Алканы представляют собой насыщенные углеводороды, состоящие
исключительно из атомов углерода и водорода, соединённых одинарными
σ-связями. Их физические свойства находятся в прямой зависимости от
молекулярной массы, строения молекулы и природы изомерии. Основные
аспекты включают агрегатное состояние, температуру плавления и кипения,
плотность, растворимость и межмолекулярные взаимодействия.
Агрегатное состояние
- Малые алканы (С₁–С₄) находятся в газообразном
состоянии при нормальных условиях (температура 25 °C, давление 1 атм).
Примеры: метан, этан, пропан, бутан.
- Средние алканы (С₅–С₁₇) представляют собой
жидкости. Их вязкость относительно низкая, но увеличивается с ростом
молекулярной массы.
- Высшие алканы (С₁₈ и выше) находятся в твёрдом
состоянии при комнатной температуре, часто имеют вид восков или
парафинов.
Агрегатное состояние напрямую связано с размером
молекулы: увеличение числа углеродных атомов повышает площадь
поверхности молекулы, что усиливает силы ван-дер-Ваальса и повышает
температуру перехода в другое агрегатное состояние.
Температура плавления и
кипения
Температуры плавления и кипения алканов возрастают с
увеличением молекулярной массы, что объясняется усилением
дисперсионных взаимодействий между молекулами.
- Линейные (нормальные) алканы имеют более высокие
температуры плавления и кипения по сравнению с разветвлёнными изомерами
той же молекулярной массы. Разветвлённые алканы занимают меньшее
объёмное пространство, уменьшая площадь контакта между молекулами и,
следовательно, силы межмолекулярного притяжения.
- Изомерия и симметрия молекулы влияют на
кристаллическую решётку твёрдых алканов. Более симметричные молекулы
образуют плотные кристаллы, что повышает температуру плавления.
Примеры: бутан (С₄Н₁₀) — газ при комнатной температуре, гептан
(С₇Н₁₆) — жидкость, цетан (С₁₆Н₃₄) — жидкость с высокой точкой
кипения.
Плотность
- Плотность алканов меньше плотности воды (ρ <
1 г/см³), поэтому они плавают на воде.
- С увеличением длины углеродной цепи плотность повышается, однако
рост замедляется по мере увеличения молекулы из-за увеличения
объёма.
- Линейные алканы плотнее разветвлённых изомеров с той же молекулярной
массой, что связано с более компактной упаковкой молекул в жидкой
фазе.
Растворимость
- Алканы являются неполярными соединениями, поэтому
они нерастворимы в воде.
- Хорошо растворяются в неполярных органических растворителях:
бензоле, толуоле, петролейном эфире.
- Растворимость в воде незначительна и уменьшается с ростом
молекулярной массы, так как увеличивается гидрофобная область
молекулы.
Межмолекулярные
взаимодействия
Основная сила взаимодействия между молекулами алканов —
дисперсионные силы Лондона. Они увеличиваются с ростом
молекулярной массы и удлинением цепи, что напрямую влияет на точки
плавления и кипения.
- Линейные цепи обеспечивают большее соприкосновение
молекул, увеличивая межмолекулярные силы.
- Разветвлённые цепи уменьшают площадь контакта,
ослабляя взаимодействия и понижая температуры фазовых переходов.
Теплотворная
способность и теплофизические свойства
- Алканы обладают высокой теплотворной способностью,
что делает их ценными топливными веществами.
- Удельная теплоёмкость жидких алканов сравнительно низкая и
уменьшается с ростом молекулярной массы.
- Теплопроводность низкая, что связано с отсутствием полярных связей и
слабым взаимодействием между молекулами.
Физические свойства алканов определяют их применение в
промышленности: лёгкие газы используют как топливо и сырьё для
химического синтеза, жидкие алканы — в качестве растворителей и
компонентов топлива, твёрдые — в производстве парафинов и смазочных
материалов. Их поведение в природе и технике строго коррелирует с
молекулярной структурой и изомерией, что позволяет прогнозировать
свойства при проектировании химических процессов.