§ 7. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АЛКАНІВ

Поширення у природі. Основні природні джерела алканів — нафта й природний газ. Нафта є сумішшю багатьох органічних речовин, серед яких переважають алкани. Для їх добування нафту піддають переробці, про що ви дізнаєтеся згодом (докладніше про це — на с. 111). У природному газі масова частка метану сягає 98 %, решта — етан, пропан, бутан та інші вуглеводні.

Як основа природного газу метан утворився в надрах Землі, ймовірно, внаслідок взаємодії розжарених карбідів металів з водяною парою.

Тверді алкани містяться у природних покладах озокериту, бітуму, входять до складу бджолиного воску.

У природі можна спостерігати метан, що виділяється внаслідок переробки рослинних решток деякими видами бактерій:

На болотах він виділяється у вигляді бульбашок на поверхні води (болотяний газ). У вугільних шахтах є рудниковий газ — це також метан. Значну кількість метану виробляють терміти у процесі живлення целюлозою; він утворюється в результаті гниття органічних решток (біогаз).

Метан і деякі інші алкани у вигляді кристалічних гідратів утворюються на дні морів і океанів.

Метан є не лише на Землі, а входить до складу атмосфери планет Сатурн, Уран, Нептун, Плутон.

Фізичні властивості. Ви, напевне, вже звикли, що вивченню хімічних властивостей речовин передує вивчення їхніх фізичних властивостей. Чому вони цікавлять хіміків не менше, ніж хімічні реакції? З’ясуємо, з якою метою вивчають фізичні властивості речовин.

Агрегатний стан та зовнішні фізичні ознаки речовини, колір, запах — це перше, що досліджують. Подальше вивчення речовини пов’язане з такими її фізичними властивостями, як температури плавлення (для речовини у твердому стані), кипіння (для рідини). За фізичними властивостями можна розпізнавати речовини, оскільки кожна з них має власні фізичні константи. Вони відбивають і ступінь чистоти речовини, бо наявність домішок впливає на густину, температури плавлення, кипіння.

На використанні фізичних властивостей речовин ґрунтується багато промислових процесів, зокрема перегонка нафти, тобто розділення її на компоненти за температурами кипіння. Розділення або очищення речовин перекристалізацією з розчину залежить від розчинності речовин у різних розчинниках, зокрема у воді.

У шкільному курсі хімії розглядають такі характеристики речовин, як температури плавлення й кипіння, густина, розчинність, згодом ви ознайомитеся зі спектральними характеристиками. Останні широко використовують для ідентифікації речовин (від лат. identicus — тотожний та ficatio — здійснювання, ототожнення, прирівнювання).

Фізичні властивості речовин залежать від їхньої будови. Розглянемо, як це позначається на температурах плавлення й кипіння.

Щоб розплавити речовину, треба зруйнувати її кристалічну структуру. Як вам відомо, органічні сполуки утворюють переважно молекулярні кристали, структурними одиницями яких є молекули. Між ними діють незначні міжмолекулярні сили. Вони легко руйнуються внаслідок нагрівання. Тому органічні речовини молекулярної будови плавляться за порівняно низьких температур на відміну від неорганічних сполук йонної будови. У йонних кристалах структурні одиниці утримуються значно більшими за значенням міжйонними силами, отже, треба витратити більше енергії, щоб подолати їх і розплавити речовину.

Рідкий стан речовини менш упорядкований порівняно з кристалічним, частинки менше притягуються між собою. В органічних речовинах цими частинками є переважно молекули. Міжмолекулярні сили, що діють у речовині молекулярної будови в рідкому стані, також незначні, тому органічні речовини мають порівняно низькі температури кипіння.

Чим довший карбоновий ланцюг молекули, тим більше сумарне притягання між такими молекулами, і тим важче його подолати під час нагрівання цієї речовини. Звернувшись до наведених у таблиці 2 (с. 23) фізичних констант алканів, можна помітити, що зі збільшенням кількості атомів Карбону в молекулі зростають температури плавлення й кипіння цих речовин. Перші чотири речовини за стандартних умов — гази. Далі йдуть рідини, а починаючи з вуглеводню складу С₁₈Н₃₈(у таблиці 2 не наведено) — тверді речовини. Від пентану в кожного наступного члена ряду температури кипіння зростають на 20—30 ^оС.

Насичені вуглеводні нормальної будови мають вищі температури кипіння порівняно з їхніми ізомерами розгалуженої будови. Це загальне правило для всіх органічних сполук, а пояснють його тим, що сполуки нормальної будови мають щільнішу «упаковку» кристала. Щоб його зруйнувати (розплавити), потрібна більша енергія, отже, й вища температура.

Зробіть припущення щодо причини такої залежності.

Густина насичених вуглеводнів збільшується зі збільшенням розмірів молекул, проте всі вони легші за воду.

Пропан і бутан легко скраплюються за підвищеного тиску.

Алкани — неполярні або слабкополярні сполуки, практично нерозчинні у воді, яка є полярною сполукою.

Газуваті й тверді алкани не мають запаху, рідкі (складу С₅—С₁₇) мають характериний запах бензину.

Природний газ, що транспортується газовими магістралями, має, як ви знаєте, неприємний запах. Він спричинений навмисним добавлянням спеціальних речовин — меркаптанів.

З якою метою, на вашу думку, добавляють ці речовини?

Завдання для самоконтролю

1. З якою властивістю метану пов’язано те, що його можна спостерігати у вигляді бульбашок на поверхні заболоченої водойми?

2. З якою метою вивчають фізичні властивості речовин?

3. Назвіть характерні фізичні властивості алканів.

4. Чи існує залежність між агрегатним станом алканів та їхньою відносною молекулярною масою? Відповідь поясніть.

5. Чи можна виявити метан за запахом?

6. Чи можна змити водою нафтову пляму з тканини?

Додаткові завдання

7. Чому органічні сполуки мають порівняно низькі температури плавлення й кипіння? Відповідь поясніть, виходячи з будови цих сполук.

8. За даними таблиці 2 (с. 23) накресліть графік залежності температур кипіння алканів нормальної будови від кількості атомів у молекулі. Який характер має ця залежність — монотонний чи періодичний?

9. Продовжіть графік штриховою лінією. Укажіть, яку температуру кипіння можна припустити для сполуки складу С₁₅Н₃₂.

А 180—190 ^оС

Б 190—220^оС

В 220—250 ^оС

Г 250—270 ^оС

10. Поясніть, як впливає розгалуженість молекул на температури плавлення алканів. Скористайтеся такими константами ізомерів бутану:

бутан — t_пл = —138 ^оС; 2-метилпропан — t_пл = —145 ^оС.

11. Складіть формули двох ізомерних алканів, що є газами й густина яких за воднем дорівнює 29.