Введение в органическую химию: алканы и циклоалканы

В этом уроке ты узнаешь

Объяснять положения теории Бутлерова и классифицировать органические вещества по скелету и насыщенности.
Описывать строение алканов и циклоалканов (sp³, 109°28′), считать σ-связи, гибридные орбитали и полярные связи.
Составлять уравнения получения алканов (Вюрц, декарбоксилирование, Al₄C₃) и их превращений (горение, галогенирование, крекинг, дегидрирование, изомеризация); узнавать присоединение у малых циклов.
Находить формулу алкана и циклоалкана по продуктам сгорания, массе или объёму и решать задачи на смеси.

На склоне Янардага на Апшероне природный газ, выходящий из-под земли, горит уже много лет, а на месторождении Нефтяные Камни в Каспийском море первую нефть добыли в 1949 году. И природный газ, и нефть — смеси углеводородов, веществ только из углерода и водорода. Органическую химию начинаем с самого простого класса — предельных углеводородов; на экзаменах ДИМ 2026 года требовалось найти формулу алкана по данным сгорания и сосчитать четвертичные атомы углерода.

Органическая химия и теория строения Бутлерова

Органическая химия — химия соединений углерода; CO, CO₂, угольная кислота, карбонаты и карбиды относятся к неорганическим. Долго считали, что такие вещества образуются только в живых организмах, но в 1828 году Фридрих Вёлер получил мочевину из неорганического цианата аммония. Углерод четырёхвалентен и соединяется с другими атомами углерода в прямые и разветвлённые цепи и циклы — поэтому органических веществ миллионы.

Атомы в молекуле соединены в определённом порядке согласно их валентности (углерод всегда четырёхвалентен); этот порядок называется химическим строением.
Свойства вещества зависят не только от состава, но и от строения — поэтому существуют изомеры.
Атомы и группы атомов в молекуле взаимно влияют друг на друга.
Строение можно установить по свойствам, а свойства — предсказать по строению.

Эти положения А. М. Бутлеров выдвинул в 1861 году. По углеродному скелету органические вещества делят на ациклические (с открытой цепью) и циклические, по насыщенности — на предельные (только одинарные связи C–C) и непредельные, по функциональной группе — на классы. Члены одного класса образуют гомологический ряд: соседние члены отличаются на группу CH₂ (гомологическую разность). Названиям и подсчёту изомеров посвящён отдельный урок — «Номенклатура и изомерия органических соединений».

Строение и физические свойства алканов

В алканах (парафинах) атомы углерода связаны только одинарными σ-связями; общая формула CₙH₂ₙ₊₂. Каждый атом углерода находится в состоянии sp³-гибридизации: четыре гибридные орбитали направлены к вершинам тетраэдра, валентный угол 109°28′, длина связи C–C 0,154 нм. Поэтому цепь не прямая, а зигзагообразная, и вокруг одинарных связей возможно свободное вращение.

Алкан	Формула	Mr	tкип, °C	При обычных условиях
метан	CH₄	16	−162	газ
этан	C₂H₆	30	−89	газ
пропан	C₃H₈	44	−42	газ
бутан	C₄H₁₀	58	−0,5	газ
пентан	C₅H₁₂	72	36	жидкость
гексан	C₆H₁₄	86	69	жидкость

С удлинением цепи температура кипения растёт; длинноцепочечные алканы твёрдые (парафин). Разветвление её снижает: пентан кипит при 36 °C, 2-метилбутан при 28 °C, 2,2-диметилпропан при 9,5 °C. Алканы не растворяются в воде и легче её.

Mr(CₙH₂ₙ₊₂) = 14n + 2

где:

nчисло атомов углерода
14масса группы CH₂ (гомологическая разность)

Отсюда n = (Mr − 2) / 14. В молекуле: связей C–H (полярных) 2n + 2, C–C (неполярных) n − 1, σ-связей 3n + 1, гибридных орбиталей 4n.

В стиле ДИМ: формула и связи (кодируемое задание)

1) Найдите формулу алкана с Mr = 100.
2) По таблице вычислите x + y.
Вещество — Число гибридных орбиталей — Число σ-связей
Алкан — 28 — x
Циклоалкан — 28 — y

Показать решение

1) 14n + 2 = 100 → n = 7: C₇H₁₆ (гептан).
2) Каждый sp³-атом даёт 4 гибридные орбитали: 4n = 28 → n = 7 (в обоих веществах).
Алкан C₇H₁₆: σ = 3n + 1 = 22 (6 C–C + 16 C–H) → x = 22.
Циклоалкан C₇H₁₄: в цикле n связей C–C, σ = n + 2n = 3n = 21 → y = 21.
x + y = 43.

Получение и химические свойства алканов

В промышленности алканы получают из природного газа и нефти. Лабораторные способы: реакция Вюрца — нагревание галогеналкана с натрием, цепь удваивается: 2CH₃Cl + 2Na → C₂H₆ + 2NaCl; декарбоксилирование — сплавление соли карбоновой кислоты со щёлочью, цепь укорачивается на один C: CH₃COONa + NaOH → CH₄↑ + Na₂CO₃; гидролиз карбида алюминия: Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄↑ + 4Al(OH)₃; гидрирование алкенов: C₂H₄ + H₂ → C₂H₆ (Ni, t°).

Алканы химически малоактивны: при обычных условиях они не обесцвечивают бромную воду и раствор KMnO₄. Для них характерны реакции замещения. На свету (hν) хлорирование идёт по цепному радикальному механизму, ступенчато: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl, затем образуются CH₂Cl₂, CHCl₃ (хлороформ) и CCl₄. Легче всего замещается H у третичного атома, труднее всего — у первичного, поэтому при бромировании пропана получается в основном 2-бромпропан. Реакция Коновалова (разбавленная HNO₃, t°, p): CH₄ + HNO₃ → CH₃NO₂ + H₂O.

Крекинг (450–700 °C): длинная цепь распадается на алкан и алкен — C₁₀H₂₂ → C₅H₁₂ + C₅H₁₀.
Дегидрирование (Ni или Pt, t°): C₂H₆ → C₂H₄ + H₂. Метан при 1000 °C разлагается на C и H₂, а при 1500 °C — до ацетилена: 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂.
Изомеризация (AlCl₃, t°): бутан → 2-метилпропан; разветвлённые алканы повышают качество бензина.
Горение: при полном сгорании образуются CO₂ и H₂O, при недостатке кислорода — ядовитый угарный газ CO и сажа (C).

Расчёт: получение и хлорирование

1) Какие алканы образуются при действии натрия на смесь CH₃Br и C₂H₅Br?
2) При сплавлении ацетата натрия с NaOH получили 4,48 л метана (н. у.). Какая масса CH₃COONa израсходована? Mr(CH₃COONa) = 82
3) 5,6 л метана (н. у.) полностью прохлорировали до CCl₄. Какой объём хлора (н. у.) израсходован и какая масса CCl₄ получена? Mr(CCl₄) = 154

Показать решение

1) Радикалы соединяются во всех парах: CH₃–CH₃ (этан), CH₃–C₂H₅ (пропан), C₂H₅–C₂H₅ (бутан) — три алкана.
2) n(CH₄) = 4,48 / 22,4 = 0,2 моль; соотношение 1 : 1 → n(CH₃COONa) = 0,2 моль, m = 0,2 · 82 = 16,4 г.
3) CH₄ + 4Cl₂ → CCl₄ + 4HCl. n(CH₄) = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль → n(Cl₂) = 4 · 0,25 = 1 моль, V = 22,4 л; m(CCl₄) = 0,25 · 154 = 38,5 г.

Циклоалканы

В циклоалканах (циклопарафинах) атомы углерода образуют замкнутый цикл; общая формула CₙH₂ₙ (n ≥ 3), то есть они межклассовые изомеры алкенов: циклопропан C₃H₆, циклобутан C₄H₈, циклопентан C₅H₁₀, циклогексан C₆H₁₂. Атомы углерода sp³-гибридные, но в малых циклах угол намного меньше 109°28′ (в циклопропане 60°, в циклобутане около 90°), поэтому цикл напряжён и легко раскрывается.

Реакция	Циклопропан, циклобутан	Циклопентан, циклогексан
H₂ (Ni, t°)	цикл раскрывается: C₃H₆ + H₂ → C₃H₈; C₄H₈ + H₂ → C₄H₁₀	в обычных условиях не идёт
Br₂, HBr	циклопропан присоединяет: C₃H₆ + Br₂ → CH₂Br–CH₂–CH₂Br; C₃H₆ + HBr → CH₃–CH₂–CH₂Br	замещение на свету: C₆H₁₂ + Cl₂ → C₆H₁₁Cl + HCl
раствор KMnO₄	не обесцвечивается	не обесцвечивается

Получение: дигалогеналкан + Zn (CH₂Br–CH₂–CH₂Br + Zn → C₃H₆ + ZnBr₂), гидрирование бензола (C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂). При нагревании на Pt циклогексан превращается в бензол: C₆H₁₂ → C₆H₆ + 3H₂.

В стиле ДИМ: утверждения о циклопропане

Определите верные утверждения о циклопропане.
1. Отвечает общей формуле CₙH₂ₙ
2. Изомерен пропену
3. Вступает в реакцию присоединения с бромом
4. В молекуле 9 σ-связей
5. Обесцвечивает водный раствор KMnO₄

Показать решение

1, 2 — верно: C₃H₆ — формула и циклопропана, и пропена.
3 — верно: напряжённый цикл раскрывается, получается 1,3-дибромпропан.
4 — верно: 3 C–C + 6 C–H = 9 (3n при n = 3).
5 — неверно: циклоалканы не обесцвечивают раствор KMnO₄ — так пропен отличают от циклопропана.
Ответ: 1, 2, 3, 4.

Интерактив

Загрузка симуляции…

Алканы и циклоалканы с большими циклами склонны к замещению, малые циклы — к присоединению.

Вывод формулы по продуктам сгорания

CₙH₂ₙ₊₂ + (3n + 1)/2 O₂ → nCO₂ + (n + 1)H₂OCₙH₂ₙ₊₂ + (3n + 1)/2 O₂ → nCO₂ + (n + 1)H₂O

где:

nчисло атомов углерода в алкане
(3n + 1)/2(3n + 1)/2число моль O₂ на 1 моль алкана

Массы: (14n + 2) г алкана → 44n г CO₂ и 18(n + 1) г H₂O. Для циклоалканов: CₙH₂ₙ + 3n/2 O₂ → nCO₂ + nH₂O.

В стиле ДИМ: формула по сгоранию

При полном сгорании 7,2 г алкана образуется 11,2 л углекислого газа (н. у.). Определите формулу алкана. Ar(C) = 12, Ar(H) = 1
A) C₃H₈ B) C₄H₁₀ C) C₅H₁₂ D) C₆H₁₄ E) C₂H₆

Показать решение

n(CO₂) = 11,2 / 22,4 = 0,5 моль.
1 моль алкана даёт n моль CO₂: (7,2 / (14n + 2)) · n = 0,5.
7,2n = 7n + 1 → 0,2n = 1 → n = 5: C₅H₁₂ (Mr = 72; 7,2 г = 0,1 моль → 0,5 моль CO₂ ✓).
Ответ: C.

В стиле ДИМ: сгорание смеси (письменное задание)

При полном сгорании 0,5 моль смеси метана и циклопропана образовалось 1,1 моль CO₂. Вычислите: 1) количество вещества циклопропана в смеси; 2) массу образовавшейся воды (г).

Показать решение

CH₄ → x моль, C₃H₆ → y моль: x + y = 0,5; по CO₂ x + 3y = 1,1.
Вычитаем: 2y = 0,6 → 1) y = 0,3 моль, x = 0,2 моль.
Вода: моль CH₄ даёт 2 моль, моль C₃H₆ — 3 моль H₂O: 2 · 0,2 + 3 · 0,3 = 1,3 моль.
2) m(H₂O) = 1,3 · 18 = 23,4 г.

Типичные ошибки

• Реакция Вюрца с двумя разными галогеналканами даёт не один, а три алкана.
• Декарбоксилирование укорачивает цепь на один C: из C₂H₅COONa получается этан, а не пропан.
• Формула циклоалканов та же, что у алкенов, но раствор KMnO₄ они не обесцвечивают.
• В углеводородах ДИМ считает связь C–H полярной, а C–C неполярной.
• При недостатке кислорода метан сгорает не полностью и образуется ядовитый CO — проветривайте помещение с газовой плитой.

Главное

Бутлеров: атомы соединены в порядке, определяемом валентностью, свойства зависят от состава и строения; гомологи отличаются на CH₂.
Алканы CₙH₂ₙ₊₂ (Mr = 14n + 2): sp³, 109°28′, только σ-связи; σ = 3n + 1, гибридных орбиталей 4n.
Получение: Вюрц (цепь удваивается), декарбоксилирование (на один C меньше), Al₄C₃ + H₂O → CH₄; свойства: замещение на свету, крекинг, дегидрирование, изомеризация, горение.
Циклоалканы CₙH₂ₙ — изомеры алкенов; циклы C₃ и C₄ присоединяют H₂, Br₂, HBr, C₅ и C₆ вступают в замещение; KMnO₄ не обесцвечивают.
Горение: CₙH₂ₙ₊₂ + (3n + 1)/2 O₂ → nCO₂ + (n + 1)H₂O; у алканов n(H₂O) − n(CO₂) = n(алкана), у циклоалканов n(H₂O) = n(CO₂).

Проверь себя

Вопросов: 12. Каждый правильный ответ приносит XP.

1 / 12

От чего, по теории Бутлерова, зависят свойства вещества?