ПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (АЛКАНЫ) СnH2n+2

Гомологи - это соединения, имеющие одинаковый функциональный характер, но отличающиеся числом углеродных атомов, входящих в состав их углеводородных радикалов.
1. ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД АЛКАНОВ
Ниже представлены формулы и названия 10 первых представителей гомологического ряда алканов и соответствующих им одновалентных радикалов:

1. ГОМОЛОГИЧЕСКИЙ РЯД АЛКАНОВ

2. ИЗОМЕРИЯ АЛКАНОВ
Изомерия – это явление, при котором вещества имеют одинаковый качественный и количественный состав, но различные свойства.
1. Структурная изомерия ( изомерия углеродного скелета)
2. Поворотная изомерия (конформационная изомерия)
Возможные типы изомерии алканов:
ИЗОМЕРИЯ УГЛЕРОДНОГО СКЕЛЕТА

Число структурных изомеров резко возрастает по мере увеличения числа углеродных атомов в молекуле алкана:
ИЗОМЕРИЯ УГЛЕРОДНОГО СКЕЛЕТА

СТЕРЕОХИМИЯ И НАГЛЯДНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ
МОЛЕКУЛ
Молекулы являются трехмерными объектами, и многое зависит от того, знаем ли мы точное пространственное расположение атомов в них. Пространственная структура молекул и вытекающие из этого следствия изучаются одной из важнейших областей химии — стереохимией.
Пространственную структуру молекул лучше всего можно представить с помощью молекулярных моделей, которые бывают трех видов: сферические модели, дающие прежде всего представление об объемных отношениях в молекуле, скелетные модели и шаростержневые модели, подчеркивающие прежде всего пространственную ориентацию:

Рис. 1. Модели молекулы этана.
а — сферическая (по Стюарту—Бриглебу); б — скелетная; в — шаростержневая
ТИПЫ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МОДЕЛЕЙ
на примере этана
б
а
в

Рис. 1. Шаростержневая
модель молекулы метана.
В метане атом углерода связан с четырьмя равноценными атомами водорода, которые располагаются совершенно симметрично относительно атома углерода (рис. 13).
При подобном симметричном расположении угол, образо-ванный направлением валентностей атомов водород — углерод — водород, будет одинаков и равен 109° 28‘.
Для характеристики строения предельных углеводородов важное значение имеет вопрос об их пространственной структуре - о расположении в пространстве атомов углерода и водорода.
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ
ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ. МЕТАН

Мысленное соединение линией всех атомов водорода в молекуле метана приводит к геометрической фигуре, называемой тетраэдром; в центре его находится атом углерода (рис. 2). Эти идеи были развиты в 1874 г. Я. Вант-Гоффом и независимо от него А. Ле Белей, получили название тетраэдрической теории. С учетом межъядерных расстояний и радиусов атомов модель молекулы метана будет выглядеть, как показано на рисунке 3.
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ
ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ. МЕТАН
Рис.2. Тетраэдрическая
модель молекулы метана.
ковалентных и ван-дер-ваальсовых радиусов (по Стюарту—Бриглебу).
Рис.3. Структурная модель молекулы метана из шари-ковых сегментов с учетом

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ СТРОЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ. МЕТАН. ЭТАН
Рис.4. Расположение орбиталей в метане.
В этане, построенном из двух тетраэдрических атомов углерода, направление углерод-углеродной связи совпадает с направлением свободных валентностей атомов углерода в радикалах (рис. 5).
Рис.5.Шаростержневая модель молекулы этана.

Расположение ϭ-связей
в молекуле этана,
СТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛЫ ЭТАНА И РАСПОЛОЖЕНИЕ ОРБИТАЛЕЙ В ЭТАНЕ .
Структурная модель
молекулы этана.

Для молекулы этана возможны две крайние конформации. В одной из них атомы водорода метильных групп расположены один над другим, в другой они находятся в просветах. Естественно, что вследствие вращения по углерод-углеродной связи молекула принимает энергеическм наиболее выгодную конформацию, в которой атомы водорода различных метильных групп наиболее разобщены.
Свободная энергия этой конформации на 12,6 кДж/моль меньше энергии конформации со сближенными атомами водорода.
КОНФОРМАЦИИ
Различные геометрические формы молекул, переходящие друг в друга путем вращения вокруг простых связей, называют конформациями или поворотными изомерами (конформерами)

Рис. Конформации молекулы этана
а) – заслоненная; б) – заторможенная
Взаимное расположение атомов водорода обеих метиль-ных групп отчетливо видно на проекциях конформации называемых проекциями Ньюмена:
ПРОЕКЦИИ НЬЮМЕНА
а)
б)

3аторможенная
конформация
скошенная
Заслоненная
конформация
Заслоненная
конформация
3аторможенная
конформация
трансоидная
КОНФОРМАЦИИ МОЛЕКУЛЫ БУТАНА

1 — фтористый метил; 2 — хлористый метил; 3 — бромистый метил; 4 — йодистый метил; 5— хлористый винил; 6 — тетрафторэтилен.
1
2
3
4
5
6
Структурные модели простейших
галогеноалканов и галогеноалкенов:

3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ
Физические свойства предельных углеводородов, как и других органических соединений, определяются их составом и строением. В гомологическом ряду углеводородов с нормальной цепью четыре первых члена при обычной температуре — газы, далее следуют жидкости и, начиная с C16H34, — твердые вещества (табл.).
1 При температуре кипения. 2 В жидком состоянии, под давлением.

3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Температуры кипения в гомологическом ряду возрастают, причем разность температур кипения ближайших гомологов все время уменьшается.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ
Изомеры с нормальной цепью углеродных атомов кипят при более высокой температуре, чем с разветвленной цепью.
Это объясняется меньшим взаимодействием между молекулами с разветвленной цепью в жидком состоянии: ответвления от главной цепи создают пространственные препятствия для сближения молекул.
Следует подчеркнуть, что углеводороды с разветвленной цепью имеют меньшую склонность к комплексообразованию, например с мочевиной. Поэтому нормальные изомеры можно отделять от изомеров с разветвленной структурой в виде комплексов с мочевиной (промышленный метод).

В промышленности в последнее время все большее значение приобретают методы разделения смесей с помощью катратов — соединении включения. Эти методы основаны на различной способности молекул, отличающихся по форме и ветчине, размещаться между молекулами некоторых твердых веществ, имеющих слоистую или сетчатую кристаллическую структуру. Извлеченные в виде клатратов вещества достаточно легко освобождаются от «хозяина». В нефтеперерабатывающей промышленности наиболее широко используются в качестве клатрато-образователей мочевина, тиомочевина, некоторые комплексные соли металлов, цеолиты и другие материалы.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ

Температуры кипения в гомологическом ряду возрастают, причем разность температур кипения ближайших гомологов все время уменьшается.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ
Температуры плавления в гомологическом ряду предельных углеводородов медленно возрастают. При этом предельные углеводороды образуют два ряда: четных и нечетных гомологов. Температуры плавления четных гомологов обычно выше, чем аналогично построенных нечетных.
н-Гептан; Т.пл. — 90,6 оС
н-Октан; Т.пл. —56,8 оС
н-Нонан; Т.пл. — 53,6оС
Чем это
объясняется?

Это явление объясняют различным пространственным расположением концевых метильных групп относи-тельно друг друга. В углеводородах четного ряда они расположены по разные стороны от оси молекулы, а нечетного — по одну сторону.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ
Благодаря более симметричному строению молекулы кислот с четным числом углеродных атомов сильнее взаимодействуют между собой в кристаллической решетке и ее труднее разрушить при нагревании.
Подобная закономерность проявляется и в рядах производных предельных углеводородов, например, температура плавления карбоновых кислот нормального строения с четным числом углеродных атомов выше, чем температура плавления соседних кислот с нечетным числом углеродных атомов:

энантовая
Т,пл. — 10,5оС
каприловая
Т,пл. 16,2оС
пеларгоновая
Т,пл. 12,5оС
3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛКАНОВ
Т.пл. четных и нечетных гомологов
Алканы — вещества неполярные и трудно поляризуемые. Растворимость их в воде ничтожна. Алканы поглощают ультрафиолетовое излучение в области длин волн менее 200 нм. В спектрах инфра-красного поглощении для них характерны поосы в области 2800 – 3000 см –1.

4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ. НЕФТЬ И ПУТИ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ
Алканы можно получить из соединений с тем же, меньшим или большим числом углеродных атомов.
Нефть разгонкой при обычном давлении разделяется на три фракции: бензин, керосин и мазут; из этих основных фракций выделяют более узкие фракции:
1.1 Из сырой нефти:

Фракционирование нефти

4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ. НЕФТЬ И ПУТИ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ
Для увеличения выхода бензина и др. ценных для хим. промышленности продуктов нефтяные фракции подвер-гают крекингу. Крекинг - термическое разложение улеводородов и других составных частей нефти.
Твердый остаток после отгонки всех фракций- гудрон, содержащий высшие алканы (до С50), окисляют кислородом воздуха; образующийся битум используют для строительства дорог.
1.2 Каталитическое гидрирование алкенов
и алкинов, начиная с пентана:
R–CH=CH–R R–CH2 – CH2–R
H2, Pt
R–CH2– CH2–R
R–C ≡ С–R
H2, Pd
R–C ≡ С–R
R–CH2– CH2–R
H2, Ni

4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ.
1.3 Восстановление галогенопроизводных R-X
а) R-X
R-H + HX
H2/Pt
б) R-X
R-H + HX
Na, C2H5OH
в) R- I + HI*
R-H + I2
* Иодисгый водород восстанавливает и кислородные соединения (кислоты, спирты, эфиры и др.).

4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ.
1.4 Гидролиз магнийорганических
соединений R-MgX
R−MgX
R-H + MgOHX
H2O, Н+
R−MgX
R-H + ROMgX
ROН
R−MgX
R-H + R-C≡CMgX
RC≡CH
Магнийорганические соединения можно получить из галогенопроизводных.

1.5 Реакция Вюрца:
4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ.
2C2H5I + 2Na С2Н5– С2Н5 + 2NaI
возможный механизм:
R–СН2 + R–СН–Сl R–СН2–СН2–R + Сl
R–CH2–Cl + 2Na [R—CН2] Na + NaCl
-
-
··
··
+
··
-
Вместо натрия в этой реакции могут быть использованы и другие металлы, например литий, магний, цинк.

Особенностью синтеза Вюрца является то, что он дает хорошие выходы в случае использования в качестве исходных веществ первичных галогеналкилов. Кроме того при использовании разных алкилгалогенидов в результате реакции получается смесь трех углеводородов:
1.5 Реакция Вюрца:
RX + R′– X
(R–R + R–R′ + R′– R′ )
Na
1.6. Реакция Кори — Хауса.
Вместо натрия в этой реакции могут быть использованы и другие металлы, например литий, магний, цинк.
R–X + 2Li R–Li + LiX
2R–Li + Cul R2Cu–Li + LiI
R2CuLi + 2R'–I 2R–R' + LiM + CuI
4. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКАНОВ.