13. Гомологический ряд, номенклатура, электронное строение, sp3-гибридизация и физические свойства алканов.

Ответ. Алканами называют алифатические углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны простыми ковалентными σ­связями. Алканы также называют предельными, или насыщенными, углеводородами. Общая формула алканов СnН2n+2. Алканы образуют гомологический ряд, родоначальником которого является метан. Каждый гомолог этого ряда отличается от последующего на звено СН2 (гомологическая разность). Начиная с углеводорода С4Н10, алканы могут иметь как неразветвленную, так и разветвленную углеродную цепь. Алканы с неразветвленной цепью атомов углерода называют нормальными, или н-алканами. Все атомы углерода в алканах находятся в состоянии sp3-гибридизации и имеют тетраэдрическую конфигурацию. Валентные углы между связями равны 109°28′ (тетраэдрический угол). Если углеродный атом связан с четырьмя разными заместителями, то углы несколько отклоняются от тетраэдрического. Расстояние между атомами углерода в алканах составляет 0,154 нм, а между углеродным и водородным атомами — 0,110 нм. Вокруг углерод-углеродных связей происходит свободное вращение, в результате которого молекула может принимать разные пространственные формы — конформации (зигзагообразная; нерегулярная; клешневидная). На основании данных рентгеноструктурного анализа установлено, что алканы нормального (неразветвленного) строения в кристаллическом состоянии имеют зигзагообразную конформацию. Такое строение для молекулы наиболее выгодно, поскольку в данном случае все атомы углерода по отношению друг к другу находятся в заторможенной антибутановой конформации. При разветвленном строении углеродной цепи конформация может изменяться. Первые четыре представителя гомологического ряда алканов имеют тривиальные названия — метан, этан, пропан, бутан. Название последующих углеводородов с нормальной углеродной цепью образуется от названия греческого числительного, указывающего количество атомов углерода в молекуле, с добавлением суффикса ­ан: пентан, гексан и др. В названиях алканов с разветвленной цепью, в которых две метильные группы находятся на одном конце углеродной цепи, не имеющей других ответвлений, используется приставка изо­, если же на конце углеродной цепи имеются три метильные группы, в название алкана вводится приставка нео­: Названия алканов с разветвленной углеродной цепью составляют согласно заместительной номенклатуре IUPAC: 1. За основу принимают название углеводорода, которому в рассматриваемом алкане отвечает наиболее длинная неразветвленная углеродная цепь (главная углеродная цепь). Если в углеводороде имеется несколько цепей одинаковой длины, за главную из них принимается та, которая имеет наибольшее число разветвлений. 2. Нумеруют атомы углерода главной цепи с того конца, к которому ближе находится заместитель. Если в молекуле алкана заместители расположены на равном расстоянии от обоих концов, то нумерацию проводят с того конца, к которому ближе расположен заместитель с названием, стоящим в алфавитном порядке раньше. Если же на одинаковом расстоянии от обоих концов главной цепи расположены идентичные заместители, но с одной стороны количество разветвлений больше, чем с другой, нумерацию начинают с того конца, где большее число заместителей. 3. Составляют название соединения в целом, соблюдая определенные правила: А. Сначала перечисляют в алфавитном порядке названия заместителей, указывая цифровой локант, соответствующий положению каждого заместителя в главной углеродной цепи. Если углеводород содержит несколько одинаковых заместителей, число их обозначают множительными приставками ди-, три-, тетра- и так далее, а положение в главной цепи, как обычно, цифрами. Б. Затем называют углеводород, которому отвечает в рассматриваемом соединении главная углеродная цепь. Заместителями при главной углеродной цепи в алканах являются одновалентные остатки алканов, так называемые алкильные группы, или алкильные радикалы, которые обозначают Аlk или R. Названия алкильных групп образуют из названий соответствующих алканов, заменяя суффикс -ан на -ил. Для названия сложных разветвленных радикалов используют нумерацию углеродной цепи радикала, причем начинают нумерацию всегда с атома углерода, имеющего свободную валентность. Названия остатков молекул алканов, имеющих две свободные валентности, образуют от названий соответствующих алканов путем замены суффикса -ан на -илен (если свободные валентности находятся при разных атомах углерода) или -илиден (если свободные валентности находятся у одного и того же атома углерода). В обычных условиях четыре первых представителя гомологического ряда алканов — газообразные вещества; нормальные алканы, содержащие от 5 до 17 атомов углерода — жидкости, последующие гомологи — твердые вещества. В гомологическом ряду алканов по мере увеличения молекулярной массы возрастают температуры плавления и кипения. Температуры кипения изомеров с разветвленной углеродной цепью более низкие по сравнению с алканами нормального строения. Газообразные и твердые алканы не имеют запаха, жидкие — обладают характерным «бензиновым» запахом. Все алканы легче воды и практически не растворяются в ней. Наряду с этим, они хорошо растворимы в неполярных растворителях — диэтиловом эфире, четыреххлористом углероде, бензоле и других, причем с увеличением молекулярной массы растворимость уменьшается.