Строение и физические свойства алканов

Строение алканов

Алканы (парафины) – ациклические насыщенные углеводороды, состав которых выражается общей формулой CnH2n+2 (n – число атомов углерода). Рассмотрим химическое и пространственное строение алканов. Атомы углерода в алканах связаны посредством одинарных связей. Значения электроотрицательностей атомов углерода и водорода равны 2,5 и 2,1 соответственно, т.е. близки, поэтому С-С связи в алканах ковалентные неполярные, а С-Н связи – слабополярные.

В алканах одна s-орбиталь и три р-орбитали атомов углерода гибридизованы и находятся в состоянии  sp3— гибридизации. Подробнее о гибридизации атомных орбиталей описано в разделе Химическая связь и строение молекул. Четыре sp3-гибридные орбитали атома углерода направлены к вершинам тетраэдра, с углом между ними около 109°28′,  и длиной связи С–С равной 1,54 Å – именно в этом случае отталкивание между электронами и энергия системы минимальны. При перекрывании этих орбиталей друг с другом, и с s-орбиталями атомов водорода образуются σ-связи С–С и С–Н.

sp3-гибридизация

В молекуле метана гибридизованные орбитали атома углерода перекрываются со сферическими орбиталями атомов водорода.

Строение алканов: молекула метана

Важно помнить, что в процессе гибридизации происходит только изменение формы орбиталей одного и того же атома, в то время как перекрывание орбиталей двух разных атомов приводит к возникновению химической связи между ними.

Образование С-С – связей в молекулах алканов происходит за счет перекрывания гибридных орбиталей двух атомов углерода:

Строение алканов: молекула этана

Физические свойства

При комнатной температуре алканы от С1 до С4 являются газами, от С5 до С16-жидкостями, а более высокие алканы — твердые и воскоподобные.

Температура кипения нормальных алканов увеличиваются с ростом углеводородной цепи, однако по мере роста числа атомов углерода в цепи темп ее увеличения замедляется. Кривая температуры плавления не имеет такой же плавной зависимости. Между нечетными и четными алканами наблюдается только небольшое нелинейное повышение температуры плавления, что представлено на рисунке ниже.

Температуры плавления и кипения алканов

Физические свойства разветвленных алканов отличны от свойств н-алканов с таким же числом атомов углерода в цепи. Так, чем больше разветвлений в цепи, тем ниже их температуры кипения и плавления.

Циклоалканы С2-С3 – газы, высшие – жидкости или твердые вещества. Теппературы кипения циклоалканов примерно на 20 К выше, чем температуры кипения соответствующих н-алканов.

Растворимость

Растворимость алканов в воде ничтожна, однако в органических растворителях они хорошо растворяются.

Существует 2 эмпирических правила, которые связывают температуры плавления (или кипения) вещества с его растворимостью.

  1. Для веществ одинаковой химической природы, лучшую растворимость имеют вещества с более низкой температурой плавления, по сравнению с веществами с более высокой температурой плавления. Это объясняется тем, что силы взаимодействия внутри кристаллической решетки, которые должны преодалеваться при растворении более слабые у веществ с низкой температурой плавления.
  2. Для веществ одинаковой химической природы, лучшую растворимость имеют вещества с более низкой температурой кипения, по сравнению с веществами с более высокой температурой плавления.

Все растворители можно разделить на:

  1. Растворители с сильными (например, вода) межмолекулярными. Здесь действуют такие межмолекулярные силы как силы Ван-дер-Ваальса, дипольное притяжение, водородные связи, связывающие отдельные молекулы воды.
  2. Растворители с слабыми (бензол, гексан) межмолекулярными взаимодействиями. Здесь действуют в основном силы Ван-дер-Ваальса.

Чтобы вещество растворилось в воде необходимо чтобы энергия, выделяющаяся при растворении была достаточной для преодаления как сил сцепления между молекулами растворяемого вещества, так и сильных сил сцепления между молекулами воды. Силы сцепления в бензоле или гексане могут быть легко преодалены, в независимости от энергии, необходимой для разделения самих частиц растворенного вещества.

Значимым параметром при растворении вещества является температура. В основном (хотя и не всегда) увеличение температуры ведет к увеличению растворимости.

Углеводороды и в частности алканы, в которых силы сцепления слабы, будут растворяться в растворителях, межмолекулярные силы сцепления в которых также слабы (неполярные растворители). В этом влучае, первоначально существующие силы заменяются на равноценные и значительных изменений энергии не происходит. В силу отсутствия сильно электроотрицательных атомов в молекулах углеводородов, они не способны к прочному сцеплению с молекулами воды. Разрыв межмолекулярных связей молекулы воды энергетически невыгоден и углеводороды в ней нерастворимы.

В растворителях меньшей полярности и с меньшей склонностью к образованию водородных связей углеводороды способны более или менее растворяться. Также следует помнить, что водородная связь в воде, чем в других ассоциированных растворителях, так что растворимость углеводородов в них будет выше по сравнению с растворимостью в воде. Кроме этого, с увеличением углеводородного остатка растворителя, его химическая природа приближается к природе растворенного вещества и тенденция к растворимости увеличивается. Например, при комнатной температуре гексан не растворяется в метаноле, но растворяется в этаноле.

Номенклатура и изомерия алканов описаны в разделе Номенклатура и изомерия органических соединений