Углерод образует огромное количество водородных соединений. Насчитывается около 6,5 млн органических веществ, и их число продолжает расти. Это объясняется тем, что атомы углерода способны соединяться между собой и образовывать различные цепи практически любого размера.

Углеводороды – это органические вещества, состоящие из двух элементов – углерода и водорода. 

Нам уже известно строение молекул углеводородов: метана, пропана, бутана. Формула метана – СН_4.  Для атома углерода характерно свойство образовывать цепочки. Молекулы углеводородов могут представлять собой как линейные цепочки, так и разветвленные, и даже образовывать замкнутые циклы.

Вещества, имеющие одну и ту же молекулярную формулу, но различное химическое строение, и обладающие поэтому разными свойствами, называются изомерами (Рис. 1).

Рис. 1. Примеры углеводородов и изомеров

Между атомами углерода могут быть простые – одинарные связи. Это характерно для предельных углеводородов. В молекулах этих соединений все валентные связи полностью насыщены, поэтому они не способны к реакциям присоединения. Существует много углеводородов, сходных с метаном, т.е. гомологов метана (греч. «гомолог» – сходный). Каждый последующий углеводород отличается от предыдущего группой атомов – СН₂(гомологическая разность).

Углеводороды с общей формулой гомологического ряда С_nH2_n+2, которые не присоединяют водород и другие элементы, называются предельными углеводородами или алканами (парафинами).

Если в молекулах углеводородов содержится двойная или тройная связь, то такие углеводороды называются непредельными или ненасыщенными (Рис. 1).

Это алкены (общая формула гомологического ряда С_nH_2n),  алкины (общая формула гомологического ряда С_nH_2n-2) и другие.

При изучении органических веществ мы часто будем пользоваться моделями молекул. На Рис. 2 приведены шаростержневые модели молекул метана и ацетилена. В ней детали, изображающие атомы, соединены на некотором расстоянии друг от друга посредством стерженьков, символизирующих валентные связи. Такая модель дает наглядное представление о том, какие атомы с какими соединены, но она не передает относительных размеров и внешней формы молекул.

 Рис. 2. Шаростержневые модели молекул метана и ацетилена

Различие химических свойств предельных и непредельных углеводородов

Различие в строении предельных и непредельных углеводородов обусловливает и различие в химических свойствах. Например, этилен вступает в реакцию присоединения.

Рис. 3. Между левой и правой частями уравнения стоит стрелка, а не знак равенства. В органической химии принята такая запись уравнения реакции, чтобы не путать знак равенства с указанной двойной связью

Присоединение водорода к непредельным углеводородам называется реакцией гидрирования (см. Рис. 3). Непредельные углеводороды присоединяют не только водород, но и галогены, галогеноводороды, воду. 

С₂Н₄ +  НСl→СH₅Cl

этен              хлорэтан

Во всех  органических соединениях углерод проявляет валентность, равную 4.

При повышенной температуре, давлении и в присутствии катализатора молекулы этилена соединяются друг с другом вследствие разрыва двойной связи.

Процесс соединения одинаковых молекул в более крупные молекулы называется реакцией полимеризации.

Рис. 4. Реакция полимеризации этилена

Индекс nозначает, что звено (-СН₂-СН₂-) повторяется в ней n-ное число раз, где n– это степень полимеризации.

Для предельных углеводородов реакции присоединения не характерны, так как все валентные связи углерода и водорода полностью насыщены. Предельные углеводороды вступают в реакции замещения.

С₂Н₆ + Сl₂ →СH₅Cl+ НCl

этан                    хлорэтан

Все углеводороды хорошо горят. При горении выделяется большое количество теплоты, образуются углекислый газ и вода.

СН₄ + 2О₂→СО₂ + 2Н₂О+ Q

Реакции относятся к экзотермическим.

С увеличением относительных молекулярных масс и количеством углерода в цепи, закономерно повышаются температуры кипения и плавления и агрегатное состояние углеводородов (Рис. 5).

 Рис. 5. Физические свойства углеводородов

Нахождение в природе

Простейший представитель предельных углеводородов – метан – образуется в природе в результате разложения остатков растительных и животных организмов без доступа воздуха. Этим объясняется появление пузырьков газа в заболоченных водоемах. Иногда метан выделяется из каменноугольных пластов и накапливается в шахтах. Метан составляет основную массу природного газа (80-97%). Он содержится в газах, выделяющихся при добыче нефти. Газообразные, жидкие и твердые предельные углеводороды содержатся в нефти.

Применение углеводородов

Для автогенной сварки и резки металлов используется газ – ацетилен С₂Н₂. Этот углеводород относится к непредельным углеводородам. В нем атомы углерода соединены тройной ковалентной связью (Рис. 2). Так как реакции горения углеводородов являются сильно экзотермическими, то используют их в качестве топлива.

Полимеризацией этилена, пропилена получают полиэтилен и полипропилен. Из них изготавливают ценные пластмассы. Полиэтилен применяется при изготовлении упаковочных материалов, труб, игрушек, кабелей.