Химические свойства алканов
Метан и его гомологи называются предельными (насыщенными) парафиновыми углеводородами или алканами. Последнее название органическим веществам (имеют общую химическую формулу Cnh3n+2, отражающую насыщенность молекул, атомы в которых связаны простыми ковалентными связями углерод–водород или углерод–углерод) присвоено в соответствии с международной номенклатурой химических соединений. У них есть два основных источника: сырая нефть и природный газ. Свойства алканов в гомологическом ряду с повышением в молекуле числа углеродных атомов закономерно изменяются.
Первые четыре представителя гомологического ряда имеют исторически сложившиеся наименования. Углеводороды, стоящие за ними обозначаются греческими числительными с окончанием –ан. Относительная молекулярная масса каждого последующего углеводорода отличается от предыдущего на 14 а.е.м. Физические свойства алканов, такие как температура плавления (застывания) и кипения (конденсации), плотность и показатель преломления, растут с увеличением молекулярной массы. С метана по бутан — это газы, с пентана по пентадекан —жидкости, затем следуют твердые вещества. Все парафины легче воды и не растворяются в ней. К алканам относятся:
- Ch5 — метан;
- C2H6 — этан;
- C3H8 — пропан;
- C4h20 — бутан;
- C5h22 — пентан;
- C6h24 — гексан;
- C7h26 — гептан;
- C8h28 — октан;
- C9h30 — нонан;
- C10h32 — декан;
- C11h34 — ундекан;
- C12h36 — додекан;
- C13h38 — тридекан;
- C14h40 — тетрадекан;
- C15h42 — пентадекан;
- C16h44 — гексадекан;
- C17h46 — гептадекан;
- C18h48 — октадекан;
- C19h50 — нонадекан;
- C20h52 — эйкозан и так далее.
Химические свойства алканов отличаются низкой активностью. Это объясняется относительной прочностью неполярных C–C и малополярных C–H связей, а также насыщенностью молекул. Все атомы соединены одинарными σ-связями, которые сложно разрушить из-за их малой поляризуемости. Разрыв их может осуществиться только при определенных условиях, при этом образуются радикалы, которые носят названия соответствующих парафиновых соединений с заменой окончания. Например, пропан — пропил (C3H7–), этан — этил (C2H5–), метан — метил (Ch4–) и так далее.
Химические свойства алканов говорят об инертности этих соединений. Они не способны к реакциям присоединения. Типичными для них являются реакции замещения. Окисление (горение) парафиновых углеводородов протекает только при повышенной температуре. Они могут окисляться до спиртов, альдегидов и кислот. В результате крегинга (процесс термического расщепления углеводородов) высших алканов при температуре от 450 до 550 °С могут образовываться насыщенные углеводороды с меньшей молекулярной массой. С повышением температуры термическое разложение называют пиролизом.
Химические свойства алканов зависят не только от числа в молекуле углеродных атомов, но также и от строения. Все парафины можно разделить нормального (каждый атом C может соединяться не более чем с двумя углеродным атомами) и изо-строения (атом C может быть соединен с четырьмя другими C-атомами, за счет этого молекула имеет пространственное строение). Например, пентан и 2,2-Диметилпропан имеют одинаковую молекулярную массу и химическую формулу C5h22, но по химическим и физическим свойствам они будут отличаться: температура плавления минус 129,7 °С и минус 16,6 °С, кипения 36,1 °С и 9,5 °С соответственно. Изомеры легче вступают в химические реакции, чем углеводороды нормального строения с одинаковым числом атомов C.
Характерные химические свойства алканов — это реакции замещения, к которым относятся галогенирование или сульфирование. В результате взаимодействия с хлором парафина по радикальному механизму под действием температуры или света образуются хлорпроизводные метана: хлорметан Ch4Cl, дихлорметан Ch3Cl2, трихлорметан CHCl3 и тетрахлорметан CCl4. При сульфировании алканов под действием УФ-света, получаются сульфонилхлориды: R–H + SO2 + Cl2 → R–SO2–Cl+ HCl. Эти вещества используются в производстве ПАВ.
fb.ru
| Химическая формула | Название соединения | Номер по классификатору CAS |
|---|---|---|
| CCl2F2 | дифтордихлорметан фреон-12 | 75-71-8 |
| CCl4 | тетрахлорид углерода тетрахлорметан | 56-23-5 |
| CFCl3 | фтортрихлорметан фреон-11 | 75-69-4 |
| CFCl2CF2Cl | фреон-13 | |
| CHCl3 | хлороформ трихлорметан трихлорид метила | 67-66-3 |
| CHO2 | формиат | |
| CH2CHCHCH2 | 1,3-бутадиен | |
| CH2CO | кетен | |
| CH2ClCOOH | хлоруксусная кислота | |
| CH2Cl2 | дихлорметан | 75-09-2 |
| CH2O | 19710-56-6 | |
| CH2OHCH2OH | этиленгликоль | |
| CH3CCH | пропин | |
| CH3CHCHCH3 | 2-бутен | |
| CH3CHCH2 | пропен | |
| CH3CHO | ацетальдегид | |
| CH3CH2Br | бромэтан | |
| CH3CH2CH2CH2OH | бутанол-1 | |
| CH3CH2CH2OH | пропанол-1 | |
| CH3CH2CONH2 | пропанамид | |
| CH3CH2COOH | пропионовая кислота | |
| CH3CH2OCH2CH3 | диэтиловый эфир этоксиэтан | |
| CH3CH2OH | этанол | |
| CH316COOH | стеариновая кислота | |
| CH3COCH3 | ацетон | |
| CH3COCl | ацетилхлорид | |
| CH3CONH2 | ацетамид | |
| CH3COO | ацетат | |
| CH3COOCHCH2 | винилацетат | |
| CH3COOCH2C6H5 | бензилацетат | |
| CH3COO2CH2 | изоамилацетат | |
| CH3COOH | уксусная кислота этановая кислота | |
| CH3Cl | хлорметан метилхлорид | 74-87-3 |
| CH3I | иодметан метилиодид | 74-88-4 |
| CH3OCH3 | диметиловый эфир | |
| CH3OH | метанол | 67-56-1 |
| CH3SCH3 | диметилсульфид DMS | |
| CH3SH | метилмеркаптан | |
| 2CHOH | изопропиловый спирт пропанол-2 изопропанол | |
| 2CO | ацетон | |
| 2C2O4 | диметилоксалат | |
| 2NNH2 | диметилгидразин | |
| 2SCH2CH2COO | диметилсульфониопропионат DMSP | |
| 3CCl | трет-бутилхлорид | |
| 3COH | трет-бутиловый спирт | |
| 3COOC3 | ди-трет-бутилпероксид DTBP | |
| CH4 | метан природный газ | 74-82-8 |
| CN | цианид | |
| C3NO3 | нитрат гуанидиния | |
| CNO | цианат | |
| CO | монооксид углерода угарный газ | 630-08-0 |
| COCl2 | фосген | 75-44-5 |
| CO2 | диоксид углерода | 124-38-9 |
| CO3 | карбонат | |
| CS2 | сероуглерод | 75-15-0 |
| C2F4 | тетрафторэтилен | 116-14-3 |
| C2H2 | ацетилен | 74-86-2 |
| C2H3Cl | винилхлорид | 75-01-4 |
| C2H3O2 | ацетат | |
| C2H4 | этилен | 74-85-1 |
| C2H4Cl2 | дихлорэтилен | 107-06-2 |
| C2H4O2 | уксусная кислота | 64-19-7 |
| C2H5Br | бромэтан | 74-96-4 |
| C2H5NH2 | этиламин | |
| C2H5NO2 | глицин Gly | 56-40-6 |
| C2H5O | этилат | |
| C2H5OH | этанол этиловый спирт | |
| 2NH | диэтиламин | |
| C2H6 | этан | 74-84-0 |
| C2H6OS | диметилсульфоксид DMSO | 67-68-5 |
| C2O4 | оксалат | |
| C3H3O4 | малонат | |
| C3H53 | нитроглицерин | |
| C3H6 | циклопропан | 75-19-4 |
| пропилен | 115-07-1 | |
| C3H7NO2 | аланин Ala | 56-41-7 |
| C3H7NO2S | цистеин Cys | 52-90-4 |
| C3H7NO3 | серин Ser | 56-45-1 |
| C3H8 | пропан | 74-98-6 |
| C3H8O | пропанол-1 | 71-23-8 |
| пропанол-2 | 67-63-0 | |
| C3N33 | циануровая кислота | |
| C3N12 | циануровый триазид | |
| C4H7BrO2 | 2-броммасляная кислота | 80-58-0 |
| 4-броммасляная кислота | 2623-87-2 | |
| α-бромизомасляная кислота | 2052-01-9 | |
| этилбромацетат | 105-36-2 | |
| C4H7NO4 | аспарагиновая кислота Asp | 56-84-8 |
| C4H8 | циклобутан | 287-23-0 |
| C4H8N2O3 | аспарагин Asn | 70-47-3 |
| C4H8O | тетрагидрофуран THF | 109-99-9 |
| C4H9NO3 | треонин Thr | 72-19-5 |
| C4H9OH | бутиловый спирт | |
| C4H10 | бутан | 106-97-8 |
| 2-метилпропан | 75-28-5 | |
| C4H10O | диэтиловый эфир | 60-29-7 |
| C5H4NCOOH | никотиновая кислота | |
| C5H5 | циклопентадиенил-анион | |
| C5H5N | пиридин | 110-86-1 |
| C5H9NO2 | пролин Pro | 147-85-3 |
| C5H9NO4 | глутаминовая кислота Glu | 56-86-0 |
| C5H10 | циклопентан | 287-92-3 |
| C5H10N2O3 | глутамин Gln | 56-85-9 |
| C5H10O4 | дезоксирибоза | 533-67-5 |
| C5H11NO2 | валин Val | |
| C5H11NO2S | метионин Met | 25343-91-3 |
| C5H12 | пентан | 109-66-0 |
| C6F5COOH | пентафторбензойная кислота | |
| C6H4O2 | ортобензохинон | 583-63-1 |
| парабензохинон хинон | 106-51-4 | |
| C6H5CHO | бензальдегид | |
| C6H5CH2OH | бензиловый спирт | |
| C6H5COCl | бензоилхлорид | |
| C6H5COO | бензоат | |
| C6H5COOH | бензойная кислота | |
| C6H5OH | фенол | |
| C6H5 O7 | цитрат | |
| 4Ge | тетрафенилгерман | |
| C6H6 | бензол | 71-43-2 |
| C6H6O2 | пирокатехин | 120-80-9 |
| гидрохинон | 123-31-9 | |
| резорцин | 108-46-3 | |
| C6H8O7 | лимонная кислота | 77-92-9 |
| C6H9N3O2 | гистидин His | 71-00-1 |
| C6H10O3 | 4-ацетилмасляная кислота | 3128-06-1 |
| глиоксилат бутила | 6295-06-3 | |
| ацетоацетат этила | 141-97-9 | |
| 2-гидроксипропилакрилат | 25584-83-2 | |
| пантолактон | 599-04-2 | |
| пропиловый пируват | ||
| C6H12 | циклогексан | 110-82-7 |
| C6H12O6 | фруктоза | 7660-25-5 |
| глюкоза | 50-99-7 | |
| C6H13NO | N-этилморфолин | 1119-29-5 |
| C6H13NO2 | изолейцин Ile | 73-32-5 |
| лейцин Leu | 61-90-5 | |
| C6H14 | гексан | 110-54-3 |
| C6H14N2O2 | лизин Lys | 56-87-1 |
| C6H14N4O2 | аргинин Arg | 74-79-3 |
| C7H8 | толуол | 108-88-3 |
| C7H16 | гептан | 142-82-5 |
| C8H8 | кубан | 277-10-1 |
| C8H9NO2 | ацетоаминофен | 103-90-2 |
| C8H18 | октан | 111-65-9 |
| C9H8O4 | ацетилсалициловая кислота аспирин | 50-78-2 |
| C9H11NO2 | фенилаланин Phe | 63-91-2 |
| C9H11NO3 | тирозин Tyr | 31330-59-3 |
| C9H20 | нонан | 111-84-2 |
| C10H8 | нафталин | 91-20-3 |
| C10H8 | азулен | |
| C10H15ON | эфедрин | 56370-30-0 |
| C10H16O | камфора | 76-22-2 |
| C10H22 | декан | 124-18-5 |
| C11H12N2O2 | триптофан Trp | 73-22-3 |
| C11H24 | ундекан | 1120-21-4 |
| C12H10 | бифенил | 92-52-4 |
| C12H22O11 | мальтоза | 69-79-4 |
| сахароза | 57-50-1 | |
| C12H26 | додекан | 112-40-3 |
| C13H10O | бензофенон | 119-61-9 |
| C13H12O | β-ионон, бетаионон | 2484-16-4 |
| C13H28 | тридекан | 629-50-5 |
| C14H10 | антрацен | 120-12-7 |
| C14H18N2O5 | аспартам | 81-14-1 |
| C14H30 | тетрадекан | 629-59-4 |
| C15H32 | пентадекан | 629-62-9 |
| C16H34 | гексадекан | 544-76-3 |
| C17H36 | гептадекан | 629-78-7 |
| C18H32O2 | линолевая кислота | 60-33-3 |
| C18H36O2 | стеариновая кислота | 57-11-4 |
| C18H38 | октадекан | 593-45-3 |
| C19H40 | нонадекан | 629-92-5 |
| C20H24O2N2 | хинин | 130-95-0 |
| C20H42 | эйкозан | 112-95-8 |
4108.ru
Алканы | Chemistry-gid.ru
В органической химии алканом или парафином (историческое название, которое также имеет другие значения), является ациклический насыщенный углеводород. Другими словами, алкан состоит из водорода и атомов углерода, расположенных в древовидной структуре, в которой все углерод-углеродные связи являются одиночными.
Алканы имеют общую химическую формулу CnH2n + 2. Алканы варьируются по сложности от простейшего случая метана, CH4, где n = 1 (иногда называемая исходной молекулой), до сколь угодно больших молекул.
Химическая структура метана, простейший алканКроме этого стандартного определения названная Международным союзом теоретической и прикладной химии, в использовании некоторых авторов термин алкана применяется к любому насыщенному углеводороду, в том числе те, которые являются либо моноциклическими (т.е. циклоалканы) или полициклическими.
В алкане, каждый атом углерода имеет 4 связи (либо С-С или С-Н), и каждый атом водорода присоединен к одному из атомов углерода (как в С-Н-связи). Самая длинная серия связанных атомов углерода в молекуле известна как ее углеродный скелет или углеродная основа. Число атомов углерода можно рассматривать как размер алкана.
Одна группа высших алканов представляет собой воски, твердые вещества при стандартных температуре окружающей среды и давлении (СТиДОС(Стандартная температура и давление окружающей среды)), для которых число атомов углерода в углеродной цепи больше, что примерно в 17 раз.
С повторными -CH2— звеньями алканы составляют гомологичный ряд органических соединений, в которых группы отличаются молекулярной массой кратным 14,03 мк (общая масса каждой такой метиленовой звеновой единицы, которая содержит единственный атом углерода с массой 12,01 мк и два атома водорода с массой ~ 1,01 мк каждый).
Алканы не очень реакционноспособны и обладают небольшой биологической активностью. Их можно рассматривать как молекулярные деревья, на которых могут быть подвешены более активные / реакционноспособные функциональные группы биологических молекул.
Алканы имеют два основных источника: нефть (сырая нефть) и природный газ.
Алкильная группа, обычно сокращенно обозначаемая символом R, представляет собой функциональную группу, которая, подобно алкану, состоит исключительно из связанных атомов ациклически связанных атомов углерода и водорода, например метильной или этильной группы.
Структура классификации
Насыщенными углеводородами являются углеводороды, имеющие только отдельные ковалентные связи между их атомами углерода. Они могут представлять:
- Линейную (общая формула CnH2n + 2), в которой атомы углерода соединены в змееподобной структуреe.
- Разветвленную (общую формулу Cnh3n + 2, n> 2), где углеродный скелет отщепляется в одном или нескольких направлениях.
- Циклическую (общую формулу CnH2n, n> 3), где углеродная цепь связана с образованием петли.
Согласно определению ИЮПАК, первые два являются алканами, тогда как третья группа называется циклоалканами. Насыщенные углеводороды могут также сочетать любые линейные, циклические (например, полициклические) и разветвленные структуры. Общая формула CnH2n-2k+2, где k — число независимых петель. Алканы являются ациклическими (без цикла), что соответствует k = 0.
Изометрия алканов
Различные C4-алканы и циклоалканы: н-бутан и изобутан являются двумя изомерами C4H10; Циклобутан и метилциклопропан являются двумя изомерами C4H Биоцикл бутан является единственным соединением C4H6 и не имеет изомера; Тетраэдр является единственным соединением C4H4 и также не имеет изомера.Алканы с более чем тремя атомами углерода могут быть расположены различными способами, образуя структурные изомеры. Простейшим изомером алкана является тот, в котором атомы углерода расположены в одной цепи без ветвей. Этот изомер иногда называют n-изомером (n «нормальный», хотя он не обязательно будет является наиболее распространенным). Однако цепь атомов углерода также может быть разветвленной в одной или в нескольких точках. Количество возможных изомеров быстро растет с числом атомов углерода. Например:
- C1: только метан
- C2: только этан
- C3: только пропан
- C4: 2 изомера: н-бутан и изобутан
- С5: 3-изомерa: пентан, изопентан и неопентан
- С6: 5 изомеров: гексан, 2-метилпентан, 3-метилпентан, 2,2-диметилбутан и 2,3-диметилбутан
- С12: 355 изомеров
- C32: 27,711,253,769 изомеров
- C60: 22, 157, 344, 355, 770, 411, 074, 184, многие из которых нестабильны.
Разветвленные алканы могут быть хиральными. Например, 3-метилгексан и его более высокие гомологи являются хиральными из-за их стереогенного центра у атома углерода номер 3. В дополнение к изомерам алканов, цепочка атомов углерода может образовывать одну или несколько петель. Такие соединения называют циклоалканами.
Номенклатура
Тетраэдрэйн
Номенклатура ИЮПАК (систематический способ обозначения соединений) для алканов основана на идентификации углеводородных цепей. Неразветвленные, насыщенные углеводородные цепи называются систематически с греческим цифровым префиксом, обозначающим количество атомов углерода и суффикс «-ан»
Углеводороды CnH2n + 2, CnH2n, CnH2n-2, CnH2n-4, CnH2n-6. Теперь первые три названия углеводородов с одной, двойной и тройной связью; «-он» представляет собой кетон; «-ол» означает спирт или группу ОН; «-окси-» означает простой эфир и относится к кислороду между двумя атомами углерода, так что метоксиметан является названием ИЮПАК для диметилового эфира.
Тяжело найти соединения с более чем одним ИЮПАК. Это объясняется тем, что более короткие цепи, прикрепленные к более длинным цепям, являются префиксами, а соглашение включает в себя скобки. Номера в названии, к которому относится группа углерода, должны быть как можно меньше, так что 1 подразумевается и обычно опускается из названий органических соединений только с одной боковой группой. Симметричные соединения будут иметь два способа достижения одного и того же имени.
Линейные алканы
Прямоцепные алканы иногда обозначаются приставкой «н-» (для нормальной), где существует нелинейный изомер. Хотя это и не является строго необходимым, использование все еще распространено в тех случаях, когда существует существенное различие в свойствах между изомерами с прямой цепью и разветвленной цепью, например, н-гексаном или 2- или 3-метилпентаном. Альтернативные названия для этой группы: линейные парафины или н-парафины.
Групповые ряды (числа атомов углерода) называются следующим образом:
Метан, CH4 — один углерод и четыре водорода
Этан, C2H6 — два атома углерода и шесть атомов водорода
Пропан, C3H8 — три углерода и 8 атомов водорода
Бутан, C4H10 — четыре углерода и 10 атомов водорода
Пентан, C5H12 — пятиуглерод и 12 атомов водорода
Пентан, C5H12 — пятиуглерод и 12 атомов водорода
Гексан, C6H14 — шесть атомов углерода и 14 атомов водорода
Первые четыре названия были получены из метанола, эфира, пропионовой кислоты и масляной кислоты соответственно (гексадекан также иногда называют цетаном). Названия алканов с пятью или более атомами углерода называются добавлением суффикса -ан к соответствующему префиксу числового множителя с элимированием любой терминальной гласной (-a или -o) от основного численного термина.
Разветвленные алканы
Простые разветвленные алканы часто имеют общее название, используя префикс, чтобы отличать их от линейных алканов, например, н-пентана, изопентана и неопентана.
Соглашения о присвоении имен ИЮПАК могут использоваться для создания систематического названия.
Ключевыми этапами в названии более сложных разветвленных алканов являются следующие:
- Определить самую длинную непрерывную цепь атомов углерода
- Назвать самую длинную корневую цепочку, используя стандартные правила именования
- Назовите каждую боковую цепь, изменив суффикс имени алкана с «-ан» на «-ил»
- Пронумеруйте корневую цепочку, чтобы дать самые низкие цифры для боковых цепей
- Номер и название боковых цепей перед именем корневой цепи
- Если есть несколько боковых цепей одного и того же типа, используйте префиксы типа «ди-» и «три», чтобы указать его как таковой, и пронумеруйте каждый.
- Добавить имена боковых цепей в алфавитном порядке (без учета «ди-» и т. д.) перед именем корневой цепочки
Насыщенные циклические углеводороды
Некоторые технически отличаются от алканов, этот класс углеводородов называют некоторыми как «циклические алканы». Как их описание подразумевает, что они содержат один или несколько колец.
Простые циклоалканы имеют приставку «цикло-», чтобы отличить их от алканов. Циклоалканы названы в соответствии с их ациклическими аналогами по числу атомов углерода в их основных цепях, например, циклопентан (C5H10) представляет собой циклоалкан с 5 атомами углерода, как и пентан (C5H12), но они объединены в пятичленные кольцо. Аналогичным образом пропан и циклопропан, бутан и циклобутан и т. д.
Замещенные циклоалканы названы так же, как и замещенные алканы — указано циклоалкановое кольцо и заместители находятся в соответствии с их положением на кольце, с нумерацией, определенной правилами приоритета Кан-Ингольд-Прелог.
Тривиальные / распространенные имена
Тривиальное (несистематическое) название алканов — парафины. Вместе алканы известны как парафиновые ряды. Тривиальные названия соединений обычно представляют собой исторические артефакты. Они были придуманы до разработки систематических названий и были сохранены благодаря знакомому использованию в промышленности. Циклоалканы также называют нафтенами.
Возможно, что термин «парафин» происходит от нефтехимической промышленности. Алканы с разветвленной цепью называются изопарафинами. Использование термина «парафин» является общим термином и часто не различает чистые соединения и смеси изомеров, то есть соединения с такой же химической формулой, например, с пентаном и изопентаном.
Примеры
Следующие тривиальные названия сохраняются в системе ИЮПАК:
Изобутана для 2-метилпропана
Изопентан для 2-метилбутана
Неопентана для 2,2-диметилпропана.
Химические свойства алканов
— вы можете изучить по данной ссылке, в полном, понятном изложении.
Физические свойства алканов
Все алканы бесцветны и не имеют запаха.
Таблица алканов.
| Алкан | Формула | Точка кипения [° C] | Точка плавления [° C] | Плотность [г · см-3] (при 20 ° C) |
| Метан | CH4 | −162 | −182 | Газ |
| Этан | C2H6 | -89 | −183 | Газ |
| Пропан | C3H8 | −42 | −188 | Газ |
| Бутан | C4H10 | 0 | −138 | 0.626 |
| Пентан | C5H12 | 36 | −130 | 0.659 |
| Гексан | C6H14 | 69 | −95 | 0.684 |
| Гептан | C7H16 | 98 | −91 | 0.684 |
| Октан | C8H18 | 126 | −57 | 0.718 |
| Нонан | C9H20 | 151 | −54 | 0.730 |
| Декан | C10H22 | 174 | −30 | 0.740 |
| Ундекан | C11H24 | 196 | -26 | 0.749 |
| Додекан | C12H26 | 216 | −10 | 0.769 |
| Пентадекан | C15H32 | 270 | 10-17 | 0.773 |
| Гексадекан | C16H34 | 287 | 18 | Твердый |
| Эйкозан | C20H42 | 343 | 37 | Твердый |
| Триконтан | C30H62 | 450 | 66 | Твердый |
| Тетроконтан | C40H82 | 525 | 82 | Твердый |
| Пентоконтан | С50H102 | 575 | 91 | Твердый |
| Гексоконтан | C60H122 | 625 | 100 | Твердый |
Точка кипения
Алканы испытывают межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса. Более сильные межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса вызывают более высокие точки кипения алканов.
Для силы Ван-Дер-Ваальсовых сил существует два детерминанта:
- Число электронов, окружающих молекулу, которое увеличивается с молекулярной массой алкана
- Площадь поверхности молекулы
В стандартных условиях от CH4 до C4H10 алканы являются газообразными; От C5H12 до C17H36 они являются жидкостями; И после C18H38 они являются твердыми. По мере того как температура кипения алканов в первую очередь определяются по весу, она не должна быть неожиданностью, что точка кипения имеет почти линейную зависимость с размером (молекулярная масса) молекулы. Как правило, температура кипения повышается на 20-30 ° C для каждого углерода, добавляемого в цепь. Это правило применяется и к другим гомологичным рядам.
В физической химии силы Ван-дер-Ваальса (или ван-дер-ваальсово взаимодействие), названные в честь голландского ученого Йоханнеса Дидерика Ван дер Ваальса, являются остаточными силами притяжения или отталкивания между молекулами или атомными группами, которые не возникают из ковалентных связей. Можно показать, что силы Ван-дер-Ваальса имеют то же происхождение, что и эффект Казимира, обусловленный квантовыми взаимодействиями с полем нулевой точки . Возникающие в результате силы Ван-дер-Ваальса могут быть притягивающими или отталкивающими.
Прямоцепной алкан будет иметь точку кипения выше, чем алкан с разветвленной цепью из-за большей площади поверхности, находящейся в контакте, таким образом, большие силы Ван-дер-Ваальса между соседними молекулами. Например, сравните изобутан (2-метилпропан) и н-бутан (бутан), которые кипят при -12 и 0 ° С, и 2,2-диметилбутан и 2,3-диметилбутан, которые кипят при 50 и 58 ° С, соответственно . [13] В последнем случае две молекулы 2,3-диметилбутана могут «защелкиваться» друг с другом лучше, чем крестообразный 2,2-диметилбутан, поэтому большие силы Ван-дер-Ваальса
С другой стороны, циклоалканы, как правило, имеют более высокие точки кипения, чем их линейные аналоги из-за заблокированных конформаций молекул, которые дают плоскость межмолекулярного контакта.
Точки плавления
Точки плавления алканов имеют сходную тенденцию к точкам кипения по той же причине, что и выше. То есть, (при прочих равных условиях) тем больше молекуле, тем выше температура плавления. Существует одно существенное различие между точками кипения и температурами плавления. Твердые вещества имеют более жесткую и фиксированную структуру, чем жидкости. Эта жесткая структура требует энергию для разрушения. Таким образом, для лучшего соединения твердых структур потребуется больше энергии для разрыва. Для алканов это видно на графике выше (то есть на зеленой линии). Нечетные алканы имеют более низкую тенденцию к плавлению, чем четные алканы. Это объясняется тем, что даже пронумерованные алканы хорошо укладываются в твердой фазе, образуя хорошо организованную структуру, которая требует больше энергии для разрыва. Алканы с нечетными номерами укладываются хуже, и поэтому организованная структура уплотнения с более «рыхлой» требует меньше энергии для разрыва.
Точки плавления алканов с разветвленной цепью могут быть либо выше, либо ниже, чем у соответствующих алканов с прямой цепью, опять же в зависимости от способности рассматриваемого алкана хорошо укладываться в твердой фазе: это особенно справедливо для изоалканов (2 -метильные изомеры), которые часто имеют температуры плавления выше, чем температуры линейных аналогов.
Проводимость и растворимость
Алканы не проводят электричество и не поляризуются электрическим полем. По этой причине они не образуют водородных связей и нерастворимы в полярных растворителях, таких как вода. Поскольку водородные связи между отдельными молекулами воды выровнены вдали от молекулы алкана, сосуществование алкана и воды приводит к увеличению молекулярного порядка (уменьшение энтропии). Поскольку между молекулами воды и молекулами алкана нет значительного сцепления, второй закон термодинамики предполагает, что это уменьшение энтропии должно быть минимизировано путем сведения к минимуму контакта между алканом и водой: алканы, как говорят, являются гидрофобными в том смысле, что они отталкивают воду.
Их растворимость в неполярных растворителях относительно хорошая, свойство, которое называется липофильностью. Различные алканы, например, смешиваются во всех пропорциях между собой.
Плотность алканов обычно увеличивается с числом атомов углерода, но остается меньше, чем у воды. Следовательно, алканы образуют верхний слой в качестве алкана-водной смеси.
Молекулярная геометрия
Молекулярная структура алканов непосредственно влияет на их физические и химические характеристики. Он получен из электронной конфигурации углерода, которая имеет четыре валентных электрона. Атомы углерода в алканов всегда sp3 гибридизовали, то есть, что валентные электроны, как говорят, в четырех эквивалентных орбиталей, полученных из комбинации 2s орбитальных и трех 2р-орбиталей. Эти орбитали, имеющие одинаковые энергии, расположены пространственно в виде тетраэдра, угол между ними cos-1 (- 1/3) ≈ 109,47 °.
Длины связей и валентные углы
Молекула алкана имеет только одинарные связи C-H и C-C. Первые являются следствием перекрытия sp3 орбитали углерода с 1s-орбиталью водорода; Последний — перекрытием двух sp3-орбиталей на разных атомах углерода. Длины связей составляют 1,09 × 10 -10 м для связи C-H и 1,54 × 10-10 мкм для связи C-C.
Пространственное расположение связей похоже на пространственное расположение четырех sp3-орбиталей — они расположены тетраэдрически с углом 109,47 ° между ними. Структурные формулы, которые представляют собой облигацию как под прямым углом друг к другу, в то время как и общие и полезные, не соответствуют действительности.
Конформация
Структурная формула и углы связи обычно недостаточны для полного описания геометрии молекулы. Существует еще одна степень свободы для каждого углерод-углеродной связи: торсионный угол между атомами или группами, связанными с атомами на каждом конце связи. Пространственное расположение, описываемое углами кручения молекулы, известно как его форма.
Этан образует простейший случай для изучения конформации алканов, так как существует только одна связь C-C. Если посмотреть вниз по оси C-C-связи, то увидите так называемую проекцию Ньюмана. Атомы водорода как на переднем, так и на заднем углеродном атоме имеют угол 120 ° между ними, что обусловлено проекцией основания тетраэдра на плоскую плоскость. Однако угол кручения между данным атомом водорода, присоединенным к переднему углероду, и заданным атомом водорода, присоединенным к заднему углероду, может свободно изменяться от 0 ° до 360 °. Это является следствием свободного вращения вокруг простой углерод-углеродной связи. Несмотря на эту кажущуюся свободу, важны только две предельные конформации: затменная конформация и ступенчатая конформация.
Шариковые и двухшнековые модели двух ротамеров этана
Две конформации, также известные как ротамеры, различаются по энергии: шахматная конформация составляет 12,6 кДж / моль ниже по энергии (более стабильной), чем затмеваемая конформация (наименее стабильная).
Это различие в энергии между двумя конформациями, называемое энергией кручения, мало по сравнению с тепловой энергией молекулы этана при температуре окружающей среды. Постоянное вращение вокруг связи C-C. Время, необходимое для перехода молекулы этана из одной шахматной конформации в другую, что эквивалентно вращению одной группы СН3 на 120 ° относительно другой, составляет порядка 10-11 с.
Проекции двух конформаций этана: затмивление на левой стороне, в шахматном порядке справа.Высшие алканы является более сложные, но основанные на аналогичных принципах, при этом антиперипланарная конформация всегда наиболее благоприятна вокруг каждой углерод-углеродной связи. По этой причине алканы обычно показаны зигзагообразно на диаграммах и в моделях. Фактическая структура всегда будет несколько отличаться от этих идеализированных форм, так как различия в энергии между конформациями малы по сравнению с тепловой энергией молекул, так как молекулы алканов не имеют фиксированной структурной формы, независимо от того, что может показывать модель.
Спектроскопические свойства
Практически все органические соединения содержат углерод-углеродные и углерод-водородные связи и поэтому показывают некоторые особенности алканов в их спектрах. Алканы отличаются отсутствием других групп и, следовательно, отсутствием других характерных спектроскопических признаков различных функциональных групп, таких как -ОН, -CHO, -COOH и т.д.
Инфракрасная спектроскопия
Углеродно-водородный метод растяжения дает сильное поглощение между 2850 и 2960 см-1, в то время как углерод-углеродный режим растяжения поглощает от 800 до 1300 см-1. Методы изгиба углерод-водород зависят от природы группы: метильные группы показывают полосы при 1450 см -1 и 1375 см -1, в то время как метиленовые группы показывают полосы при 1465 см -1 и 1450 см -1. Углеродные цепи с более чем четырьмя атомами углерода демонстрируют слабое поглощение при температуре около 725 см-1.
ЯМР-спектроскопия
Протон-резонансы алканов обычно обнаруживаются при δH = 0,5-1,5. Резонансы углерода 13 зависят от числа атомов водорода, связанных с углеродом: δC = 8-30 (первичный, метил, -CH3), 15-55 (вторичный, метилен, -CH2-), 20-60 (третичный, Метин, С-Н) и четвертичный. Углерод-13-резонанс четвертичных атомов углерода характеризуется слабостью из-за отсутствия ядерного эффекта Оверхаузера и длительным временем релаксации и может быть пропущен в слабых образцах или образцах, которые не были проработаны в течение достаточно длительного времени.
Масс-спектрометрия
Алканы обладают высокой энергией ионизации, а у молекулярной ион обычно слабый. Фрагментацию фрагментации может быть трудно интерпретировать, но в случае разветвленных алканов углеродная цепь предпочтительно расщепляется на третичных или четвертичных углеродах из-за относительной стабильности полученных свободных радикалов. Фрагмент, являющийся результатом потери одной метильной группы (М-15), часто отсутствует, а другой фрагмент часто отделен интервалами четырнадцати массовых единиц, что соответствует последовательной потере СН2-групп.
Способы получения алканов
О способах получения алканов, вы так же сможете узнать и изучить по данной ссылке.
No votes yet.
Please wait…
Похожее
chemistry-gid.ru
