Книга: Общая химия

164. Предельные (насыщенные) углеводороды.

164. Предельные (насыщенные) углеводороды.

Простейший представитель класса предельных углеводородов — метан CH₄. Это бесцветный легкий горючий газ, не имеющий запаха и почти нерастворимый в воде. Температура его кипения равна -161,5°C, температура затвердевания -182,5°C.

Метан довольно часто встречается в природе. Он является основной составной частью природного газа газовых месторождений (до 97%), в значительном количестве содержится в попутном нефтяном газе (выделяющемся при добыче нефти), а также в коксовом газе. Выделяется со дна болот, прудов и стоячих вод, где он образуется при разложении растительных остатков без доступа воздуха, почему метан получил также название болотного газа. Наконец, метан постоянно скапливается в каменноугольных шахтах, где его называют рудничным газом.

Смесь метана с воздухом крайне взрывоопасна (особенно в соотношении 1:10).

Молекула метана характеризуется сравнительно большой прочностью. При обычных условиях метан активно (со взрывом) реагирует с фтором, очень медленно взаимодействует с хлором и почти не реагирует с бромом. Реакция с хлором или бромом ускоряется под действием света, а также при нагревании и заключается в последовательном замещении атомов водорода атомами галогена с образованием галогенпроизводных, например:

Метан горит синеватым или почти бесцветным пламенем, выделяя большое количество теплоты (879 кДж/моль). Однако при обычных условиях он не окисляется раствором перманганата калия (фиолетовая окраска раствора KMnO₄ при контакте с предельными углеводородами не исчезает).

- 453 -

Как уже было указано, метан — первый представитель гомологического ряда предельных или насыщенных углеводородов:

В молекулах этих соединений все связи между атомами углерода простые (ординарные), атомы углерода максимально, до предела «насыщены» водородом. Состав любого из гомологов отвечает общей формуле CnH_2n+2 (где n — число атомов углерода); эта закономерность дает возможность написать формулу состава для предельного углеводорода с любым числом С-атомов, например C₁₈H₂₈ (октадекан), C₁₀₀H₂₀₂ (гектан).

Состав одновалентных радикалов, получаемых отнятием атома водорода от молекулы предельного углеводорода, выражает формула CnH_2n+1-. Названия их образуются заменой окончания -ан в названии углеводорода окончанием -ил. Так, от метана производится метил CH₃-, от этана — этил C₂H₅-, от пропана — пропил C₃H₇- и т. д.

Как и в других гомологических рядах, в ряду метана проявляется всеобщий закон природы — закон перехода количественных изменений в качественные. Изменение состава молекулы на группу CH₂ каждый раз приводит к новому веществу, которое хотя и имеет много общего с соседними членами ряда, но вместе с тем по некоторым свойствам отличается от них. Различие гомологов ясно проявляется в их физических свойствах. Низшие члены ряда предельных углеводородов (от CH₄ до C₄H₁₀) - газы; средние члены (от C₅H₁₂ до C₁₆H₃₄) при температуре до 20°C — жидкости, остальные при обычных условиях находятся в твердом состоянии. Во всех случаях температуры кипения и затвердевания тем выше, чем больше молекулярная масса углеводорода.

В то же время предельные углеводороды в химическом отношении подобны метану. Они весьма инертны, вступают лишь в реакции замещения водорода, протекающие крайне медленно, и Не обесцвечивают на холоду растворы брома и перманганата калия.

Все предельные углеводороды горят и могут быть использованы в качестве топлива. Они входят в состав нефтей и продуктов Их перегонки. При фракционной перегонке нефть разделяют на отличающиеся по температурам кипения фракции («погоны») и получают следующие нефтепродукты:

а) бензины (темп. кип. 40-180°C) содержат углеводороды C₅H₁₂ до C₁₀H₂₂ при повторной перегонке из них могут быть быделены легкие нефтепродукты, кипящие в более узких пределах: петролейный эфир(40-70°C), авиационный бензин (70—100°C), автомобильный бензин (100—120°C);

б) керосины (темп. кип. 180-270°C) содержат углеводороды от C₁₀H₂₂ до C₁₆H₃₄;

- 454 -

в) соляровые масла (темп. кип. 270-360°C) содержат смеси углеводородов от C₁₂ до C₂₀ из них получают смазочные масла и различные виды дизельного топлива;

г) мазут (нефтяные остатки — до 40-50%) содержит еще более тяжелые (высшие) углеводороды; из мазута получают тяжелые смазочные масла, вазелин, парафин.

Как уже было указано, с увеличением числа С-атомов в молекулах резко возрастает число изомеров предельных углеводородов. Метан CH₄, этан C₂H₆ и пропан C₃H₈ не имеют изомеров; бутанов C₄H₁₀ существует два:

Изомерных пентанов C₅H₁₂— три, гексанов C₆H₁₄ - пять, гептанов C₇H₁₆ — девять, октанов C₈H₁₈ - 18, нонанов C₉H₂₀ - 35. Все эти углеводороды получены. Деканов C₁₀H₂₂ может быть 75, а формулу C₁₅H₃₂ могут иметь уже 4347 изомерных углеводородов. Для высших гомологов пока известны лишь некоторые изомеры, однако принципиальная возможность их существования предсказана и доказана А. М. Бутлеровым; им был осуществлен первый синтез углеводорода с разветвленной цепью — изобутана.

Как отдельные гомологи, так и изомеры отличаются друг от друга не только физическими, но и химическими свойствами. Сильная разветвленность углеродной цепи часто приводит к повышению температур замерзания, и высокое содержание таких углеводородов в бензинах может ограничивать возможность использования последних в зимних условиях.

Различие в химических свойствах сказывается, в частности, на склонности некоторых углеводородов, входящих в состав моторного топлива, к детонации.

Детонация моторного топлива представляет собой чрезвычайно быстрое разложение (взрыв) углеводородов, которое происходит внезапно при сжатии горючей смеси в цилиндре двигателя. Детонация не дает возможности достигнуть высокой степени сжатия горючей смеси*, ведет к излишнему расходу топлива и быстрому износу мотора. Детонационные свойства топлива зависят от строения углеродных цепей в молекулах углеводородов, входящих в его состав. Изомеры с сильно разветвленной цепью детонируют гораздо труднее, чем изомеры с неразветвленной цепью.

* Увеличение степени сжатия повышает мощность двигателя.

- 455 -

Антидетонационные свойства моторного топлива характеризуют так называемым октановым числом (о.ч.). В качестве стандартных образцов для определения октанового числа берут углеводород гептан C₇H₁₆ с неразветвленной цепью атомов, весьма легко детонирующий, и один из изомеров октана (изооктан), с разветвленной цепью атомов, мало склонный к детонации:

Октановое число гептана принимается равным нулю, а изооктану приписывается о.ч. 100. Если о.ч. топлива равно 80, то это значит, что данный вид топлива детонирует в смеси с воздухом (при такой же степени сжатия), как смесь, состоящая из 80% изооктана и 20% гептана.

Повышение октанового числа топлива достигается увеличением содержания в нем углеводородов с разветвленной цепью атомов, а также прибавлением антидетонаторов, обычно тетраэтилсвинца, небольшое количество которого значительно снижает детонацию.

Тетраэтилсвинец (ТЭС, «этиловая жидкость») представляет собой тяжелую ядовитую жидкость, строение молекул которой выражается формулой:

Тетраэтилсвинец относится к металлорганическим соединениям — веществам, в которых углеводородные радикалы непосредственно соединены с атомом какого-нибудь металла. Эти вещества находят все более широкое применение.