Алканы, представляющие собой насыщенные углеводороды с общей формулой
(C_nH_{2n+2}), характеризуются рядом специфических физических свойств,
определяемых их молекулярной структурой, длиной углеродной цепи и
межмолекулярными взаимодействиями.
Агрегатное состояние и
внешний вид
- Молекулы низкомолекулярных алканов (С1–С4)
находятся в газообразном состоянии при нормальных условиях. Метан, этан,
пропан и бутан являются бесцветными газами, лишёнными запаха и
практически растворимыми в воде.
- Среднемолекулярные алканы (С5–С17) представляют
собой жидкости с различной вязкостью и плотностью, прозрачные,
нерастворимые в воде, но хорошо растворимые в неполярных органических
растворителях, таких как бензол, эфиры, углеводороды более высокой
полярности.
- Высокомолекулярные алканы (С18 и выше) имеют
твердое состояние при комнатной температуре. Они образуют парафиновые
кристаллы, обладающие характерной воскообразной текстурой.
Температуры плавления и
кипения
Физические свойства алканов тесно связаны с длиной углеродной
цепи:
- С увеличением числа атомов углерода температуры кипения и
плавления возрастают. Это обусловлено увеличением площади
поверхности молекул и, как следствие, ростом силы дисперсионных
взаимодействий Ван-дер-Ваальса.
- Разветвлённые алканы имеют ниже температуры кипения и
плавления по сравнению с нормальными изомерами с той же
молекулярной массой, так как разветвления уменьшают плотность упаковки
молекул и ослабляют межмолекулярные силы.
Плотность и растворимость
- Плотность алканов всегда меньше плотности воды, что
делает их плавучими на водной поверхности. Низшие алканы имеют плотность
около 0,5–0,7 г/см³, а высокомолекулярные твёрдые алканы — до 0,9
г/см³.
- Растворимость в воде минимальна, поскольку молекулы
алканов неполярны, а вода — полярный растворитель. В то же время алканы
хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, образуя
смеси практически идеального типа.
Тепловые и оптические
свойства
- Алканы характеризуются низкой теплоёмкостью и теплотой
плавления, что объясняется слабостью межмолекулярных
взаимодействий.
- Они прозрачны для видимого света и не обладают окраской, за
исключением примесей или химически модифицированных соединений.
Влияние структуры на
свойства
- Нормальные (линейные) алканы обладают более
высокими температурами кипения и плавления по сравнению с
изомерами.
- Разветвлённые алканы демонстрируют меньшую
тенденцию к кристаллизации, а также более низкие температуры фазовых
переходов.
- Циклоалканы имеют физические свойства,
промежуточные между линейными и разветвлёнными алканами с одинаковой
молекулярной массой, что связано с уплотнённой упаковкой циклических
молекул.
Поведение при давлении
- Газообразные алканы проявляют свойства идеальных газов при низких
давлениях.
- При повышении давления увеличивается сила межмолекулярного
взаимодействия, что может привести к конденсации газа в жидкость.
Физические свойства алканов напрямую определяют их практическое
использование в промышленности и быту, влияя на выбор условий хранения,
транспортировки и применения в качестве топлива, смазочных материалов и
сырья для нефтехимической промышленности.