Алканы
Алка́ны (парафины), насыщенные алифатические углеводороды общей формулы СnH2n+2. Атомы углерода в алканах связаны между собой в открытые цепи простыми (ординарными) связями. Различают неразветвлённые (нормальные, н-алканы) и разветвлённые алканы. Первый член гомологического ряда метан СН4. Начиная с бутана С4Н10 алканы существуют в виде структурных изомеров, число которых возрастает с увеличением числа атомов углерода в молекуле. В алканах атомы углерода имеют sp3-гибридизацию.
Низшие алканы, включающие углеводороды состава С1–С4 и неопентан (CH3)4C, – газы без цвета и запаха, С5–С17 – бесцветные жидкости, высшие алканы – бесцветные твёрдые вещества. Большинство алканов имеют несколько аллотропных модификаций. Алканы обладают большой теплотворной способностью, например теплота сгорания для СН4 – 56, С4Н10 – 50, С8Н18 – 48 МДж/кг. Алканы практически не смешиваются с водой, хорошо растворяются в углеводородах и их галогенпроизводных, простых и сложных эфирах; в полярных растворителях не растворяются.
Высокотемпературное окисление алканов в избытке кислорода протекает по цепному радикальному механизму и приводит к их полному сгоранию до диоксида углерода и воды. Нагревание алканов без доступа воздуха выше 450 °С приводит к гомолитическому разрыву связей С–С и образованию алкенов. Окислением низших алканов получают спирты, альдегиды, кетоны, кислоты. Важным является окисление высших алканов до высших жирных кислот. Галогены (F, Cl, Br) легко реагируют с алканами, образуя алкилгалогениды; хлорирование алканов с длинной углеродной цепью сопровождается разрывом связей С–С и протекает по радикальному механизму, в сильнокислотных средах (например, в присутствии кислот Льюиса) возможен ионный механизм реакции. Хлорированием низших алканов получают ряд промышленных продуктов, например метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ. Нитрование алканов HNO3 или N2O4 в газовой фазе также протекает по радикальному механизму с разрывом связей С–С и приводит к образованию смеси нитропроизводных. Производные алканов, образующиеся в результате реакций сульфохлорирования и сульфоокисления, используют в синтезе поверхностно-активных веществ. Для алканов характерно образование клатратов, в том числе газовых гидратов. Образование клатратов алканов нормального строения, начиная с гексана С6H14, с мочевиной используется в промышленности для карбамидной депарафинизации нефтепродуктов. Каталитическим дегидрированием алканов получают алкены и диеновые углеводороды. Большое промышленное значение имеют процессы изомеризации и ароматизации алканов, алкилирования изоалканов алкенами, а также процессы деструкции молекул алканов, протекающие при каталитическом и термическом крекинге.
В промышленности алканы получают в составе технических продуктов или выделяют из последних при переработке нефти, природного горючего газа, угля и горючих сланцев; смесь различных алканов синтезируют из монооксида углерода и водорода (см. в статье Синтез Фишера – Тропша). Твёрдые алканы нормального строения С18–С35 – парафин – получают депарафинизацией масляных дистиллятов нефти; смеси состава С36–С55 – церезин – очисткой озокерита. В лабораторных условиях алканы получают следующими способами: каталитическим гидрированием ненасыщенных углеводородов; восстановлением алкилгалогенидов гидридами металлов или водородом; по реакции Вюрца; гидролизом реактивов Гриньяра; декарбоксилированием карбоновых кислот; электролизом солей карбоновых кислот (см. в статье Реакция Кольбе).
Алканы – основные компоненты нефти. Низшие газообразные алканы входят в состав природных горючих и нефтяных попутных газов, твёрдые алканы встречаются в виде залежей озокерита, а также образуют восковые покрытия листьев, цветков и семян растений, входят в состав пчелиного воска.
Алканы входят в состав моторных, реактивных, бытовых топлив, а также топлив для электростанций, используются как сырьё для химической и нефтехимической промышленности. Жидкие алканы применяют в качестве растворителей, твёрдые алканы – в пищевой промышленности, электро- и радиотехнике.