2. Предельные углеводороды, общая формула гомологов данного ряда, строение. Химические свойства метана. Практическое применение алканов.

2. Предельные углеводороды (Алканы)

Предельные углеводороды, или алканы — это углеводороды, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода, соединённых одинарными (сигма) связями. В молекулах алканов нет кратных связей и циклов.

Общая формула гомологов ряда алканов:

\( C_nH_{2n+2} \), где \( n \) — число атомов углерода (\( n \ge 1 \)).

Строение:

• Молекулы алканов имеют неподеленную (открытую) цепь атомов углерода.
• Связи между атомами углерода и между атомами углерода и водорода — ковалентные полярные (C-H) и ковалентные неполярные (C-C).
• Атомы углерода находятся в состоянии sp³-гибридизации. Геометрия вокруг каждого атома углерода — тетраэдрическая.
• Углы между связями составляют приблизительно \( 109,5° \).

Химические свойства метана (CH₄):

• Реакции замещения (протекают по свободно-радикальному механизму):
• Галогенирование (свет, УФ-излучение):
\( CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl \) (хлорометан) \( CH_3Cl + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl_2 + HCl \) (дихлорметан) и т.д.
• Нитрование (с азотной кислотой при высокой температуре):
\( CH_4 + HNO_3 \rightarrow CH_3NO_2 + H_2O \) (нитрометан)
• Реакции окисления:
• Полное сгорание (при доступе кислорода):
\( CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O \)
• Неполное сгорание (при недостатке кислорода):
\( 2CH_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO + 4H_2O \)
• Термическое разложение (крекинг):
\( CH_4 \rightarrow C + 2H_2 \) (при очень высокой температуре)

Практическое применение алканов:

• Метан (CH₄): основной компонент природного газа, используется как топливо и сырьё в химической промышленности.
• Этан (C₂H₆): компонент природного газа, используется в производстве этилена.
• Пропан (C₃H₈) и бутан (C₄H₁₀): сжиженные газы (баллонный газ), используются как топливо.
• Более длинные алканы (от C₅ до C₁₇): входят в состав бензина, керосина.
• Алканы с длинной цепью (от C₁₈ и выше): входят в состав парафинов (свечи, смазки), вазелина.