Физические свойства алканов
Исходя из самых общих закономерностей, можно отметить следующее. При нормальных условиях (н. у.) алканы с числом углеродных атомов в молекуле С1…С4 – газы, С5…С15 – жидкости, С16 и Сi с i > 16 при н. у. – твердые вещества. В таблице 1 приведены некоторые физические характеристики алканов.
Таблица 1
Физические характеристики некоторых нормальных углеводородов
|
Формула |
Название |
Тпл, С |
Ткип, С |
Плотность,
d |
* |
|
СН4 |
метан |
184,0 |
161,5 |
0,4150 (164 С) |
2,6 |
|
С2Н6 |
этан |
172,0 |
88,3 |
0,5610 (100 С) |
2,6 |
|
С3Н8 |
пропан |
189,9 |
42,17 |
0,5853 (44,5 С) |
6,3 |
|
С4Н10 |
бутан |
135,0 |
0,6…0,3 |
0,60 (0 С) |
8,2 |
|
С5Н12 |
пентан |
131,6 |
36,2 |
0,6260 |
1,9 |
|
С6Н14 |
гексан |
94,3 |
69,0 |
0,6603 |
13,7 |
|
С7Н16 |
гептан |
90,5 |
98,4 |
0,6838 |
15,6 |
|
С8Н18 |
октан |
56,5 |
125,8 |
0,7036 |
— |
|
С9Н20 |
нонан |
53,7 |
150,8 |
0,7176 |
— |
|
С10Н22 |
декан |
30…32 |
174,0 |
0,7301 |
— |
|
С15Н32 |
пентадекан |
10 |
270,5 |
0,7689 |
— |
* поляризуемость молекул
Легко видеть, что наблюдается тенденция возрастания Тпл и Ткип алканов с ростом их молекулярной массы или увеличение числа атомов углерода в молекуле. Это объясняется существенной зависимостью дисперсионного типа межмолекулярного взаимодействия (взаимодействия Ван-дер-Ваальса) от массы молекул. Ранее (Ч I настоящего пособия) приведена известная зависимость, характеризующая энергию дисперсионного взаимодействия, которая имеет вид (Ф. Лондон, 1930 г):
,
где h – постоянная М. Планка, - частота колебаний, соответствующая энергии частиц (атомов) при абсолютном нуле (Т = 0 К), - поляризуемость частиц, r – расстояние между молекулами. Ориентационным и индукционным взаимодействиями применительно к молекулам алканов можно пренебречь, так как их дипольный момент равен нулю. Таким образом, опосредованно молярная масса алканов учтена в величине их поляризуемости. Более подробно зависимость температуры плавления нормальных парафиновых углеводородов показана на рис. 10 (данные А.Н. Несмеянова и Н.А. Несмеянова).
Рис. 10. Зависимость температуры плавления нормальных парафиновых углеводородов от числа атомов углерода в молекуле.
Интересно было выяснить, как влияет разветвление алканов на физические характеристики соединений. Соответствующие данные представлены в таблице 2.
Таким образом, разветвленные алканы кипят и плавятся при более низких температурах, чем вещества нормального строения. В ряде случаев это связывается с большим размером расстояний между отдельными взаимодействующими молекулами в конденсированном (твердом и жидком) состоянии, что выражается в снижении константы дисперсионного взаимодействия. На научном языке это связывается со стерическим (упаковочным) фактором. Чем меньше степень разветвления, тем плотнее упаковка молекул, например, в твёрдом состоянии, тем сильнее силы взаимного притяжения между ними и тем больше энергии (в том числе тепловой) требуется для перевода вещества в жидкое состояние.
Таблица 2