Предельными (насыщенными) углеводородами называются углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой связью, причём все единицы валентности, не затраченные на связь между атомами углерода, насыщены атомами водорода.

Представителями предельных углеводородов являются метан CH 4 ; этан C 2 H 6 ; пропан C 3 H 8 ; бутан C 4 H 10 ; пентан C 5 H 12 ; гексан C 6 H 14 . Однако этот ряд можно продолжить. Существуют углеводы C 30 H 62 , C 50 H 102 , C 70 H 142 , С 100 Н 202 .

Если рассматривать углеводороды ряда метана, то нетрудно заметить, что каждый последующий углеводород можно произвести от соответствующего предыдущего замещением одного атома водорода группой CH 3 (метил). Таким образом, состав молекулы последующего углеводорода увеличивается на группу CH 2 .

Ряд химических соединений одного структурного типа, отличающихся друг от друга на одну или несколько структурных единиц (обычно на группу CH 2), называется гомологическим рядом, а каждый из углеводов – членом гомологического ряда или гомологом. Если располо­жить гомологи в порядке возрастания их относительной молекулярной массы, они образуют гомологический ряд.

Группа CH 2 называется гомологической разностью или гомологической разницей. Общая формула предельных углеводородов C n H 2 n + 2 , где n – число атомов углерода в молекуле.

Если от молекулы углеводорода отнять атом водорода, то остаток молекулы с открытой связью называется углеводородным радикалом (обозначается буквой R). В свободном виде радикалы из-за большой реакционной способности не существуют.

Явление гомологии – существование рядов органических соединений, в которых формула любых двух соседей ряда отличается на одну и ту же группу (чаще всего CH 2). Физико-химические свойства соединений изменяются по ходу гомологического ряда. В органической химии в основе понятие гомология основывается на фундаментальном положении о том, что химические и физические свойства соединения обусловлены структурой его молекул: эти свойства определяются и функциональными группами соединения, и его углеродным скелетом.

Весь комплекс химических свойств и, следовательно, отнесённость соединения к определённому классу, определяется именно функциональными группами, но степень проявления химических свойств или физические зависит от углеродного скелета молекулы.

При отсутствии изомерии в случае подобия углеродных скелетов соединений формулу гомологичных соединений можно записать как X– (СН 2) n – Y, соединения с различным числом n метиленовых звеньев являются гомологами и принадлежат к одному классу соединений. Итак, соединения-гомологи принадлежат к одному классу соединений, а свойства ближайших гомологов наиболее близки.

В гомологических рядах наблюдается определённая закономерное изменение свойств от младших членов ряда к старшим, но такая закономерность соблюдается не всегда, в некоторых случаях она может нарушаться. Чаще всего это происходит в начале ряда, потому что образуются водородные связи при наличии функциональных групп, способных к их образованию.

Примером гомологического ряда может служить ряд предельных углеводородов (алканов). Простейший его представитель – метан СН4. Гомологами метана являются: этан C 2 H 6 ; пропан C 3 H 8 ; бутан C 4 H 10 ; пентан C 5 H 12 ; гексан C 6 H 14 , гептан C 7 H 16 , октан – С 8 Н 18 , нонан – С 9 Н 20 , декан – С 10 Н 22 , ундекан – С 11 Н 24 , нодекан – С 12 Н 26 , тридекан – С 13 Н 28 , тетрадекан – С 14 Н 30 , пентадекан – С 15 Н 32 , эйкозан – С 20 Н 42 , пентакозан – С 25 Н 52 , триаконтан – С 30 Н 62 , тетраконтан – С 40 Н 82 , гектан – С 100 Н 202 .

Остались вопросы? Не знаете, что такое гомологический ряд?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

АЛКАНЫ

Предельными углеводородами (алканами ) называются соеди­нения, состоящие из атомов углерода и водорода, соединенных между собой только σ-связями, и не содержащие циклов. В алканах атомы углерода находятся в степени гибридизации sp 3 .

1. Понятие о гомологическом ряде

Простейшим соединением этого класса является метан - углеводород, содержащий один атом углерода и четыре атома водорода. Рассматривая формулу этана - предельного углеводо­рода с двумя атомами углерода, мы видим, что с формальных позиций он как бы образован из метана: разорвана одна из эк­вивалентных связей С-Н и вместо разрыва вставлена группа -СН 2 -. Точно так же из этана может быть образован предель­ный углеводород с тремя атомами углерода - пропан и т. д.:

Такой ряд сходных по строению соединений, обладающих близкими химическими свойствами, в котором отдельные члены ряда отличаются друг от друга лишь числом групп -СН 2 -, назы­вается гомологическим рядом . В данном случае речь идет о гомо­логическом ряде алканов.

У членов любого гомологического ряда (например, ряда спиртов, альде­гидов или кислот) подавляющее большинство реакций проте­кает одинаково (исключение составляют иногда только первые члены рядов). Следовательно, зная химические реакции лишь одного члена гомологического ряда, можно с большой сте­пенью вероятности утверждать, что такого же типа превраще­ния протекают и с остальными членами данного ряда.

Это еще раз подчеркивает, что свойства органического со­единения определяются в основном функциональной группой, что дает возможность систематизировать реакции по гомоло­гическим рядам, или, как часто говорят, по классам органиче­ских соединений. Функциональной группой обычно считают наиболее легко изменяющуюся в реакциях часть молекулы ор­ганического соединения, как правило, содержащую атомы и группы, отличные от С и Н, или кратные связи.

Для любого гомологического ряда может быть выведена общая формула, отражающая соотношение между атомами уг­лерода и водорода у членов этого ряда; такая формула называ­ется общей формулой гомологического ряда . Рассмотрев струк­турную формулу любого члена гомологического ряда предель­ных углеводородов с неразветвленной углеродной цепью, мы видим, что его молекула состоит из п групп -СН 2 - и еще двух атомов водорода у концевых групп. Таким образом, на п ато­мов углерода в ней приходится (2п + 2) атомов водорода, следовательно, и общая формула гомологического ряда имеет вид С n Н 2 n +2 .

В таблице 19 приведены члены гомологического ряда пре­дельных углеводородов и их физические константы.

2. Изомерия

Если два или больше индивидуальных веществ имеют оди­наковый количественный состав, т. е. одинаковую молекуляр­ную формулу, но отличаются друг от друга какими-то химиче­скими или физическими свойствами, то в общем случае они называются изомерами .

Одним из типов изомерии является струк­турная изомерия , когда изомеры отличаются друг от друга по­рядком связей между отдельными атомами в молекуле.

В метане, этане и пропане существует только один-единст­венный порядок связей между атомами. Но уже четыре атома углерода могут быть соединены двумя различными способами:

В обоих случаях углеводороды имеют одну и ту же молекуляр­ную формулу С 4 Н 10 . Однако в первом случае все четыре атома углерода образуют неразветвленную, или нормальную, цепь, а во втором - разветвленную на конце, или цепь изостроения. Это разные вещества: бутан и изобутан, которые имеют раз­личные физические константы (см. табл. 19).

Для углеводорода С 5 Н 12 существуют уже три изомера

С увеличением числа углеродных атомов в молекуле угле­водорода число

изомеров быстро растет: для С 6 оно равно 5; для С 7 - 9; для С 8 - 18; для С 20 - 366 319; для С 40 - 62 491 178 805 831 изомер. Иногда такого типа изомерию на­зывают изомерией углеродного скелета.

Рассмотрим разветвленный углеводород такого строения:

В этом углеводороде имеются атомы углерода четырех различ­ных типов. Атомы, обозначенные значком С а, соединены с од­ним углеродным атомом, они называются первичными, соот­ветственно называются первичными и три атома водорода у первичного углеродного атома. Атом углерода, обозначенный значком С б, соединен с двумя атомами углерода, он называется вторичным, а два атома водорода у него называются вторич­ными атомами водорода. Атом С в называется третичным, как и единственный атом водорода при нем; а атом углерода С г - четвертичным.

ГОМОЛОГИЧЕСКИЕ РЯДЫ, последовательности химических соединений с однотипным строением и одинаковыми функциональными группами; каждый член таких последовательностей - гомолог - отличается от соседнего на постоянную структурную единицу, или гомологическую разность, обычно на метиленовую группу СН 2 , как, например, в гомологических рядах алканов (общая формула С n Н 2 n+2 , n = 1, 2, ...), алкенов (С n Н 2 n , n = 2, 3, ...), насыщенных одноосновных карбоновых кислот (С n Н 2 n + 1 СООН, n = 0, 1, 2, ...). Понятие о гомологических рядах, сформулированное Ш. Жераром в 1840-е годы, имеет большое значение в органической химии, так как служит основой классификации органических соединений.

Существование гомологических рядов обусловлено способностью атомов углерода соединяться между собой и одновременно с атомами других элементов ковалентными связями в прочные цепи и циклы. В значительно меньшей степени такой способностью обладают атомы некоторых других химических элементов, например, кремния, который образует гомологический ряд силанов SinH 2n+2 (n = 1 - 8) и кремния галогенидов.

Гомологи имеют одинаковые химические и закономерно изменяющиеся физические свойства. Так, температуры кипения соседних гомологов для гомологических рядов соединений с неразветвлённой цепью в середине ряда (С 5 -С 14) отличаются на 20-30 °С, а каждой добавленной группе СН 2 соответствует увеличение теплоты сгорания на 630-660 кДж/моль. У высших членов ряда различия в свойствах соседних гомологов сглаживаются. Иногда химические и физические свойства первых членов гомологического ряда существенно отличаются от свойств прочих членов гомологического ряда, например, взаимодействие формальдегида со щелочами протекает иначе, чем в случае других альдегидов, муравьиная кислота значительно сильнее, метанол существенно более токсичен, чем их гомологи.

Некоторые молекулы могут входить в несколько различных гомологических рядов, например, циклопропан входит в гомологический ряд, образуемый циклическими, или ядерными, гомологами (циклопропан, циклобутан, циклопентан, циклогексан и так далее), и в ряд цепных гомологов (циклопропан, метилциклопропан, этилциклопропан и др.). Высокомолекулярные соединения образуют полимергомологические ряды, каждый член которых - полимергомолог - отличается от других числом структурных звеньев (степенью полимеризации).

Наряду с гомологическими рядами в органической химии выделяют винилогические, генетические и изологические ряды. Винилогические ряды образуют соединения с одинаковыми функциональными группами и сопряжёнными двойными связями; каждый член винилогического ряда отличается от соседних на виниленовую группу СН=СН, например первыми членами винилогического ряда альдегидов являются ацетальдегид СН 3 СОН, кротоновый СН 3 СН=СНСОН и сорбиновый СН 3 СН=СНСН=СНСОН альдегиды. Генетические ряды образуют органические соединения с одинаковым числом атомов углерода в молекуле, но с разными функциональными группами, например в генетический ряд этана С 2 Н 6 входят этилхлорид С 2 Н 5 Сl, этанол С 2 Н 5 ОН, этиламин С 2 Н 5 NH 2 , ацетальдегид СН 3 СНО, уксусная кислота СН 3 СООН и др. Изологические ряды образуют органические соединения, отличающиеся друг от друга только степенью ненасыщенности, например этан С 2 Н 6 , этилен С 2 Н 4 , ацетилен С 2 Н 2 .

Лит.: Жданов Ю. А. Гомология в органической химии. М., 1950.