27

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

АЛКАНЫ

Методические указания

для подготовки к занятиям по дисциплине «Органическая химия»

для студентов специальности 02080165 «Экология»

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов 2007

ВВЕДЕНИЕ

Углеводородами называют органические соединения, состоящие из атомов двух элементов - углерода и водорода.

Алифатические (алициклические) углеводороды - органические вещества с открытой (прямой или разветвленной) цепью углеродных атомов. Общее название алифатических соединений происходит от греческого слова «алефар» - жир, поскольку впервые структуры с длинными углеродными цепями были обнаружены в составе жира. Поэтому алифатические углеводороды еще называют соединениями жирного ряда.

Алифатические углеводороды подразделяются на «насыщенные» и «ненасыщенные» в зависимости от соотношения атомов углерода и водорода в их молекулах.

Насыщенные углеводороды вследствие их низкой реакционной способности называют парафинами (от латинского parum affenis - малое сродство). Другое название - предельные углеводороды - указывает на то, что атомы углерода в них максимально насыщены атомами водорода. В соответствии с систематической номенклатурой насыщенные углеводороды называются алканы.

Ненасыщенные углеводороды – это соединения, в молекулах которых два или несколько атомов углерода связаны между собой кратными (двойными или тройными) связями. В зависимости от характера межуглеродных кратных связей и их количества непредельные углеводороды делятся на три класса:

1) этиленовые (алкены);

2) ацетиленовые (алкины);

3) диеновые (алкадиены).

1. Строение, номенклатура, изомерия алканов

Общая формула алканов: С_nH_2n+2.

В алканах все атомы углерода находятся в sp³-гибридизации, все связи между атомами – одинарные σ-связи.

1.1. sp³–Гибридзация

sp³–Гибридное состояние четырехвалентного атома углерода в насыщенных соединениях возникает при комбинации одной 2s – орбитали и трех 2p–орбиталей, на каждой из которых находится по одному электрону. Образуется четыре sp³–гибридные орбитали, которые направлены в пространстве к вершинам тетраэдра. Угол между осями sp³-орбиталей составляет 10928. Такая пространственная конфигурация называется тетраэдрической. Из квантово-механических расчетов следует, что sp³–орбиталь имеет форму, близкую к p–орбитали, но является несимметричной, причем ее доля с большей электронной плотностью направлена к вершине тетраэдра.

Таким образом, тип гибридизации определяет геометрию образующейся молекулы.

Ф орма – sp³ гибридной орбитали Тетраэдрическая конфигурация

атома углерода

1.2. Характеристика σ – связи

Связи, которые образуют атомы углерода в sp³–гибридизации, называются σ-связями. Их еще называют простыми или одинарными связями, а электроны, их образующие - σ-электронами. σ-Связь между атомами углерода образуется при перекрывании их гибридных орбиталей, которые имеют одинаковую симметрию и близкие энергии, поэтому максимум электронной плотности находится на прямой, соединяющей центры этих атомов.

σ-Cвязь имеет следующие характеристики:

1) Длина С-С связи 0,154 нм.

2) Энергия, необходимая для разрыва С-С связи, Е _С-С = 357 кДж/моль.

3) Полярность связи зависит от природы атомов, которые ее образуют.

Если это атомы с одинаковыми или близкими значениями электроотрицательности, то связь - неполярная, максимум электронной плотности находится на равном расстоянии от центров атомов. Если σ-связь образована атомами с разной электроотрицательностью, то она является полярной; максимум электронной плотности смещен в сторону более электроотрицательного атома. У последнего в результате смещения электронной плотности возникает частичный (или дробный) отрицательный заряд, обозначаемый δ-, соответственно у другого атома - дробный положительный заряд, обозначаемый δ+. Смещение электронной плотности по σ-связи называется индуктивным эффектом (I_эф).

4) Поляризуемость (динамическая поляризация) связи – способность к смещению электронов под действием внешнего электрического поля, в том числе и другой реагирующей частицы. Поляризуемость определяется подвижностью электронов. Чем больше размер атома, тем больше поляризуемость.

5) Насыщаемость - способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Количество связей, образуемых атомом, ограничено числом его внешних атомных орбиталей.

1.3. Гомологический ряд алканов

Простейшим представителем предельных углеводородов является метан - СН₄. Остальные можно рассматривать как производные метана, у которого атомы водорода замещены на углеводородные остатки.

В ряду предельных углеводородов каждый последующий член ряда отличается от предыдущего на группу СН₂, которая называется гомологической разностью:

СН₄ СН₄ метан

СН₃-СН₃ С₂Н₆ этан

СН₃-СН₂-СН₃ С₃Н₈ пропан

СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ С₄Н₁₀ бутан

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ С₅Н₁₂ пентан

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ С₆Н₁₄ гексан

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ С₈Н₁₈ октан

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ С₉Н₂₀ нонан

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃ С₁₀Н₂₂ декан

Ряд соединений, строение которых последовательно изменяется на группу СН₂ и которые имеют сходные химические свойства, называется гомологическим рядом. Отдельные члены ряда называются гомологами.

Предельные углеводороды называют еще гомологическим рядом метана - по названию простейшего представителя.

Алканы могут иметь неразветвленную или разветвленную углеродные цепи. В зависимости от количества углерод-углеродных связей различают атомы углерода: первичные, имеющие одну углерод-углеродную связь, вторичные - две связи, третичные - три, четвертичные – четыре.