3.1: Структура алканов

Образование углерод-углеродных связей, приводящих к созданию углеродной цепи, лежит в основе органической химии. Август Ке́куле и Арчибальд Скотт Купер независимо друг от друга разработали идею образования углеродной цепи.

Углеводороды – это простейшие органические соединения, состоящие из углерода и водорода. В зависимости от порядка связи между атомами углерода углеводороды подразделяются на алканы, алкены и алкины.

Алканы — простейшие углеводороды с sp3-гибридными атомами углерода . Эти атомы углерода sp3 могут образовывать сигма-связи с sp3-орбиталями других атомов углерода или с атомными орбиталями 1s атомов водорода. Поскольку алканы обладают только одинарными связями между атомами углерода, их также называют насыщенными углеводородами. Общая формула алканов – CnH2n+2, что указывает на то, что на каждый «n» атом углерода в алканах приходится «2n+2» атома водорода.

Структуру Льюиса алканов можно упростить, используя сокращенную структурную формулу. В этом представлении связи между углеродом-водородом и углеродом-углеродом опущены для упрощения структуры. Дальнейшее упрощение осуществляется с помощью формулы линейного угла. Линии представляют собой углерод-углеродные связи. Конец и вершина линии представляют собой атомы углерода. Здесь водороды не показаны явно, и предполагается, что они присутствуют, что соответствует валентности углерода.

Соединения, содержащие атомы углерода и водорода, называются углеводородами. Простейший углеводород, метан, имеет четырехвалентный атом углерода, связанный с четырьмя атомами водорода.

Если один из атомов водорода метана заменить атомом углерода, связанным с тремя атомами водорода, то образуется следующий углеводород — этан.

Метан и этан относятся к семейству углеводородов, называемых алканами. Поскольку алканы содержат только одиночные ковалентные связи, они являются предельными углеводородами.

В любом алкане, например этане, атомы углерода являются sp³ гибридизованными, что делает их тетраэдрическими атомами углерода. Эти одиночно занятые гибридные орбитали перекрываются с гибридными орбиталями sp³ соседнего атома углерода, образуя углерод-углеродную сигма-связь.

Другие гибридные орбитали углерода образуют сигма-связи с1-секундными орбиталями каждого из атомов водорода. Связанные атомы находятся под углом 109,5° друг к другу.

Изучите структуру трех простых алканов — метана, этана и пропана. Метан, CH₄, имеет один атом углерода и четыре атома водорода; этан, C₂H₆, имеет два атома углерода и шесть атомов водорода; а пропан, C₃H₈, имеет три атома углерода и восемь атомов водорода.

Заметьте, что каждая последующая формула содержит один атом углерода и два атома водорода, а именно на группу_CH2 больше, чем в предыдущей формуле.

В общем случае, на каждые n атомов углерода будет приходиться 2n+2 атома водорода. Таким образом, алканы имеют характерную молекулярную формулу: C_nH_2n+2.

Конденсированная структурная формула упрощает структуру алканов Льюиса, опуская связи с водородом или даже углерод-углеродные связи.

Углеводороды также могут быть представлены с помощью линейно-угловых или скелетных структур. Линии обозначают углерод-углеродные связи, где каждая вершина и конечная точка подразумевают атом углерода. Предполагается, что водороды, хотя и не показаны явно, связаны с углеродами, удовлетворяя их валентности.

• Alkanes - Simplest organic compounds, composed of carbons and hydrogens.
• Structural formula of alkanes - Represents bonds between carbon and hydrogen in alkanes.
• Cnh2n+2 general formula - It indicates that for every n carbon atom, alkanes have 2n+2 hydrogen atoms.
• Condensed structural formula alkanes - Simplifies Lewis structure by omitting bonds between carbon-hydrogen and carbon-carbon.
• Saturated Hydrocarbons - Another name for Alkanes, as they possess only single bonds.

• Define Alkanes - Explain what they are (e.g., Alkanes are simplest organic compounds).
• Contrast structural formula vs condensed structural formula - Explain key differences (e.g., Bonds omission).
• Explore Hydrocarbons - Describe the different types (e.g., Alkanes).
• Explain Saturated Hydrocarbons - Describe why alkanes are considered saturated.
• Apply Alkanes structural formula - Breakdown of its formula (e.g., c for carbon and n for number of carbon atoms).

• What are alkanes and their general formula?
• What does Structural formula of alkanes represent?
• What are Saturated Hydrocarbons and why are alkanes considered saturated?

• Students – Understand how the concept of Alkanes supports student understanding in organic chemistry.
• Educators – Provides a clear framework to help in teaching the topic of Alkanes, their structures, and properties.
• Researchers – Relevance for scientific study or methodology around organic compounds and hydrocarbons.
• Chemistry Enthusiasts – Offers insights into organic compound structures, broadening interest and curiosity.