Алканы — предельные углеводороды

Газ в кухонной плите — это в основном метан CH₄, в баллончике для зажигалки — сжиженный бутан C₄H₁₀, а свеча сделана из парафина, смеси твёрдых алканов. Все они горят. А вот с бромной водой и раствором перманганата калия в обычных условиях не реагируют, и это легко увидеть на уроке.

Опыт показывает, что алканы не обесцвечивают бромную воду

1. Учитель под тягой наливает в пробирку жёлто-оранжевую бромную воду, добавляет немного гексана C₆H₁₄ и встряхивает. Бром переходит в верхний слой гексана и окрашивает его, но цвет не исчезает.

2. Во вторую пробирку он наливает фиолетовый раствор перманганата калия KMnO₄ и тоже добавляет гексан. Окраска сохраняется.

3. Третью пробирку, с раствором брома в гексане без воды, ставят под яркую лампу. Через несколько минут окраска бледнеет, а влажная синяя лакмусовая бумажка у отверстия пробирки краснеет: выделяется бромоводород HBr.

4. Над пламенем газовой горелки, где горит природный газ, учитель держит сухой холодный стакан, и на стенках появляются капли воды. Стакан, смоченный известковой водой, мутнеет от углекислого газа.

Отсюда главное свойство класса. Алканы не присоединяют бром, потому что в их молекулах нет кратных связей, и замещают водород только на свету или при нагревании. Непредельные углеводороды обесцвечивают бромную воду сразу, и на этой разнице построено распознавание веществ в задачах.

Атом углерода в алканах находится в состоянии sp³-гибридизации

Общая формула алканов C_nH_2n+2. Ряд начинается с метана CH₄, дальше идут этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀, и каждый следующий член отличается от предыдущего на группу CH₂. Такие вещества называют гомологами.

Каждый атом углерода образует четыре σ-связи, направленные к вершинам тетраэдра под углом 109°28′. Поэтому цепь алкана — зигзаг, а вокруг одинарных связей группы атомов свободно вращаются. Связи C–C и C–H прочные и малополярные. Отсюда низкая активность.

От метана до бутана алканы — газы, начиная с пентана — жидкости, а длинные цепи дают твёрдые вещества вроде парафина. В воде алканы не растворяются и легче её, поэтому бензиновое пятно держится на поверхности лужи.

Метан замещает водород на хлор только на свету

Главная реакция алканов — радикальное замещение. На свету молекула хлора распадается на два радикала Cl·, радикал отрывает атом водорода от метана, и дальше цепь идёт сама. Суммарное уравнение: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (свет).

При избытке хлора замещение продолжается: получаются дихлорметан CH₂Cl₂, трихлорметан CHCl₃, он же хлороформ, и тетрахлорметан CCl₄. За теорию цепных реакций Николай Николаевич Семёнов получил Нобелевскую премию по химии 1956 года.

При нагревании алканы горят и расщепляются на короткие молекулы

Горение даёт углекислый газ и воду: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Это та самая реакция, что идёт в конфорке.

Без доступа воздуха длинные молекулы при сильном нагревании рвутся. Крекинг октана даёт алкан и алкен: C₈H₁₈ → C₄H₁₀ + C₄H₈ (t). Установку термического крекинга нефти Владимир Григорьевич Шухов запатентовал вместе с Сергеем Гавриловым в 1891 году. Если же метан быстро нагреть до 1500 °C, получится ацетилен: 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂.

С катализатором от алкана можно отнять водород, это дегидрирование: C₂H₆ → CH₂=CH₂ + H₂ (t, катализатор). А хлорид алюминия при нагревании перестраивает цепь, и н-бутан превращается в изобутан. Для топлива такая перестройка выгодна: октановое число разветвлённого изооктана принято за 100, а неразветвлённого н-гептана — за 0, и чем больше в бензине разветвлённых молекул, тем спокойнее он горит в двигателе.

Алканы получают реакцией Вюрца и из солей карбоновых кислот

В лаборатории цепь наращивают из галогеналканов и натрия. Эту реакцию описал Шарль Адольф Вюрц в 1855 году: 2CH₃Cl + 2Na → CH₃–CH₃ + 2NaCl. Метан в школьной лаборатории получают иначе, сплавлением ацетата натрия со щёлочью: CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃ (t).

Три ошибки по алканам я вижу в контрольных каждый год:

• ❌ CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl в темноте → ✅ реакция идёт только на свету или при нагревании.

• ❌ из смеси CH₃Cl и C₂H₅Cl по Вюрцу получится только пропан → ✅ получится смесь C₂H₆, C₃H₈ и C₄H₁₀.

• ❌ алканы обесцвечивают раствор KMnO₄ → ✅ окраска перманганата с алканами сохраняется.

Объём кислорода для горения газа считают прямо по коэффициентам

Задача 1. Вычисли объём кислорода (н. у.), который нужен для полного сгорания 11,2 л пропана.

1. C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O.

2. n(C₃H₈) = 11,2 / 22,4 = 0,5 моль.

3. Кислорода по уравнению впятеро больше: n(O₂) = 0,5 · 5 = 2,5 моль.

4. V(O₂) = 2,5 · 22,4 = 56 л.

Ответ: 56 л. Короче решать через отношение объёмов газов: 11,2 · 5 = 56 л.

Задача 2. Плотность паров алкана по воздуху равна 2,48. Выведи его молекулярную формулу и назови неразветвлённый изомер.

1. M = 2,48 · 29 = 71,92, то есть 72 г/моль.

2. M(C_nH_2n+2) = 14n + 2 = 72, отсюда n = 70 / 14 = 5.

3. Формула C₅H₁₂, неразветвлённый изомер CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₃.

Ответ: C₅H₁₂, пентан.

Задача 3. Вычисли массу бутана, который получится по реакции Вюрца из 12,9 г хлорэтана.

1. 2C₂H₅Cl + 2Na → C₄H₁₀ + 2NaCl.

2. M(C₂H₅Cl) = 2 · 12 + 5 · 1 + 35,5 = 64,5 г/моль, n = 12,9 / 64,5 = 0,2 моль.

3. Бутана вдвое меньше: n(C₄H₁₀) = 0,2 / 2 = 0,1 моль.

4. M(C₄H₁₀) = 4 · 12 + 10 · 1 = 58 г/моль, m = 0,1 · 58 = 5,8 г.

Ответ: 5,8 г.