Алкани

Структурна формула n-Алкану

Алка́ни, наси́чені вуглево́дні — насичені ациклічні вуглеводні, що мають загальну формулу C_nH_2n+2, їх також називають парафінами. Більшість їхніх хімічних реакцій з різними реагентами починається з розриву зв'язку С-Н, тоді як їх розпад при високих температурах йде передусім по зв'язках С-С. У органічній хімії алкан, або парафін (історична назва, що також має інші значення), є ациклічним насиченим вуглеводнем. Іншими словами, алкан складається з водню та атомів вуглецю, розташованих у деревній структурі, в якій всі вуглець-вуглецеві зв'язки є одиничними. Алкани мають загальну хімічну формулу C_nH_2n+2. Алкани знаходяться в складності від найпростішого випадку метану, CH₄, де n = 1 (іноді називають батьківською молекулою), до довільно великих молекул. Крім цього стандартного визначення Міжнародного союзу чистої та прикладної хімії, в деяких авторів термін «алкан» застосовується до будь-якого насиченого вуглеводню, включаючи ті, які є моноциклічними (тобто циклоалканами) або поліциклічними.

Загальний опис

У алкані кожен атом вуглецю має 4 зв'язків (або С-С, або С-Н), і кожен атом водню приєднується до одного з атомів вуглецю (тобто в С-Н-зв'язку). Найбільш довга серія пов'язаних атомів вуглецю в молекулі відома як її вуглецевий скелет або вуглецевий магістр. Кількість атомів вуглецю може розглядатися як розмір алкану. Алкани складають значну частину вуглеводнів нафт і природних горючих газів. Із нафти і горючих газів виділено всі алкани нормальної будови, від метану до тритриаконтану (С₃₃Н₆₈) включно. Одна група вищих алканів являє собою віск, тверді речовини при стандартних температурах та тиску середовища (SATP), для яких кількість вуглецю у вуглецевому магістралі перевищує приблизно 17. Оскільки алкани містять максимально можливу кількість водню в молекулі, то вони характеризуються найбільшою масовою теплотою згоряння (енергоємністю), а з ростом кількості атомів масова теплота згоряння алканів зменшується (в метану 50207 кДж/кг). Внаслідок низької густини об'ємна теплота згоряння алканів менша, ніж вуглеводнів іншої будови з такою ж кількістю вуглецевих атомів у молекулі. За агрегатним складом алкани діляться на газоподібні (С1-С4), рідкі (С5-С17) і тверді (починаючи з С18), що кристалізуються при 200 °C.

Фізичні властивості

Газоподібні алкани здатні з водою утворювати, особливо під тиском, молекулярні сполуки — газогідрати, для яких температура розкладу при тиску 0,1 МПа і критична температура відповідно рівні: з метаном — 29 і 21,50 °C, з етаном — 15,8 і 14,50 °C, з пропаном 0 і 8,50 °C. Такі гідрати часто вимерзають на внутрішніх стінках газопроводів. Гідрати — сполуки, включення (клатрати) — являють собою снігоподібні речовини, з загальною формулою М_n Н₂О, де значення n змінюється від 5,75 до 17 в залежності від складу газу і умов утворення. Природні гази містять в основному метан і менше 20 % в сумі етану, пропану і бутану, домішки легкокиплячих рідких вуглеводнів — пентану, гексану та інших. Окрім цього присутні в малій кількості оксид вуглецю (IV), азот, сірководень й інертні гази.

Рідкі алкани, особливо нормальної будови, можуть у порівняно м'яких умовах окиснюватися киснем повітря. Вони є компонентами моторного палива: бензину, газотурбінних (авіаційних, наземних, морських) і дизельних.

Тверді алкани виділяються із нафтової сировини при виробництві змащувальних олив, оскільки вони викристалізовуються із оливи, зменшуючи її рухомість і зумовлюючи застигання при високих температурах. Тверді алкани діляться на дві групи речовин — власне парафін і церезин.

До насичених вуглеводнів належать метан CH₄, етан C₂H₆ пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀ і багато інших, які за своїми хімічними властивостями подібні до метану. Легкі алкани, наприклад, метан, етан, пропан і бутан — це безбарвні гази; більш важкі — рідини або тверді речовини. У природі вони зустрічаються в природному газі і нафті. Оскільки алкани мають тільки один ковалентний зв'язок, вони називаються насиченими.

Якщо формули насичених вуглеводнів написати в ряд за збільшенням атомів вуглецю, то одержимо так званий гомологічний ряд насичених вуглеводнів, або вуглеводнів ряду метану. У цьому ряді кожний наступний вуглеводень відрізняється від попереднього наявністю в складі молекули однієї і тієї самої групи атомів CH₂.

Хімічний склад насичених вуглеводнів можна виразити однією загальною формулою C_nH_2n+2, де n — число атомів вуглецю, а 2n+2 — число атомів водню. Назви насичених вуглеводнів мають закінчення -ан. Ці назви, за винятком перших чотирьох гомологів, складаються з грецьких назв числівників, які показують кількість атомів вуглецю в молекулі вуглеводню, і закінчення -ан.

Фізичні властивості деяких нормальних насичених вуглеводнів (алканів)

Номер	Назва вуглеводню	Формула	Молярна маса (г·моль−1)	Агрегатний стан при звичайній температурі	Температура плавлення (°C)	Температура кипіння (°C)	Густина	Кулестержнева модель
1	Метан	СН4	16,04	Газ	—184	—164	0,72 кг/м³ (газ) 0,42 г/см³ (рідина)
2	Етан	С2Н6	30,07	Газ	—182,8	—88,7	1,36 кг/м³ (газ) 0,54 г/см³ (рідина)
3	Пропан	С3Н8	44,10	Газ	—187,6	—42,1	2,01 кг/м³ (газ) 0,58 г/см³ (рідина)
4	Бутан	С4Н10	58,12	Газ	—138,4	—0,6	2,71 кг/м³ (газ) 0,60 г/см³ (рідина)
5	Пентан	С5Н12	72,15	Рідина	—130	36,3	0,626 г/см³
6	Гексан	С6Н14	86,18	Рідина	—95	68,7	0,659 г/см³
7	Гептан	С7Н16	100,2	Рідина	—91	98,4	0,684 г/см³
8	Октан	С8Н18	114,2	Рідина	—56,5	125,7	0,703 г/см³
9	Нонан	С9Н20	128,3	Рідина	—53,7	150,7	0,718 г/см³
10	Декан	С10Н22	142,3	Рідина	—30	174	0,73 г/см³
11	Ундекан	С11Н24	156,3	Рідина	—26,5	195	0,74 г/см³
12	Додекан	С12Н26	170,3	Рідина	—12	215	0,75 г/см³
13	Тридекан	С13Н28	—	Рідина	—6,2	234	—	—
14	Тетрадекан	С14Н30	—	Рідина	5	252	—	—
15	Пентадекан	С15Н32	—	Рідина	10	270	—	—
16	Гексадекан (цетан)	С16Н34	—	Тверда речовина	18,17	286,79	—	—
17	Гептадекан	С17Н36	—	Тверда речовина	22,5	303	—	—
18	Октадекан	С18Н38	—	Тверда речовина	28	317	—	—
19	Нонадекан	С19Н40	—	Тверда речовина	32	330	—	—
20	Ейкозан	С20Н42	—	Тверда речовина	37	208*	—	—
21	Генейкозан	С21Н44	—	Тверда речовина	40,4	219*	—	—
22	Докозан	С22Н46	—	Тверда речовина	44,4	230*	—	—
23	Трикозан	С23Н48	—	Тверда речовина	47,7	240*	—	—
24	Тетракозан	С24Н50	—	Тверда речовина	51,1	250*	—	—
25	Пентакозан	С25Н52	—	Тверда речовина	54	259*	—	—
26	Гентріаконтан	С31Н64	—	Тверда речовина	68	312*	—	—
27	Дотриаконтан	С32Н66	—	Тверда речовина	70	320*	—	—

^*при тиску 15 мм

Густина бутану суттєво залежить від умов його зберігання, а саме температури та тиску. Наприклад, густина рідкої фази бутану при 27 °C в залежності від тиску у ємності становить від 570.7 до 572.8 кг/м³. В той же час густина парової фази бутану коливається у межах 0.2337..2.4 кг/м³ в залежності від тиску.

Хімічні властивості

Розрізняючись за фізичними властивостями, насичені вуглеводні за хімічними властивостями дуже подібні один до одного. При звичайній температурі вони мало активні. Як і метан, всі вони досить стійкі проти дії кислот, лугів і окисників. Насичені вуглеводні при звичайних умовах вступають у реакцію лише з хлором і бромом, внаслідок чого їх атоми водню послідовно заміщаються атомами галогенів. Однак при нагріванні з сильними окисниками вони окиснюються. Із збільшенням молекулярної маси стійкість насичених вуглеводнів до дії високих температур зменшується.

Алкани в хімічному відношенні дуже інертні, вступають лише в реакцію заміщення, тобто заміщення атомів водню атомами галогену з утворенням галогенопохідних. Найпростіший представник цього класу — метан СН₄ — за звичайних умов активно (із вибухом) реагує із флуором F, дуже повільно взаємодіє із хлором Cl і майже не реагує із бромом Br. Реакції з хлором і бромом прискорюються під дією світла, а також при нагріванні, наприклад: СН₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (утворюється хлористий метил — хлорметан);

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl (дихлорметан) тощо.

Зміна стану молекули кожного наступного члена гомологічного ряду на групу СН₂ призводить до появи нової речовини, яка хоч і має багато спільного із сусідніми членами ряду, але і відрізняється за деякими властивостями від них. Так, нижчі члени ряду насичених вуглеводнів (від СН₄ до С₄Н₁₀) — гази; середні члени (від С₅Н₁₂ до С₁₆Н₃₄) при температурі до 20°С — рідини; решта при звичайних умовах знаходяться у твердому стані. У всіх випадках температури кипіння і тверднення тим вищі, чим більша молекулярна маса вуглеводню. Зі збільшенням кількості С-атомів у молекулах різко зростає кількість ізомерів насичених вуглеводнів. Метан СН₄, етан С₂Н₆ і пропан С₃Н₈ не мають ізомерів.

Алкани в складі нафт і природних газів

Алкани складають основну частину вуглеводнів нафт усіх родовищ і природних горючих газів. Загальний вміст алканів у нафтах в основному становить 25-30 % (без розчинених газів), з урахуванням розчинених вуглеводнів їх вміст підвищується до 40-50, а в деяких нафтах — до 50-70 %, хоч є нафти із вмістом алканів всього 10-15 %. З підвищенням середньої молекулярної маси фракцій нафти вміст у них алканів, як правило, зменшується.

Див. також

• Ненасичені вуглеводні
• Алкіліденова група

Література

• Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Інститут фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
• Бойко В. С., Бойко Р. В. Тлумачно-термінологічний словник-довідник з нафти і газу. — тт. 1-2. К.: Міжнародна економічна фундація. 2004—2006 рр.

Посилання

• НАСИЧЕНІ ВУГЛЕВОДНІ [Архівовано 23 березня 2016 у Wayback Machine.] //Фармацевтична енциклопедія
• Алкани [Архівовано 15 грудня 2014 у Wayback Machine.]
• Virtual Textbook of Organic Chemistry [Архівовано 21 квітня 2021 у Wayback Machine.]