Простейший представитель класса предельных углеводородов — метан CH4. Это бесцветный легкий горючий газ, не имеющий запаха и почти нерастворимый в воде. Температура его кипения равна −161,5 °C, температура затвердевания −182,5 °C.
Метан довольно часто встречается в природе. Он является основной составной частью природного газа газовых месторождений (до 97 %), в значительном количестве содержится в попутном нефтяном газе (выделяющемся при добыче нефти), а также в коксовом газе. Выделяется со дна болот, прудов и стоячих вод, где он образуется при разложении растительных остатков без доступа воздуха, почему метан получил также название болотного газа. Наконец, метан постоянно скапливается в каменноугольных шахтах, где его называют рудничным газом.
Смесь метана с воздухом крайне взрывоопасна (особенно в соотношении 1 : 10).
Молекула метана характеризуется сравнительно большой прочностью. При обычных условиях метан активно (со взрывом) реагирует с фтором, очень медленно взаимодействует с хлором и почти не реагирует с бромом. Реакция с хлором или бромом ускоряется под действием света, а также при нагревании и заключается в последовательном замещении атомов водорода атомами галогена с образованием галогенпроизводных, например:
$$\mathrm{CH_4} + \mathrm{Cl_2} \longrightarrow \underset{\substack{\text{метилхлорид}\\ \text{(хлорметан)}}}{\mathrm{CH_3Cl}} + \mathrm{HCl}$$
$$\mathrm{CH_3Cl} + \mathrm{Cl_2} \longrightarrow \underset{\text{дихлорметан}}{\mathrm{CH_2Cl_2}} + \mathrm{HCl} \text{ и т. д.}$$
Метан горит синеватым или почти бесцветным пламенем, выделяя большое количество теплоты (879 кДж/моль). Однако при обычных условиях он не окисляется раствором перманганата калия (фиолетовая окраска раствора KMnO4 при контакте с предельными углеводородами не исчезает).
Как уже было указано, метан — первый представитель гомологического ряда предельных или насыщенных углеводородов:
$$\underset{\text{метан}}{\mathrm{CH_4}} \quad \underset{\text{этан}}{\mathrm{C_2H_6}} \quad \underset{\text{пропан}}{\mathrm{C_3H_8}} \quad \underset{\text{бутан}}{\mathrm{C_4H_{10}}} \quad \underset{\text{пентан}}{\mathrm{C_5H_{12}}} \quad \underset{\text{гексан}}{\mathrm{C_6H_{14}}} \cdots \underset{\text{декан}}{\mathrm{C_{10}H_{22}}} \text{ и т. д.}$$
В молекулах этих соединений все связи между атомами углерода простые (ординарные), атомы углерода максимально, до предела «насыщены» водородом. Состав любого из гомологов отвечает общей формуле CnH2n+2 (где n — число атомов углерода); эта закономерность дает возможность написать формулу состава для предельного углеводорода с любым числом C-атомов, например C18H38 (октадекан), C100H202 (гектан).
Состав одновалентных радикалов, получаемых отнятием атома водорода от молекулы предельного углеводорода, выражает формула CnH2n+1—. Названия их образуются заменой окончания -ан в названии углеводорода окончанием -ил. Так, от метана производится метил CH3—, от этана — этил C2H5—, от пропана — пропил C3H7— и т. д.
Как и в других гомологических рядах, в ряду метана проявляется всеобщий закон природы — закон перехода количественных изменений в качественные. Изменение состава молекулы на группу CH2 каждый раз приводит к новому веществу, которое хотя и имеет много общего с соседними членами ряда, но вместе с тем по некоторым свойствам отличается от них. Различие гомологов ясно проявляется в их физических свойствах. Низшие члены ряда предельных углеводородов (от CH4 до C4H10) — газы; средние члены (от C5H12 до C16H34) при температуре до 20 °C — жидкости, остальные при обычных условиях находятся в твердом состоянии. Во всех случаях температуры кипения и затвердевания тем выше, чем больше молекулярная масса углеводорода.
В то же время предельные углеводороды в химическом отношении подобны метану. Они весьма инертны, вступают лишь в реакции замещения водорода, протекающие крайне медленно, и не обесцвечивают на холоду растворы брома и перманганата калия.
Все предельные углеводороды горят и могут быть использованы в качестве топлива. Они входят в состав нефтей и продуктов их перегонки. При фракционной перегонке нефть разделяют на отличающиеся по температурам кипения фракции («погоны») и получают следующие нефтепродукты:
а) бензины (темп. кип. 40—180 °C) содержат углеводороды от C5H12 до C10H22; при повторной перегонке из них могут быть выделены легкие нефтепродукты, кипящие в более узких пределах: петролейный эфир (40—70 °C), авиационный бензин (70—100 °C), автомобильный бензин (100—120 °C);
б) керосины (темп. кип. 180—270 °C) содержат углеводороды от C10H22 до C16H34;
в) соляровые масла (темп. кип. 270—360 °C) содержат смеси углеводородов от C12 до C20; из них получают смазочные масла и различные виды дизельного топлива;
г) мазут (нефтяные остатки — до 40—50 %) содержит еще более тяжелые (высшие) углеводороды; из мазута получают тяжелые смазочные масла, вазелин, парафин.
Как уже было указано, с увеличением числа C-атомов в молекулах резко возрастает число изомеров предельных углеводородов. Метан CH4, этан C2H6 и пропан C3H8 не имеют изомеров; бутанов C4H10 существует два:
Изомерных пентанов C5H12 — три, гексанов C6H14 — пять, гептанов C7H16 — девять, октанов C8H18 — 18, нонанов C9H20 — 35. Все эти углеводороды получены. Деканов C10H22 может быть 75, а формулу C15H32 могут иметь уже 4347 изомерных углеводородов. Для высших гомологов пока известны лишь некоторые изомеры, однако принципиальная возможность их существования предсказана и доказана А. М. Бутлеровым; им был осуществлен первый синтез углеводорода с разветвленной цепью — изобутана.
Как отдельные гомологи, так и изомеры отличаются друг от друга не только физическими, но и химическими свойствами. Сильная разветвленность углеродной цепи часто приводит к повышению температур замерзания, и высокое содержание таких углеводородов в бензинах может ограничивать возможность использования последних в зимних условиях.
Различие в химических свойствах сказывается, в частности, на склонности некоторых углеводородов, входящих в состав моторного топлива, к детонации.
Детонация моторного топлива представляет собой чрезвычайно быстрое разложение (взрыв) углеводородов, которое происходит внезапно при сжатии горючей смеси в цилиндре двигателя. Детонация не дает возможности достигнуть высокой степени сжатия горючей смеси **, ведет к излишнему расходу топлива и быстрому износу мотора. Детонационные свойства топлива зависят от строения углеродных цепей в молекулах углеводородов, входящих в его состав. Изомеры с сильно разветвленной цепью детонируют гораздо труднее, чем изомеры с неразветвленной цепью.
Антидетонационные свойства моторного топлива характеризуют так называемым октановым числом (о. ч.). В качестве стандартных образцов для определения октанового числа берут углеводород гептан C7H16 с неразветвленной цепью атомов, весьма легко детонирующий, и один из изомеров октана (изооктан), с разветвленной цепью атомов, мало склонный к детонации:
Октановое число гептана принимается равным нулю, а изооктану приписывается о. ч. 100. Если о. ч. топлива равно 80, то это значит, что данный вид топлива детонирует в смеси с воздухом (при такой же степени сжатия), как смесь, состоящая из 80 % изооктана и 20 % гептана.
Повышение октанового числа топлива достигается увеличением содержания в нем углеводородов с разветвленной цепью атомов, а также прибавлением антидетонаторов, обычно тетраэтилсвинца, небольшое количество которого значительно снижает детонацию.
Тетраэтилсвинец (ТЭС, «этиловая жидкость») представляет собой тяжелую ядовитую жидкость, строение молекул которой выражается формулой:
Тетраэтилсвинец относится к металлорганическим соединениям — веществам, в которых углеводородные радикалы непосредственно соединены с атомом какого-нибудь металла. Эти вещества находят все более широкое применение.
* По правилам систематической номенклатуры ИЮПАК предельные углеводороды называются алканами. Часто встречается и их старое название — парафины, — которое происходит от латинских слов parum affinitatis — лишенные сродства — и отражает исключительную неактивность этих углеводородов в реакциях.
** Увеличение степени сжатия повышает мощность двигателя.