1.5. Физические свойства

Физические свойства алканов определяются их строением. Ковалентные связи в алканах неполярные (С-С) или малополярные (С-Н). Эти связи симметричны, полярность их взаимно компенсируется, поэтому молекула алкана неполярна. Силы межмолекулярного притяжения сравнительно слабы. Это является причиной небольших значений плотности, температуры кипения и плавления.

В молекуле углеводорода суммарный дипольный момент равен нулю. Однако распределение электронной плотности в каждый момент времени меняется и возникает небольшой диполь. Этот кратковременно существующий диполь будет влиять на распределение электронной плотности соседней молекулы, таким образом, мгновенный диполь одной молекулы индуцирует противоположно ориентированный диполь в соседней молекуле. В результате между молекулами возникают силы притяжения, которые называются дисперсионными. Дисперсионные силы действуют на очень небольшом расстоянии, между поверхностями молекул. Можно ожидать, что чем больше молекула и чем больше её поверхность, тем больше межмолекулярные силы.

Температуры кипения, плавления и плотность увеличиваются с увеличением молекулярной массы (рис. 1.2). Алканы С₁ ...С₄ - газы, С₅ ...С₁₆ - жидкости, далее - твёрдые кристаллические вещества. За исключением низших алканов, температура кипения повышается на 20 - 30 ºС с ростом углеродной цепи на один атом углерода. Такая закономерность изменения температуры кипения характерна для гомологических рядов других классов соединений.

Рис. 1.2. Зависимость температур кипения, плавления и плотностей алканов с неразветвленной цепью от числа атомов углерода (n)

Изомер с разветвлённой цепью имеет более низкую температуру кипения, чем изомер нормального строения.

Понижение температуры кипения у изомеров с появлением разветвлений и увеличением их числа объясняется тем, что с увеличением разветвлений форма молекулы стремится к сферической, то есть уменьшается её поверхность, а следовательно, и межмолекулярные силы притяжения. Такая зависимость между формой молекулы и температурой кипения наблюдается и для других классов соединений.

Процесс плавления требует преодоления межмолекулярных сил в твердом теле. Межмолекулярные силы в кристалле зависят не только от размера молекул, но также и от того, как они упакованы в кристаллической решетке. Углеводород с линейной цепью н-пентан плавится при температуре минус 130 ^оС, а его изомер неопентан, молекулы которого имеют сферическую форму и более плотно упакованы в кристаллической решетке, плавится при более высокой температуре минус 17 ^оС.

Алканы, неполярные соединения, растворимы в неполярных растворителях (бензол, тетрахлорметан), но нерастворимы в полярных растворителях.

Алканы - диэлектрики с низким значением диэлектрической постоянной (  2) и меньшим значением показателя преломления по сравнению с показателем преломления углеводородов с кратными связями. Показатель преломления показывает способность молекул вещества поляризоваться под действием внешнего электрического поля (переменного электромагнитного поля светового луча, электрического поля ионного реагента, растворителя). Это свойство вещества называется поляризуемостью. Малые значения показателей преломления алканов свидетельствуют о низкой поляризуемости этих соединений.

В инфракрасных спектрах алканов наблюдаются полосы поглощения валентных колебаний _С–Н в области 2800 - 3000 см^-1 .