Алкани: будова, ізомерія і назви

Алкани — це насичені ациклічні вуглеводні, у молекулах яких є лише прості (сигма-) зв'язки між атомами Карбону й Гідрогену. Кожен атом Карбону в алкані утворює чотири зв'язки, а кожен атом Гідрогену — один. Загальна формула алканів — $C_n{H}_{2n+2}$, де $n\ge 1$. Два сусідні гомологи відрізняються на групу $C{H}_2$ — це гомологічна різниця.

Перші десять гомологів

Гомологічний ряд алканів починається з метану. Ось перші десять представників:

Як утворюють назви алканів

Назви перших чотирьох алканів — метан, етан, пропан, бутан — історичні, вони не пов'язані з числівниками. Починаючи з пентану ($C_5{H}_{12}$), корінь назви походить від числівника — грецького: пент- (5), гекс- (6), гепт- (7), окт- (8), дек- (10), або латинського: нон- (9, від nonus). До кореня додають суфікс -ан, який вказує, що сполука належить до насичених вуглеводнів.

Алкіли — замісники в назвах

Якщо від алкану «відняти» один атом Гідрогену, утворюється одновалентний залишок — алкіл із загальною формулою $C_n{H}_{2n+1}$. Найважливіші алкіли:

• метил $C{H}_3-$

• етил $C_2{H}_5-$

• пропіл $C_3{H}_7-$

Алкіли використовують як замісники в назвах розгалужених алканів.

Відносна молекулярна маса алкану

Відносну молекулярну масу алкану обчислюють за формулою:

$$M_r(C_n{H}_{2n+2})=12n+2n+2=14n+2$$

Атомні маси Карбону й Гідрогену в завданнях НМТ округлюють до цілих: $A_r(C)=12$, $A_r(H)=1$. Наприклад, $M_r(C_5{H}_{12})=14\cdot 5+2=72$, $M_r(C_8{H}_{18})=14\cdot 8+2=114$.

Якщо відома молярна маса алкану, його формулу знаходять із рівняння $14n+2=M$. Наприклад, $M=86$ г/моль: $14n+2=86\Rightarrow 14n=84\Rightarrow n=6$, отже, алкан — гексан $C_6{H}_{14}$.

Як упізнати алкан серед інших вуглеводнів

Найпростіший спосіб — перевірити, чи виконується співвідношення: кількість атомів Гідрогену дорівнює подвоєній кількості атомів Карбону плюс два: $H=2C+2$.

• $C_7{H}_{16}$ — алкан ($16=2\cdot 7+2$)

• $C_7{H}_{14}$ — не алкан ($14\ne 2\cdot 7+2$), це алкен

• $C_7{H}_{12}$ — не алкан, це алкін

Задачі на знаходження формули алкану за густиною або масовою часткою елементів розглядають у курсі «Обчислення в хімії».

Будова молекули метану — ключ до розуміння просторової будови всіх алканів. Атом Карбону в метані перебуває в стані $s{p}^3$-гібридизації, тому чотири гібридні орбіталі напрямлені до вершин правильного тетраедра.

Тетраедрична будова метану

У молекулі метану атом Карбону міститься в центрі правильного тетраедра, а чотири атоми Гідрогену — у його вершинах. Кути між зв'язками H–C–H становлять $109^{\circ }28^{\prime }$. Це максимально можливий кут для чотирьох однакових замісників навколо центрального атома.

Кулестрижневі та масштабні моделі метану показують ту саму просторову будову: атоми не лежать в одній площині, тому зображати молекулу метану плоскою з кутами $90^{\circ }$ — помилка.

Зигзагоподібний карбоновий ланцюг

У довших молекулах алканів кожен атом Карбону також має тетраедричне оточення. Чотири зв'язки кожного атома Карбону напрямлені під кутами $109^{\circ }28^{\prime }$ один до одного, тому карбоновий ланцюг набуває зигзагоподібної форми, а не є прямою лінією. Наприклад, у пентані $C_5{H}_{12}$ атоми Карбону розташовані не в ряд, а «ламаною» лінією.

Обертання навколо простого зв'язку C–C

Навколо простого (сигма-) зв'язку C–C можливе вільне обертання. Тому карбоновий ланцюг може набувати різних конформацій — різних просторових форм без розриву хімічних зв'язків. Усі ці конформації відповідають тій самій речовині, а не різним ізомерам. Наприклад, «зігнутий» і «витягнутий» записи бутану на папері — це та сама сполука.

Міцність і полярність зв'язків

Зв'язки C–C і C–H в алканах міцні (енергія зв'язку C–H близько 410 кДж/моль) і малополярні, оскільки різниця електронегативностей Карбону (2,55) і Гідрогену (2,20) невелика. Молекули алканів загалом неполярні. Саме тому за звичайних умов алкани хімічно малоактивні — вони не реагують із лугами, кислотами, окисниками за кімнатної температури. Хімічні реакції алканів (горіння, галогенування, термічний розклад) потребують нагрівання або опромінення — це тема наступного уроку.

В алканів існує лише один тип структурної ізомерії — ізомерія карбонового ланцюга (скелетна ізомерія). Вона можлива тільки тоді, коли в молекулі є щонайменше чотири атоми Карбону. Тому метан, етан і пропан ізомерів не мають.

Ізомери бутану $C_4{H}_{10}$

Бутан — перший алкан, у якого з'являється ізомер. Складу $C_4{H}_{10}$ відповідають дві речовини:

• н-бутан (нормальний бутан): $C{H}_3-C{H}_2-C{H}_2-C{H}_3$ — нерозгалужений ланцюг

• 2-метилпропан (ізобутан): $C{H}_3-CH(C{H}_3)-C{H}_3$ — розгалужений ланцюг

Зверни увагу: обидві речовини мають однаковий молекулярний склад $C_4{H}_{10}$, але різну будову, а отже, різні фізичні властивості.

Ізомери пентану $C_5{H}_{12}$

Складу $C_5{H}_{12}$ відповідають три структурні ізомери (сам пентан має два ізомери):

Кількість ізомерів швидко зростає зі збільшенням числа атомів Карбону: $C_6{H}_{14}$ — 5 ізомерів, $C_7{H}_{16}$ — 9, $C_{10}{H}_{22}$ — 75. Як систематично перебирати всі ізомери, пояснює окремий урок «Структурна ізомерія і підрахунок ізомерів».

Як називати розгалужені алкани

Систематична номенклатура (IUPAC) для розгалужених алканів вимагає трьох кроків:

1. Знайти найдовший нерозгалужений ланцюг атомів Карбону — це головний ланцюг. Його назва стає основою назви.

2. Пронумерувати атоми Карбону в головному ланцюзі з того кінця, до якого розгалуження (замісник) розташоване ближче.

3. Вказати положення й назви замісників (алкілів) перед назвою головного ланцюга. Якщо замісників кілька, їх перелічують за абеткою або з використанням префіксів ди-, три- тощо.

Розгляньмо приклади:

• $C{H}_3-CH(C{H}_3)-C{H}_2-C{H}_2-C{H}_3$ — найдовший ланцюг має 5 атомів C (пентан), замісник метил при другому атомі → 2-метилпентан

• $C{H}_3-CH(C{H}_3)-CH(C{H}_3)-C{H}_3$ — найдовший ланцюг — 4 атоми C (бутан), два метильні замісники при 2-му та 3-му атомах → 2,3-диметилбутан

Нерозгалужені алкани іноді позначають префіксом н- (від «нормальний»): н-гексан, н-октан тощо. Це не є обов'язковою частиною систематичної назви, але допомагає підкреслити, що ланцюг не має розгалужень.

Агрегатний стан алканів і їхні температури кипіння закономірно змінюються в гомологічному ряду. Ці зміни зумовлені міжмолекулярними силами — вандерваальсовим притяганням, яке зростає зі збільшенням молекулярної маси.

Агрегатний стан за кімнатної температури

За температури $20^{\circ }C$ і атмосферного тиску:

• $C_1-C_4$ (метан, етан, пропан, бутан) — гази

• $C_5-C_{16}$ (пентан… гексадекан) — рідини

• $C_{17}$ і далі — тверді речовини

Межа між рідинами й твердими речовинами залежить від температури: гексадекан $C_{16}{H}_{34}$ плавиться близько $18^{\circ }C$, тому за прохолодної погоди він може бути твердим. Парафін — це суміш твердих алканів $C_{18}-C_{35}$, яку використовують для виготовлення свічок. Метан — газ без кольору й запаху, легший за повітря (густина ≈ $0,72$ г/л за н. у.).

Температури кипіння нерозгалужених алканів

Температура кипіння зростає зі збільшенням молекулярної маси, оскільки більші молекули мають більшу площу поверхні й сильніше притягуються одна до одної:

Як бачиш, перехід від газів до рідин відбувається між бутаном ($-0,5^{\circ }C$) і пентаном ($36^{\circ }C$).

Вплив розгалуженості на температуру кипіння

Серед ізомерів з однаковою молекулярною масою нижче кипить той, чий ланцюг більш розгалужений. Причина — компактна молекула має меншу площу поверхні, тому слабше притягується до сусідніх молекул:

• н-Пентан (нерозгалужений): $36^{\circ }C$

• 2-Метилбутан (одне розгалуження): $28^{\circ }C$

• 2,2-Диметилпропан (два розгалуження): $9,5^{\circ }C$

Саме тому 2,2-диметилпропан за кімнатної температури — газ, хоча його ізомер н-пентан — рідина.

Розчинність та інші фізичні властивості

Алкани — неполярні сполуки, тому:

• у воді не розчиняються (і легші за воду)

• добре розчиняються в органічних розчинниках (бензені, $CC{l}_4$, етері)

• тверді алкани утворюють молекулярні кристалічні ґратки

Температури плавлення алканів загалом теж зростають у гомологічному ряду, але залежать не лише від молекулярної маси, а й від пакування молекул у кристалі та їхньої симетрії. Тому правило «розгалужений ізомер кипить нижче» не переносять автоматично на температури плавлення.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему алканів — як їх розв'язувати й уникати пасток.

Приклад 1. Структуроване завдання з короткою відповіддю

Завдання стосується 2-метилпропану.

1) Обчисли відносну молекулярну масу 2-метилпропану.

2) Скільки структурних ізомерів має ця речовина?

Розв'язання:

• 2-Метилпропан — це $C_4{H}_{10}$ (ізобутан). Молекулярна формула та сама, що в бутану.

• $M_r(C_4{H}_{10})=4\cdot 12+10\cdot 1=48+10=58$.

• 2-Метилпропан має лише один структурний ізомер — бутан (н-бутан). Саму речовину (2-метилпропан) не враховуємо.

Відповідь: 1) 58; 2) 1.

Пастка: якщо взяти формулу $C_4{H}_8$ (алкан не може мати стільки Гідрогену!), то $M_r=56$ — це неправильно. Друга пастка: порахувати й саму речовину як ізомер — тоді вийде 2, але ізомер — це інша сполука, а не вона сама.

Приклад 2. Вибір однієї відповіді з чотирьох

Молярна маса алкану становить 100 г/моль. Укажи його формулу.

Розв'язання:

1. Записуємо рівняння: $14n+2=100$.

2. $14n=98\Rightarrow n=7$.

3. Формула: $C_7{H}_{16}$ — це гептан.

Відповідь: $C_7{H}_{16}$.

Чому інші варіанти неправильні:

• $C_7{H}_{14}$ — це алкен, а не алкан ($M_r=98$).

• $C_8{H}_{18}$ — октан, $M_r=114$.

• $C_6{H}_{14}$ — гексан, $M_r=86$.

Приклад 3. Вибір однієї відповіді з чотирьох

У якому ряду речовини розташовано за зростанням температури кипіння?

Розв'язання:

Серед ізомерів $C_5{H}_{12}$ температура кипіння найнижча в найрозгалуженішого — 2,2-диметилпропану ($9,5^{\circ }C$), далі 2-метилбутан ($28^{\circ }C$), найвища в н-пентану ($36^{\circ }C$). Отже, правильний порядок за зростанням: 2,2-диметилпропан → 2-метилбутан → пентан.

Відповідь: 2,2-диметилпропан, 2-метилбутан, пентан.

Чому інші варіанти неправильні:

• Пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан — це зворотний порядок (від найвищої до найнижчої).

• Бутан, пропан, етан — температури кипіння спадають, а не зростають.

• Пентан, бутан, метан — теж спадають.

Приклад 4. Вибір однієї відповіді з чотирьох

Укажи ізомер пентану.

Розв'язання:

Пентан має формулу $C_5{H}_{12}$. Ізомером пентану є сполука з таким самим складом, але іншою будовою. 2-Метилбутан ($C{H}_3-CH(C{H}_3)-C{H}_2-C{H}_3$) має формулу $C_5{H}_{12}$ — це ізомер пентану.

Відповідь: 2-метилбутан.

Чому інші варіанти неправильні:

• 2-Метилпентан має формулу $C_6{H}_{14}$ — це ізомер гексану, а не пентану.

• 2-Метилпропан має формулу $C_4{H}_{10}$ — це ізомер бутану.

• Пент-1-ен має формулу $C_5{H}_{10}$ — це алкен, а не алкан, до того ж інший клас сполук.

• Приписувати алканам загальну формулу $C_n{H}_{2n}$ (це формула алкенів) і вважати $C_5{H}_{10}$ алканом. Правильно: алкани мають формулу $C_n{H}_{2n+2}$, тому $C_5{H}_{10}$ — не алкан.

• Шукати ізомери в пропану або вважати зігнутий запис бутану окремим ізомером. Пропан ($C_3{H}_8$) не має ізомерів, а різні конформації бутану — це та сама речовина.

• Вважати, що розгалужений ізомер кипить вище за нерозгалужений. Насправді навпаки: компактна молекула має меншу площу контакту, тому міжмолекулярне притягання слабше, і температура кипіння нижча.

• Рахувати $M_r$ з неокругленими атомними масами (12,011). У завданнях НМТ 21–24 атомні маси округлюють до цілих: $A_r(C)=12$, $A_r(H)=1$.

• Називати $C{H}_3-CH(C{H}_3)-C{H}_2-C{H}_3$ 3-метилбутаном. Правильно: нумерацію починають з того кінця, до якого розгалуження ближче, — тому це 2-метилбутан.

• Уявляти молекулу метану плоскою з кутами $90^{\circ }$. Метан має тетраедричну будову з кутами $109^{\circ }28^{\prime }$, усі чотири атоми Гідрогену розташовані в просторі, а не в одній площині.

У демоваріанті НМТ-2026 структуроване завдання 21 побудоване на алкані. Воно складається з двох частин:

• 21.1 — обчислення відносної молекулярної маси алкану (1 бал, відповідь — число)

• 21.2 — визначення кількості його структурних ізомерів (1 бал, відповідь — число)

Інструкція до завдань 21–24 нагадує: значення відносних атомних мас округлюють до одиниць (C — 12, H — 1). Атомні маси беруть з періодичної системи в довідкових матеріалах, які додають до тесту.

Програма НМТ (тема 3.2.1) передбачає, що ти вмієш:

• називати загальну формулу алканів

• складати молекулярні, структурні й напівструктурні формули алканів складу $C{H}_4-C_{10}{H}_{22}$ та їхніх ізомерів

• обґрунтовувати залежність агрегатного стану й температур плавлення та кипіння від молекулярної маси й будови

У завданнях 1–18 (вибір однієї відповіді з чотирьох, 1 бал) можуть трапитися:

• формула чи назва алкану

• ізомер заданого алкану

• ряд речовин за зростанням температури кипіння

Стратегія: формулу алкану завжди перевіряй правилом H = 2C + 2. Це миттєво відсіває алкени, алкіни та інші вуглеводні.

• Алкани — насичені вуглеводні з загальною формулою $C_n{H}_{2n+2}$, у молекулах лише прості зв'язки C–C і C–H.

• Гомологічний ряд: від метану $C{H}_4$ до декану $C_{10}{H}_{22}$ і далі; гомологічна різниця — $C{H}_2$.

• Метан має тетраедричну будову з кутами $109^{\circ }28^{\prime }$; карбонові ланцюги алканів зигзагоподібні.

• Ізомерія карбонового ланцюга можлива з бутану: $C_4{H}_{10}$ — 2 ізомери, $C_5{H}_{12}$ — 3, $C_6{H}_{14}$ — 5.

• Алкани $C_1-C_4$ за звичайних умов — гази; температура кипіння зростає з молекулярною масою, а розгалуження ланцюга її знижує.

• Відносна молекулярна маса алкану: $M_r=14n+2$; атомні маси C і H у завданнях НМТ округлюють до цілих.