друг к другукак предмет и его зеркальное изображение(подобно тому, как левая рука относитсяк правой). Такие различия в строениимолекул называют оптическойизомерией.

. Структурная изомерия алканов

Структурныеизомеры – соединения одинакового состава,отличающиеся порядком связыванияатомов, т.е. химическим строением молекул.

Причинойпроявления структурной изомерии в рядуалканов являетсяспособность атомовуглерода образовывать цепи различногостроения.Этот вид структурной изомерииназывается изомериейуглеродного скелета.

Например,алкан состава C4H10 можетсуществовать в виде двух структурныхизомеров:

аалкан С5Н12 –в виде трех структурныхизомеров,отличающихся строениемуглеродной цепи:

Сувеличением числа атомов углерода всоставе молекул увеличиваютсявозможностидляразветвления цепи, т.е. количествоизомеров растет сростом числа углеродныхатомов.

Структурныеизомеры отличаются физическимисвойствами. Алканы с разветвленнымстроением из-за менее плотной упаковкимолекул и,соответственно, меньшихмежмолекулярных взаимодействий, кипятпри болеенизкой температуре, чем ихнеразветвленные изомеры.

Приемы построения структурных формул изомеров

Рассмотримна примере алкана С6Н14.

1. Сначалаизображаем молекулу линейного изомера(ее углеродный скелет)

    (1)

2. Затемцепь сокращаем на 1 атом углерода и этотатом присоединяем к какому-либо атомууглерода цепи как ответвление от нее,исключая крайние положения:

   (2)    или      (3)

Еслиприсоединить углеродный атом к одномуиз крайних положений, то химическоестроение цепи не изменится:

Крометого, нужно следить, чтобы не былоповторов. Так, структура  идентичнаструктуре (2).

3. Когдавсе положения основной цепи исчерпаны,сокращаем цепь еще на 1 атом углерода:

Теперьв боковых ответвлениях разместятся 2атома углерода. Здесь возможны следующиесочетания атомов:

   (4)    и      (5)

Боковойзаместитель  ССможно размещать только в цепи, содержащейне меньше 5-ти углеродных атомов иприсоединять его можно только к 3-му идалее атому от конца цепи.

4. Послепостроения углеродного скелета изомеранеобходимо дополнить все углеродныеатомы в молекуле связями с водородом,учитывая, что углерод четырехвалентен.

Итак,составу С6Н14 соответствует5 изомеров: 1)  2)  3)  4)  5)  

Источник: https://StudFiles.net/preview/3537647/