Метан, его строение
Принадлежность веществ к группе предельных углеводородов определяется характером их строения. Рассмотрим строение наиболее простого углеводорода - метана.
Метан CH4 - газ без цвета и запаха, почти в два раза легче воздуха. Он образуется в природе в результате разложения без доступа воздуха остатков растительных и животных организмов. Поэтому он может быть обнаружен, например, в заболоченных водоемах, в каменноугольных шахтах. В значительных количествах метан содержится в природном газе, который широко используется сейчас в качестве топлива в быту и на производстве.
В молекуле метана химические связи атомов водорода с атомом углерода имеют ковалентный характер. Если перекрывающиеся попарно электронные облака при образовании связей обозначить двумя точками или валентной черточкой, строение метана можно выразить формулами:
или 
Когда в органической химии стало развиваться учение о пространственном строении молекул, было выяснено, что молекула метана в действительности имеет тетраэдрическую форму, а не плоскую, как мы изображаем на бумаге.
Выясним, почему же молекула метана представляет собой тетраэдр. Мы должны исходить, очевидно, из строения атома углерода. Но здесь мы сталкиваемся с противоречием. У атомов углерода четыре валентных электрона, два из них являются спаренными s-электронами, они не могут образовывать химических связей с атомами водорода. Химические связи могут установиться только за счет двух неспаренных p-электронов. Но тогда молекула метана должна иметь формулу не CH4, а CH2, что не соответствует действительности. Такое противоречие устраняется следующей трактовкой образования химических связей.
|
|
Когда атом углерода вступает во взаимодействие с атомами водорода, s-электроны наружного слоя в нем распариваются, один из них занимает вакантное место третьего p-электрона и образует при своем движении облако в виде объемной восьмерки, перпендикулярное по отношению к облакам двух других p-электронов. Атом при этом переходит, как говорят, в возбужденное состояние. Теперь все четыре валентных электрона стали неспаренными, они могут образовать четыре химические связи. Но возникает новое противоречие. Три p-электрона должны образовать три химические связи с атомами водорода во взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. под углом 90°, а четвертый атом водорода мог бы присоединяться в произвольном направлении, так как облако s-электрона имеет сферическую форму и эти связи, очевидно, отличались бы по свойствам. Между тем известно, что все связи C-H в молекуле метана одинаковы и расположены под углом 109°28'. Разрешить это противоречие помогает представление о гибридизации электронных облаков.
В процессе образования химических связей облака всех валентных электронов атома углерода (одного s - и трех p-электронов) выравниваются, становятся одинаковыми. При этом они принимают форму несимметричных, вытянутых в направлении к вершинам тетраэдра объемных восьмерок (несимметричное распределение электронной плотности означает, что вероятность нахождения электрона по одну сторону от ядра больше, чем по другую).
Угол между осями гибридных электронных облаков оказывается равным 109°28', что позволяет им, как одноименно заряженным, максимально удалиться друг от друга. Будучи вытянутыми к вершинам тетраэдра, такие облака могут значительно перекрываться с электронными облаками водородных атомов, что ведет к большему выделению энергии и образованию прочных, одинаковых по свойствам химических связей (рис.1А).
|
|
Гибридизация может распространяться на разное число электронных облаков. В данном случае, когда атом углерода образует ковалентные связи с четырьмя атомами водорода, в гибридизации участвуют облака всех четырех наружных электронов возбужденного атома - одного s-электрона и трех p-электронов. Такой вид ее называется sp3-гибридизацией.
Рис.1 Ковалентные химические связи в молекуле метана: А - перекрывание электронных облаков атома углерода с атомами водорода; Б - образование общих электронных облаков связей C-H.
Тетраэдрическая форма молекулы метана обусловливается, следовательно, тетраэдрическим направлением четырех гибридных электронных облаков атома углерода в химическом соединении.
Поскольку электроны при образовании ковалентных связей образуют общие для связываемых атомов облака, охватывающие оба ядра, электронное строение молекулы метана можно еще изобразить так, как показано на рис.1 Б[1].
Строение и номенклатура углеводородов ряда метана
Строение углеводородов. В природном газе и особенно в нефти содержится много углеводородов, сходных с метаном по строению и свойствам.
Первые четыре вещества этого ряда имеют исторически сложившиеся названия. Названия углеводородов, начиная с пентана, образованы преимущественно от греческих названий чисел.
|
|
Для наименования всех предельных углеводородов принят суффикс - ан.
С увеличением относительной молекулярной массы в общем последовательно возрастают температуры плавления и кипения углеводородов. Первые четыре вещества (C1-C4) при обычных условиях - газы; следующие одиннадцать углеводородов (C5-C15) - жидкости; начиная с углеводорода C16H34 - твердые вещества.
Все предельные углеводороды нерастворимы в воде, но могут растворяться в органических растворителях.
Рассматривая молекулярные формулы веществ, можно заметить постоянную разницу в составе молекул при переходе от одного члена ряда к другому на группу атомов CH2 (эта группа называется метиленом). Если число атомов углерода в молекуле принять за n, то состав всех этих углеводородов можно выразить общей формулой CnH2n+2.
Зная число атомов углерода в молекуле, легко найти молекулярную массу вещества. Например, если в молекуле содержатся пять атомов углерода, молекулярная масса Mr = 12x5 + 2x5 + 2 = 72. И, наоборот, зная молекулярную массу предельного углеводорода, по общей формуле можно определить его молекулярную формулу. Например, если Mr = 100, то, решая уравнение с одним неизвестным: 100 = 12n + 2n + 2, найдем n = 7, следовательно, формула углеводорода C7H16.
С образованием новых веществ в результате количественного изменения состава мы встречаемся в химии постоянно. Вспомните, например, различия в составе молекул и свойствах кислорода и озона, оксидов азота, оксидов углерода. На примере углеводородов это явление проявляется особенно ярко.
Известно и явление изомерии в ряду углеводородов - изомерии углеродного скелета молекул, обуславливающей возможность существования разных веществ одного и того же состава. Рассмотрим пространственное и электронное строение этих соединений.
Атомы углерода в молекулах углеводородов расположены не по прямой линии, как мы пишем в структурных формулах, а зигзагообразно. Причина этого в тетраэдрическом направлении валентных связей атомов углерода.
Предположим, что к одному атому углерода присоединился другой атом углерода. У этого последнего остались три свободные валентности, все они направлены к вершинам тетраэдра. Следующий атом углерода может присоединяться, очевидно, только в одном из этих направлений. Углеродная цепь в таком случае неизменно принимает зигзагообразную форму. Угол между ковалентными связями, соединяющими атомы углерода в такой цепи, как и в молекуле метана, 109°28'.
Зигзагообразная цепь атомов углерода может принимать различные пространственные формы. Это связано с тем, что атомы в молекуле могут относительно свободно вращаться вокруг химических связей. Такое вращение существует в молекулах как проявление теплового движения (если нет препятствующих этому факторов). Наиболее энергетически выгодной является форма с наибольшим удалением атомов друг от друга.
Замечательное свойство атомов углерода соединяться друг с другом в длинные цепи связано с положением элемента в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и строением его атомов.
Углерод находится во втором малом периоде и возглавляет собой главную подгруппу IV группы элементов. Радиус его атома сравнительно невелик, в наружном электронном слое атом имеет четыре электрона. При химической реакции у атома углерода трудно полностью оторвать четыре валентных электрона, равно как и присоединить к нему столько же электронов от других атомов до образования полного октета. Поэтому углерод почти не образует ионных соединений. Но он легко образует ковалентные связи. Поскольку свойство отдавать и притягивать электроны при установлении ковалентных связей у него выражено примерно одинаково, такие связи образуются и между атомами углерода.
Обозначая двумя точками перекрывающиеся электронные облака при образовании ковалентных связей, можно следующим образом изобразить электронные формулы предельных углеводородов:
H H H H
.......
H: C: C: C: C: H
.......
H H H H
которые не передают их зигзагообразного строения.
При разрыве связей молекулы углеводородов могут превращаться в свободные радикалы. При отрыве одного атома водорода от молекулы они образуют одновалентные радикалы с одним неспаренным электроном, например:
H H H H
... | |
H: C: C. или H-C-C-
... | |
H H H H
Названия подобных радикалов образуются от названий соответствующих углеводородов путем изменения суффикса - ан на - ил: метил CH3-, этил C2H5-, пропил C3H7 - и т.д.
Зная строение углеводородов, можно понять зависимость их физических свойств от молекулярной массы. С ростом углеводородной цепи возрастают силы притяжения между молекулами, и поэтому требуется все более высокая температура для преодоления этих сил, чтобы могло произойти плавление или кипение веществ. Физические свойства зависят и от пространственного строения молекул. Например, углеводороды с разветвленной цепью атомов кипят при более низкой температуре, чем их изомеры неразветвленного строения. Такому явлению можно дать следующее объяснение. Молекулы неразветвленного строения плотнее примыкают друг к другу и сильнее взаимодействуют между собой, чем молекулы разветвленного строения, поэтому для преодоления межмолекулярных сил в первом случае требуется более сильное нагревание; чем больше разветвлены молекулы вещества, тем меньше межмолекулярное взаимодействие и тем ниже его температура кипения.
Номенклатура углеводородов. Когда мы встречаемся с явлением изомерии, то названия углеводородов, которыми пользовались до сих пор, оказываются недостаточными. Возникает необходимость дать изомерным веществам индивидуальные названия с учетом строения их углеродного скелета.
Существуют различные системы номенклатуры органических соединений.
На международных совещаниях химиков была выработана международная систематическая номенклатура. В основу ее положено название углеводородов нормального (неразветвленного) строения: метан, этан, пропан, бутан, пентан и т.д.
Чтобы составить название углеводорода с разветвленной цепью, его рассматривают как продукт замещения атомов водорода в нормальном углеводороде углеводородными радикалами. Порядок действий здесь может быть такой:
а) выделяют в структурной формуле наиболее длинную цепь атомов углерода и нумеруют эти атомы, начиная с того конца, к которому ближе разветвление;
б) в названии вещества цифрой указывают, при каком атоме углерода находится замещающая группа (радикал);
в) если замещающих групп несколько, цифрами отмечают каждую из них;
г) когда разветвление начинается при атомах углерода, равноудаленных от концов главной цепи, нумерацию ведут с того конца, к которому ближе расположен радикал, имеющий более простое строение[2].