§24. Гомологічний ряд метану

Є багато вуглеводнів схожих на метан, тобто гомологів метану (гр. gomolog – «схожий»). В молекулах цих речовин є два, три, чотири й більше атомів Карбону, сполучених з атомами Гідрогену. Такі сполуки, які складаються з атомів Карбону й Гідрогену називаються вуглеводнями. Вуглеводні, у яких атоми Карбону сполучені між собою простими зв’язками, а решта валентностей насичені атомами Гідрогену, називаються насиченими.

Насичені вуглеводні – це сполуки, у яких валентності атомів Карбону повністю насичені атомами Гідрогену. Загальна формула насичених вуглеводнів – С_nН_2n+2, закінчення -ан.

Кожний наступний вуглеводень відрізняється від попереднього групою атомів – СН₂, яку називають гомологічною різницею. Наприклад, якщо до молекули метану СН₄ добавити гомологічну різницю СН₂, то дістанемо наступний вуглеводень ряду метану – етан С₂Н₆. Гомологи розташовані у порядку зростання їх відносної молекулярної маси, утворюють гомологічний ряд.

Таблиця 7. Гомологічний ряд метану

Агрегатний стан, t_пл. °С	Гомологічний ряд	Назва	Напівструктурна формула	Число ізомерів
Газ – 182,5	СН₄	метан		–
Газ – 173,3	С₂Н₆	етан	СН₃–СН₃	–
Газ – 187,7	С₃Н₈	пропан	СН₃–СН₂–СН₃	–
Газ – 138,3	С₄Н₁₀	бутан	СН₃–СН₂–СН₂–СН₃	2
Рідина – 129,7	С₅Н₁₂	пентан	СН₃–(СН₂)₃–СН₃	3
Рідина – 95,3	С₆Н₁₄	гексан	СН₃–(СН₂)₄–СН₃	5
Рідина – 90,6	С₇Н₁₆	гептан	СН₃–(СН₂)₅–СН₃	9
Рідина – 56,8	С₈Н₁₈	октан	СН₃–(СН₂)₆–СН₃	18
Рідина – 53,5	С₉Н₂₀	нонан	CH₃–(CH₂)₇–CH₃	35
Рідина – 29,6	С₁₀Н₂₂	декан	СН₃–(СН₂)₈–СН₃	75
Тверда речовина	С₁₆Н₃₄			С₁₁ – 159 С₁₂ – 355

Ряд вуглеводнів, які відповідають одній загальній формулі, мають подібну будову молекул й подібні хімічні властивості й різняться між собою на одну чи кілька груп СН₂, називають гомологічним рядом.

Будова насичених вуглеводнів

Електронна й просторова будова членів гомологічного ряду насичених вуглеводнів схожа на будову молекули метану. Гібридизовані електронні хмари атомів Карбону направлені до вершин тетраедра, молекула етану побудована із двох сполучених між собою карбонових тетраедрів, молекула пропану – з трьох, і т. д., тому карбоновий ланцюг набуває зигзагоподібної форми. У молекулі навколо простих карбон-карбонових зв’язків за нормальних умов можливе вільне обертання. Внаслідок цього молекула може набувати різних форм.

С_nН_2n+2–ан.

Рис. 46. Різні просторові форми карбонових ланцюгів.

Слід пам’ятати, якої б форми не набув карбоновий ланцюг, послідовність сполучення атомів в усіх випадках залишається тією самою, що й виражається структурною формулою.

Фізичні властивості насичених вуглеводнів

Нижчі насичені вуглеводні – метан, етан, пропан, бутан – безбарвні гази без запаху або із слабким запахом бензину. Алкани від пентану до пентадекану (С₁₅Н₃₂) – рідини, а алкани від С₁₆Н₃₄ при звичайних умовах – тверді речовини. Алкани з розгалуженою будовою мають нижчу температуру кипіння в порівнянні з їх нерозгалуженими ізомерами. Алкани не розчиняються у воді але розчинні в органічних розчинниках. Рідкі алкани є високоякісними розчинниками.

Хімічні властивості насичених вуглеводнів

Насичені вуглеводні хімічно інертні, оскільки всі валентності в їх молекулах насичені. Найхарактернішими реакціями насичених вуглеводнів є реакції заміщення. Знаючи хімічні властивості одного із членів гомологічного ряду, можна передбачити хімічну поведінку інших членів цього ряду. За хімічними властивостями ці вуглеводні дуже схожі на метан: горять, розкладаються при нагріванні, вступають в реакції заміщення з хлором, не вступають в реакції приєднання.

1. Усі насичені вуглеводні горять блідим синюватим полум’ям, утворюючи вуглекислий газ і воду. Наприклад, горіння етану:
2С₂Н₆ + 7О₂ → 4СО₂ + 6Н₂О.

2. Взаємодія з хлором. Під дією світлової енергії молекули хлору розкладаються на хімічно дуже активні атоми й відбуваються ланцюгові реакції до послідовного повного заміщення атомів Гідрогену у насичених вуглеводнів.

І стадія         C₂H₆ (етан) +CI₂ → C₂H₅CI (хлоретан) + HCI
ІІ стадія         C₂H₅CI (хлоретан) + CI₂ → C₂H₄CI₂ (дихлоретан) + HCI
ІІІ стадія       C₂H₄CI₂ (дихлоретан) + CI₂ → C₂H₃CI₃ (трихлоретан) + HCI
і т.д.

3. Термічний розклад відбувається при сильному нагріванні без доступу кисню. Ці реакції ще називають реакціями дегідрування (відщеплення Гідрогену):
а) розклад бутану: С₄Н₁₀(бутан) С₄Н₈ (бутен) + Н₂;
б) розклад етану: С₂Н₆ 2С + 3Н₂;
в) розклад бутану: С₄Н₁₀ (бутан) С₄Н₆ (бутин) + 2Н₂.

4. Для насичених вуглеводнів відомі реакції, під час яких відбувається розрив ланцюга атомів Карбону (крекінг), при цьому утворюються алкани з меншою кількістю атомів Карбону й ненасичені сполуки. Наприклад, крекінг бутану:
С₄Н₁₀ (бутан) → С₂Н₆ (етан) + С₂Н₄(етен).

Розщеплення молекул органічних сполук під дією високих температур та наявності каталізатора, яке супроводжується руйнуванням зв’язків С–С й утворенням речовин з меншою молекулярною масою, називається крекінгом.

5. Вуглеводні нормальної будови під впливом каталізаторів, при нагріванні ізомеризуються й перетворюються у вуглеводні розгалуженої будови:

Ізомеризуватися можуть лише вуглеводні, які містять не менше чотирьох атомів Карбону.

Схема 6. Хімічні властивості насичених вуглеводні

Велике промислове значення має окиснення вищих насичених вуглеводнів з числом атомів Карбону 20-25. Таким способом добувають синтетичні жирні кислоти з різною довжиною ланцюга, які використовуються для виробництва мил, різних миючих засобів, мастил, лаків та емалей. Рідкі вуглеводні складу С₇… С₁₇ використовують як паливо, розчинники. Алкани широко застосовують в органічному синтезі.

Підсумок:

Загальна формула насичених вуглеводнів – С_nН_2n+2, закінчення –ан.
Вуглеводні, у молекулах яких атоми Карбону сполучені між собою простими зв’язками, а решта валентностей насичена атомами Гідрогену, називають насиченими, або алканами чи парафінами.
Гомологічна різниця – це група атомів – СН₂.
Хлорування вищих вуглеводнів відбувається більш спокійно.

?

Які сполуки називають вуглеводнями?
Який елемент становить основу вуглеводнів?
Зобразіть електронну формулу етану. Як утворюються хімічні зв’язки в молекулі?
Яка гібридизація характерна для насичених вуглеводів?
Які сполуки називаються насиченими вуглеводнями?
Які речовини називаються гомологами?
Що показує структурна формула?
Охарактеризуйте значення гомологів метану в народному господарстві.

Завдання для самоконтролю

■

287. Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення:
а) С → СН₄→ СН₃СІ → С₂Н₆→ С₂Н₅СІ;
б) С₂Н₆ → С₂Н₅СІ → С₃Н₈ → С₃Н₇Br;
в) С₅Н₁₂ → С₅Н₁₁СІ → С₆Н₁₄→ С₆Н₁₃СІ;
г) Н₂ → СН₄ → СН₃СІ → С₃Н₈→ С₃Н₇Br;
д) СН₄ → С → СН₄ → С₂Н₄.

▲
●

288. Яка формула пропану:
а) С₃Н₆;
б) С₃Н₈;
в)С₄Н₁₀?

289. Яка загальна формула парафінів:
а) С_nН₂_n;
б) С_nН₂_n₊₂;
в) С_nН₂_n_–2?

290. Назвіть речовину, формула якої С₇Н₁₄:
а) гексан;
б) гептан;
в) пропан.

291. Яку геометричну формулу мають молекули насичених вуглеводнів:
а) тетраедричну;
б) лінійну?

292. Гомологічною різницею є група атомів:
а) СН;
б) СН₃;
в) СН₂.

293. Назвіть реакції, характерні для насичених вуглеводнів:
а) приєднання;
б) заміщення.

294. Виберіть формулу болотного газу:
а) С₂Н₆;
б)СН₄;
в) С₃Н₈.

●●

295. Складіть молекулярні формули вуглеводнів, у молекулах яких міститься:
а) 12 атомів Карбону;
б) 14 атомів Карбону.

296. Знайдіть серед електронних формул вільний радикал, назвіть його:
а) ;
б) ;
в) .
Назвіть головну ознаку вільного радикала – наявність вільної пари електронів чи наявність неспарених електронів?

297. З наведених формул речовин виберіть вуглеводні:
С₂Н₆, С₄Н₈, С₂Н₅ОН, СН₃СООН, С₆Н₆, СН₃СОН, С₂Н₂, СН₂СІ₂, С₆Н₅NO₂, C₃H₇NH₂, C₃H₈, C₁₇H₃₆, C₄H₁₀, C₈H₁₈, C₂H₄.
Серед вибраних вуглеводнів знайдіть формули алканів, назвіть їх.

●●●

298. Напишіть нижчевказані рівняння реакцій, вкажіть умови та назвіть продукти:
а)чотири стадії хлорування пропану;
б) ізомеризація пентану;
в) термічний розклад пропану;
г) горіння пентану.

299. Густина насиченого вуглеводню за н. у. дорівнює 1,964 г/л. Визначте молекулярну формулу вуглеводню.

300. Напишіть рівняння реакцій характерні для етану і пропану. Укажіть умови, назвіть продукти реакції.

301. Напишіть рівняння реакцій, продуктами яких будуть такі хлорпохідні етану: С₂Н₅СІ, С₂Н₄СІ₂, С₂Н₃СІ₃, С₂Н₂СІ₄. Чому такі реакції називають ланцюговими?

●●●●

302. Масова частка Карбону в молекулі насиченого вуглеводню 82,76%. Визначте формулу вуглеводню, назвіть його.

303. Парафін для свічок складається переважно з вуглеводню, що містить у своєму складі 25 атомів Карбону. Напишіть рівняння реакції горіння парафіну.

304. Який об’єм повітря треба для спалювання природного газу об’ємом 10м³об’ємна частка метану в якому 92%, етану – 4% й негорючих газів 4%?

305. Природний газ містить 92% метану, 3% етану, 1,6% пропану, 0,4% бутану, 2% азоту й 1% інших газів. Який об’єм кисню необхідний для згоряння цього газу?

Для тих, хто хоче знати більше

Добування насичених вуглеводнів

Промислові методи

Перегонка нафти.
Гідрування бурого вугілля.
Із синтез–газу: СО + 3Н₂ → СН₄ + Н₂О.
Взаємодією вуглецю з воднем: С + 2Н₂ → СН₄.

У лабораторії

Гідрування ненасичених вуглеводнів в присутності каталізатора Ni або Pt за схемою: С_nН₂_n+ Н₂ → С_nН₂_n₊₂.
Наприклад: С₂Н₄ + Н₂→ С₂Н₆.
Взаємодією активних металів з галогенопохідними (реакція Вюрца) за схемою: 2R–Г + Me → С_nН₂_n₊₂ + MeГ.
Наприклад: 2CH₃I + 2Na → C₂H₆ + 2NaI.
Нагрівання натрій ацетату з твердим лугом:
CH₃COONa + NaOН → Na₂CО₃ + CH₄.
Гідроліз алюміній карбіду:
AI₄C₃ + 12H₂O → 4AI(OH)₃ +3 CH₄.