Углеводороды. Многообразие углеводородов

атомов водорода. Пример:

-Одному и тому же элементному составу молекул (одной молекулярной формуле)
может соответствовать несколько различных веществ – изомеров.  Например, молекулярную формулу C4H8 имеют 6 изомерных соединений:

Многочисленность и разнообразие углеводородов требуют их классификации.

этих соединений:
1) строение углеродной цепи (углеродного скелета);  2) наличие в цепи кратных связей С=С и С≡C (степень насыщенности).

1. В зависимости от строения углеродной цепи углеводороды подразделяют
на две группы:
ациклические или алифатические, т.е. "жирные" (от греческого слова "алейфар«
– "жир", т.к. впервые структуры с длинными углеродными цепями были обнаружены
в составе жиров);
циклические.

углерод-
ной цепью называют нормальными (н-) углеводородами.
Среди циклических углеводородов выделяют:
алициклические (т.е. алифатические циклические);
ароматические (арены).
В этом случае классификационным признаком служит строение цикла.
К ароматическим углеводородам относят соединения, содержащие один или
несколько бензольных циклов (формула бензола С6Н6).

2. По степени насыщенности различают:
насыщенные (предельные) углеводороды (алканы и циклоалканы), в которых
имеются только простые связи С-С и отсутствуют кратные связи;
ненасыщенные (непредельные), содержащие наряду с одинарными связями С-С
двойные и/или тройные связи (алкены, алкадиены, алкины, циклоалкены, 
циклоалкины).

(его молекулу часто изображают
как шестичленный цикл с тремя двойными связями): 

по свойствам это соединение резко отличается от ненасыщенных веществ из-за
делокализации кратных связей. Поэтому соединения ряда бензола относят к
самостоятельной группе ароматических углеводородов (аренов).

которых
атомы углерода связаны между собой простыми (одинарными) связями в
неразветвленные или разветвленные цепи.

Алканы – название предельных углеводородов по международной номенклатуре.  Парафины– исторически сложившееся название, отражающее свойства этих
соединений (от лат. parrum affinis – имеющий мало сродства, малоактивный).  Предельными, или насыщенными, эти углеводороды называют в связи с полным
насыщением углеродной цепи атомами водорода.

Простейшие представители алканов:

При сравнении этих соединений видно, что они отличаются друг от друга на группу
 -СН2-(метилен). Добавляя к пропану еще одну группу -СН2-, получим бутан С4Н10,
затем алканы С5Н12, С6Н14 и т.д.

углеводороды, состав которых выражается общей формулой CnH2n+2,
где n – число атомов углерода.

Строение алканов

Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших
алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы, из
которых видно, что в алканах имеются два типа химических связей:  С–С и С–Н.

Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н - ковалентная слабо-
полярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности (2.5 - для
углерода и 2.1 - для водорода). Образование ковалентных связей в алканах за
счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с
помощью электронных формул:

строении молекул, которое
существенно влияет на свойства вещества.

Пространственное строение, т.е. взаимное расположение атомов молекулы в
пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов.
В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных
орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена
определенной направленности.

Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа
его гибридизации. Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя
другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp3-гибридизации.
В этом случае каждая из четырех sp3-гибридных АО углерода участвует в осевом
(σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp3-АО другого атома углерода,
образуя σ-связи С-Н или С-С.

наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула
простейшего представителя алканов – метана СН4 – имеет форму тетраэдра, в
центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:

Валентный угол Н-С-Н равен 109о28'. Пространственное
строение метана можно показать с помощью объемных
(масштабных) и шаростержневых моделей.

Для записи удобно использовать
пространственную (стереохимическую)
формулу.

сложную пространственную конструкцию:

Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны
изогнутые формы. Это можно показать на примере н-бутана или н-пентана:

соединений с однотипной структурой, в котором каждый последующий член
отличается от предыдущего на постоянную группу атомов (-CH2-). Такая
последовательность соединений называется гомологическим рядом (от греч.
 homolog – сходный), отдельные члены этого ряда –гомологами, а группа атомов,
на которую различаются соседние гомологи, – гомологической разностью.

Гомологический ряд алканов легко составить, прибавляя каждый раз к предыдущей
цепочке новый атом углерода и дополняя его оставшиеся валентности до 4-х
атомами водорода. Другой вариант – добавление в цепь группы -СН2- 

CH4 или Н-СН2-Н – первый член гомологического ряда – метан (содержит 1 атом C);
CH3-CH3 или Н-СН2-СН2-Н – 2-й гомолог – этан (2 атома С);
CH3-CH2-CH3 или Н-СН2-СН2-СН2 -Н – 3-й гомолог – пропан (3 атома С);
CH3-CH2-CH2-CH3 или Н-СН2-СН2-СН2-СН2-Н – бутан (4 атома С).

Суффикс -ан является характерным для названия всех алканов. Начиная с пятого
гомолога, название алкана образуется из греческого числительного, указывающего
число атомов углерода в молекуле, и суффикса -ан: пентан С5Н12, гексан С6Н14, 
гептан С7Н16,октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22 и т.д.

атомов в молекуле алкана
(с ростом молекулярной массы) в гомологическом ряду наблюдается 
закономерное изменение физических свойств гомологов (переход количества в
качество): повышаются температуры кипения и плавления, увеличивается п
лотность. Алканы от СН4 до С4Н10– газы, от С5Н12 до С17Н36 – жидкости,
далее – твердые вещества.  Имея одинаковый качественный состав и однотипные химические связи, гомологи
Обладают сходными химическими свойствами. Поэтому, зная химические
свойства одного из членов гомологического ряда, можно предсказать химическое
поведение и других членов этого ряда.

Изомерия алканов

Изомерия – явление существования соединений, которые имеют одинаковый
состав (одинаковую молекулярную формулу), но разное строение. Такие
соединения называются изомерами.

Различия в порядке соединения атомов в молекулах (т.е. в химическом строении)
приводят к структурной изомерии. Строение структурных изомеров отражается
структурными формулами. В ряду алканов структурная изомерия проявляется при
содержании в цепи 4-х и более атомов углерода, т.е. начиная с бутана С4Н10. 

взаимное расположение атомов в пространстве, то
наблюдается пространственная изомерия (стереоизомерия). В этом случае
использование структурных формул недостаточно и следует применять модели
молекул или специальные формулы - стереохимические (пространственные) или
проекционные.
Алканы, начиная с этана H3C–СН3, существуют в различных пространственных
формах (конформациях), обусловленных внутримолекулярным вращением по 
σ-связям С–С, и проявляют так называемую поворотную (конформационную)
изомерию.
Кроме того, при наличии в молекуле атома углерода, связанного с 4-мя
различными заместителями, возможен еще один вид пространственной изомерии,
когда два стереоизомера относятся друг к другу как предмет и его зеркальное
изображение (подобно тому, как левая рука относится к правой). Такие различия
в строении молекул называют оптической изомерией.

каждому индивидуальному веществу.

В настоящее время общепринятой является систематическая номенклатура
ИЮПАК (IUPAC –International Union of the Pure and Applied Chemistry – Между-
народный союз теоретической и прикладной химии).
Наряду с систематическими названиями используются также тривиальные
(обыденные) названия, которые связаны с характерным свойством вещества,
способом его получения, природным источником, областью применения и т.д.,
но не отражают его строения.
Для применения номенклатуры ИЮПАК необходимо знать названия и строение
определенных фрагментов молекул – органических радикалов.

Радикалы в ряду алканов

Если от молекулы алкана "отнять" один атом водоpода, то обpазуется однова-
лентный "остаток" – углеводоpодный pадикал (R–). Общее название одновалентных радикалов алканов – алкилы – обpазовано
заменой суффикса -ан на -ил:  метан – метил, этан – этил, пpопан – пpопил и т.д.
Одновалентные pадикалы выpажаются общей фоpмулой СnН2n+1.

из метана можно образовать двухвалентный радикал –СН2– метилен.
В названиях таких радикалов используется суффикс -илен.
Названия радикалов, особенно одновалентных, используются при образовании
названий разветвленных алканов и других соединений. Такие радикалы можно
рассматривать как составные части молекул, их конструкционные детали. Чтобы
дать название соединению необходимо представить, из каких "деталей"-радикалов
составлена его молекула.
Метану СН4 соответствует один одновалентный радикал метил СН3.

От этана С2Н6 можно произвести также только один радикал - этил - CH2- CH3
(или - C2H5).
Пропану СН3–СН2–СН3 соответствуют два изомерных радикала - С3Н7:

или
третичного) находится свободная валентность. По этому признаку н-пропил 
относится к первичным радикалам, а изопропил – к вторичным.
Двум алканам С4Н10 (н-бутан и изобутан) соответствует 4 одновалентных
радикала –С4Н9:

от н-бутана производятся н-бутил (первичный радикал) и втор-бутил 
(вторичный радикал), - от изобутана – изобутил (первичный радикал) и
 трет-бутил (третичный радикал).

алканов (С1-С4) приняты тpивиальные названия:  метан, этан, пpопан, бутан, изобутан.
Начиная с пятого гомолога, названия нормальных (неpазветвленных) алканов
стpоят в соответствии с числом атомов углеpода, используя гpеческие числи-
тельные и суффикс -ан: пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан и далее...
В основе названия разветвленного алкана лежит название входящего в его
конструкцию нормального алкана с наиболее длинной углеродной цепью.
При этом углеводоpод с pазветвленной цепью pассматpивают как пpодукт
замещения атомов водоpода в ноpмальном алкане углеводоpодными pадикалами.
Например, алкан

рассматривается как замещенный пентан, в котором два атома водорода
замещены на радикалы –СН3(метил).

Во-первых, она должна быть
самой длинной. Во-вторых, если имеются две или более одинаковые по длине
цепи, то из них выбирается наиболее разветвленная. Например, в молекуле есть 2 цепи с одинаковым числом (7) атомов С
(выделены цветом):

В случае (а) цепь имеет 1 заместитель, а в (б) – 2. Поэтому следует выбрать
вариант (б).
2. Пронумеровать атомы углерода в главной цепи так, чтобы атомы С, связанные
с заместителями, получили возможно меньшие номера. Поэтому нумерацию
начинают с ближайшего к ответвлению конца цепи. Например:

в главной цепи. Если есть несколько одинаковых заместителей,
то для каждого из них через запятую записывается цифра (местоположение), а
их количество указывается приставками ди-, три-, тетра-, пента- и т.д.
(например, 2,2-диметил или2,3,3,5-тетраметил).
4. Названия всех заместителей расположить в алфавитном порядке (так
установлено последними правилами ИЮПАК).
5.Назвать главную цепь углеродных атомов, т.е. соответствующий
нормальный алкан.

Таким образом, в названии разветвленного алкана
корень+суффикс – название нормального алкана (греч. числительное+суффикс "ан"),  приставки – цифры и названия углеводородных радикалов.

природой входящих в его состав атомов и характером связей между ними.

Для реакций алканов характерен радикальный механизм. Поскольку гетеролитический разрыв связей С–С и С–Н в обычных условиях не
происходит, то в ионные реакции алканы практически не вступают.
Это проявляется в их устойчивости к действию полярных реагентов (кислот,
щелочей, окислителей ионного типа: КMnO4,  К2Сr2O7 и т.п.). Такая инертность алканов в ионных реакциях и послужила ранее
основанием считать их неактивными веществами и назвать парафинами.

В зависимости от того, какая связь в молекуле разрывается в первую очередь,
реакции алканов подразделяются на следующие типы.  С разрывом связей С–С происходят реакции разложения (крекинг алканов) и 
изомеризацииуглеродного скелета.  По связям С–Н возможны реакции замещения атома водорода или его 
отщепления(дегидрирование алканов).  Кроме того, атомы углерода в алканах находятся в наиболее восстановленной
форме (степень окисления углерода, например, в метане равна –4, в этане –3 и т.д.)
и в присутствии окислителей в определенных условиях будут происходить реакции
 окисления алканов с участием связей С–С и С–Н.

лежат реакции расщепления углеродной цепи крупных молекул с образованием
соединений с более короткой цепью.

Крекинг алканов является основой переработки нефти с целью получения
продуктов меньшей молекулярной массы, которые используются в качестве
моторных топлив, смазочных масел и т.п., а также сырья для химической и
нефтехимической промышленности. Для осуществления этого процесса используются два способа: термический
крекинг (при нагревании без доступа воздуха) и каталитический крекинг (более
умеренное нагревание в присутствии катализатора).
Термический крекинг. При температуре 450–700 oС алканы распадаются за счет
разрыва связей С–С (более прочные связи С–Н при такой температуре сохра-
няются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов.

C6H14        C2H6 + C4H8

алкенов с меньшей, чем у исходного алкана,
молекулярной массой.

CH3-CH2-CH3+CH2=CH-CH3

При более высокой температуре (свыше 1000°С), термический крекинг метана
используется для получения сажи (чистыйуглерод) и водорода:

СН4        C + 2H2

способны превращаться в разветвленные алканы без изменения состава молекул,
т.е. вступать в реакции изомеpизации. В этих pеакциях участвуют алканы,
молекулы которых содержат не менее 4-х углеродных атомов.
Например, изомеризация н-пентана в изопентан (2-метилбутан) происходит при
100°С в присутствии катализатора хлорида алюминия: