Вопрос о том, является ли этан гомологом метана, часто возникает при изучении основ органической химии. Ответ на него однозначный — да, этан является гомологом метана. Чтобы понять, почему это так, необходимо разобраться в понятиях «гомологи», «гомологический ряд» и «гомологическая разность», а также рассмотреть строение этих веществ.
Что такое гомологи?
В органической химии существует четкое определение этого термина. Гомологи — это органические соединения, которые относятся к одному и тому же классу веществ, имеют сходное химическое строение и свойства, но отличаются друг от друга по составу молекулы на одну или несколько групп -СН₂. Эту группу атомов называют гомологической разностью.
Совокупность всех гомологов образует гомологический ряд. Каждое последующее вещество в таком ряду можно получить, добавив к предыдущему веществу одну гомологическую разность (группу -СН₂).
Почему этан — это гомолог метана?
Чтобы доказать, что этан гомологичен метану, достаточно сравнить их молекулярные формулы и принадлежность к классу соединений:
- Метан имеет формулу СН₄.
- Этан имеет формулу С₂Н₆.
Если мы сравним состав их молекул, то увидим, что этан отличается от метана ровно на один атом углерода и два атома водорода, то есть на одну группу -СН₂. Именно это и является главным условием гомологичности.
Кроме того, оба вещества относятся к одному классу органических соединений — алканам (насыщенным углеводородам). Общая формула алканов — CₙH₂ₙ₊₂, где n — число атомов углерода:
- Для метана n = 1, следовательно, формула СН₄.
- Для этана n = 2, следовательно, формула С₂Н₆.
Поскольку они находятся в одном гомологическом ряду и имеют сходное строение (только одинарные связи, sp³-гибридизация атомов углерода), они являются ближайшими гомологами.
Гомологический ряд алканов
Метан открывает гомологический ряд алканов, а этан является его вторым представителем. Каждые последующие гомологи отличаются от предыдущих на ту же самую группу -СН₂. Вот как выглядит этот ряд:
- Метан — CH₄
- Этан, CH₃–CH₃ (C₂H₆)
- Пропан, CH₃–CH₂–CH₃ (C₃H₈)
- Бутан — CH₃–(CH₂)₂–CH₃ (C₄H₁₀)
- Пентан — CH₃–(CH₂)₃–CH₃ (C₅H₁₂)
- Гексан — CH₃–(CH₂)₄–CH₃ (C₆H₁₄)
- Гептан — CH₃–(CH₂)₅–CH₃ (C₇H₁₆)
- Октан — CH₃–(CH₂)₆–CH₃ (C₈H₁₈)
- Нонан — CH₃–(CH₂)₇–CH₃ (C₉H₂₀)
- Декан — CH₃–(CH₂)₈–CH₃ (C₁₀H₂₂)
Обратите внимание: первые четыре алкана (метан, этан, пропан, бутан) имеют исторически сложившиеся названия. Названия следующих гомологов образуются от греческих числительных, обозначающих количество атомов углерода, с добавлением суффикса -ан (пентан, гексан, гептан и т.д.).
С кем метан и этан НЕ являются гомологами?
Очень часто учащиеся путают гомологов с представителями других классов углеводородов. Важно запомнить: гомологи возможны только в пределах одного класса соединений.
Рассмотрим типичные ошибки:
- Этен (этилен) имеет формулу С₂Н₄. Хотя в нем столько же атомов углерода, сколько в этане, этен относится к классу алкенов (общая формула CₙH₂ₙ), так как содержит двойную связь. Следовательно, этен не является гомологом метана или этана.
- Этин (ацетилен) имеет формулу С₂Н₂. Это алкин (общая формула CₙH₂ₙ₋₂) с тройной связью. Он тоже не гомолог алканам.
- Этанол (С₂Н₅ОН) относится к классу спиртов, так как содержит функциональную гидроксильную группу (-ОН). Он не может быть гомологом углеводородов.
Строение и свойства гомологов
Метан и этан, как и все алканы, являются насыщенными углеводородами. Это означает, что валентные возможности атомов углерода в их молекулах полностью насыщены атомами водорода, а между атомами углерода существуют только одинарные ковалентные связи.
Пространственное строение молекул гомологов метана обусловлено sp³-гибридизацией атомов углерода:
- Молекула метана имеет форму тетраэдра (угол между связями H-C-H составляет 109°28′).
- Молекула этана представляет собой два соединенных тетраэдра. Карбоновая цепь в более длинных гомологах имеет зигзагообразное строение.
С ростом молекулярной массы в гомологическом ряду алканов наблюдается закономерное изменение физических свойств (переход количественных изменений в качественные):
- От метана (СН₄) до бутана (С₄Н₁₀) вещества являются бесцветными газами.
- С пентана (С₅Н₁₂) по пентадекан (С₁₅Н₃₂), это жидкости.
- Начиная с гексадекана (С₁₆Н₃₄) и далее, алканы представляют собой твердые вещества.