Однак обертання однієї метильної групи щодо іншої не зовсім вільно. Потенційна енергія молекули мінімальна для загальмованою конформації II, при обертанні метильної групи вона зростає і досягає максимуму для заслоненних конформації I. Надлишок енергії заслоненних конформації в порівнянні з загальмованою називають енергією торсіонного напруги. Для молекули етану ця енергія дорівнює 13 · 10 3 Дж / моль (рис. 1.1).
Вважають, що надлишок енергії з'являється внаслідок відштовхування електронних хмар вуглець-водневих зв'язків в той момент, коли вони проходять повз один одного. Оскільки при кімнатній температурі енергія деяких зіткнень молекул може досягати 86 · 10 3 Дж / моль, то бар'єр в 13 · 10 3 Дж / моль легко долається. Обертання в етан розглядають як вільний.
Мал. 1.1. Енергетичний профіль обертання груп CH3 в молекулі етану навколо зв'язку вуглець-вуглець
Конформації, відповідні енергетичним мінімумам, називають конформаційними изомерами або конформерами. У більш складних молекулах число конформеров може бути досить великим.
Фізичні властивості алканів визначаються їх будовою. Ковалентні зв'язки в алканах неполярні (С-С) або малополярние (С-Н). Ці зв'язку симетричні, полярність їх взаємно компенсується, тому молекула алкана неполярна. Сили міжмолекулярної тяжіння порівняно слабкі. Це є причиною невеликих значень щільності, температури кипіння і плавлення.
У молекулі вуглеводню сумарний дипольний момент дорівнює нулю. Однак розподіл електронної щільності в кожен момент часу змінюється і виникає невеликий диполь. Цей короткочасно існуючий диполь буде впливати на розподіл електронної щільності сусідній молекули, таким чином, миттєвий диполь однієї молекули індукує протилежно орієнтований диполь в сусідній молекулі. В результаті між молекулами виникають сили тяжіння, які називаються дисперсійними. Дисперсійні сили діють на дуже невеликій відстані, між поверхнями молекул. Можна очікувати, що чим більше молекула і чим більше її поверхня, тим більше міжмолекулярні сили.
Температури кипіння, плавлення і щільність збільшуються зі збільшенням молекулярної маси (рис. 1.2). Алкани С1. С4 - гази, С5. С16 - рідини, далі - тверді кристалічні речовини. За винятком нижчих алканів, температура кипіння підвищується на 20 - 30 ºС з ростом вуглецевого ланцюга на один атом вуглецю. Така закономірність зміни температури кипіння характерна для гомологічних рядів інших класів сполук.
Мал. 1.2. Залежність температур кипіння, плавлення і щільності алканів з неразветвленной ланцюгом від числа атомів вуглецю (n)
Ізомер з розгалуженою ланцюгом має нижчу температуру кипіння, ніж ізомер нормального будови.
Зниження температури кипіння у ізомерів з появою розгалужень і збільшенням їх числа пояснюється тим, що зі збільшенням розгалужень форма молекули прагне до сферичної, тобто зменшується її поверхню, а отже, і міжмолекулярні сили тяжіння. Така залежність між формою молекули і температурою кипіння спостерігається і для інших класів сполук.
Процес плавлення вимагає подолання міжмолекулярних сил в твердому тілі. Міжмолекулярні сили в кристалі залежать не тільки від розміру молекул, але також і від того, як вони упаковані в кристалічній решітці. Вуглеводень з лінійної ланцюгом н -пентан плавиться при температурі мінус 130 о С, а його ізомер неопентана, молекули якого мають сферичну форму і більш щільно упаковані в кристалічній решітці, плавиться при більш високій температурі мінус 17 о С.
Алкани, неполярні сполуки, розчинні в неполярних розчинниках (бензол, Тетрахлорметан), але нерозчинні в полярних розчинниках.
Алкани - діелектрики з низьким значенням діелектричної постійної (e @ 2) і меншим значенням показника заломлення в порівнянні з показником заломлення вуглеводнів з кратними зв'язками. Показник заломлення показує здатність молекул речовини поляризуватися під дією зовнішнього електричного поля (змінного електромагнітного поля світлового променя, електричного поля іонного реагенту, розчинника). Це властивість речовини називається поляризуемостью. Малі значення показників заломлення алканів свідчать про низьку поляризованого цих сполук.
В інфрачервоних спектрах алканів спостерігаються смуги поглинання валентних коливань nС-Н в області 2800 - 3000 см -1.
У молекулах алканів ковалентні зв'язку малополярние і слабополярізуемие. Тому вони нечутливі до іонним реагентів, інертні по відношенню до кислот, підстав, окислювача. Для взаємодії з іонними реагентами потрібно досить висока полярність атакованих хімічних зв'язків, що забезпечує електростатичне тяжіння різнойменно заряджених активних центрів, і / або здатність атакується зв'язку поляризуватися під впливом заряду іонного реагенту. Алкани в незначній мірі володіють і тим і іншим властивістю.
Порівняйте енергії гетеролітичні (а) і гомолитического (б) розривів зв'язків С-Н в метані:
Найбільш характерним властивістю алканів є вільнорадикальне заміщення незарядженого атома водню при дії незаряджених вільнорадикальних реагентів: атомів хлору і брому при Галогенування, NO2 · при нитровании і т.д.