Строение алканов определяет их химические и физические свойства. Поэтому для понимания свойств этих соединений необходимо иметь представление о химическом и пространственном строении их молекул.

• Химическое строение вещества – это порядок соединения атомов в его молекулах, который отражается с помощью структурных формул.
• Пространственное строение – взаимное расположение атомов молекулы в трехмерном пространстве. Для изображения пространственного строения молекул используют стереохимическиеСтереохимические формулы - структурные формулы с внесенными в них элементами, отражающими пространственное располо-жение атомов. Связь, лежащую в плоскости рисунка, изображают простой линией; связь, расположенную над этой плоскостью, - жирным клином, а уходящую за плоскость - штрихованным клином. и проекционныеПроекционные формулы представляют собой проекции положения атомов молекулы с определенной точки зрения наблюдателя. формулы, а также молекулярные модели.

Химическое строение (порядок соединения атомов в молекулах) простейших алканов – метана, этана и пропана – показывают их структурные формулы.Развёрнутые структурные формулы алканов
Из этих формул видно, что в алканах имеются два типа химических связей: С–С и С–Н. Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н ковалентная слабополярная, так как углерод и водород близки по электроотрицательности (2.5 для углерода и 2.1 для водорода). Образование ковалентных связей в алканах за счет общих электронных пар атомов углерода и водорода можно показать с помощью электронных формул:

Электронные и структурные формулы отражают химическое строение, но не дают представления о пространственном строении молекул, которое существенно влияет на свойства вещества.

Пространственное строение, то есть взаимное расположение атомов молекулы в пространстве, зависит от направленности атомных орбиталей (АО) этих атомов. В углеводородах главную роль играет пространственная ориентация атомных орбиталей углерода, поскольку сферическая 1s-АО атома водорода лишена определенной направленности.

Пространственное расположение АО углерода в свою очередь зависит от типа его гибридизации (часть I, Гибридизация АО). Насыщенный атом углерода в алканах связан с четырьмя другими атомами. Следовательно, его состояние соответствует sp³-гибридизации (часть I, sp³-Гибридизация). В этом случае каждая из четырех sp³-гибридных АО углерода участвует в осевом (σ-) перекрывании с s-АО водорода или с sp³-АО другого атома углерода, образуя σ-связи С–Н или С–С.

Четыре σ-связи углерода направлены в пространстве под углом 109^о28', что соответствует наименьшему отталкиванию электронов. Поэтому молекула простейшего представителя алканов – метана СН₄ – имеет форму тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода:
Валентный угол Н–С–Н равен 109^о28'.
Пространственное строение метана можно показать с помощью объемных (масштабных) и шаростержневых моделей.

увеличить

Виртуальная модель (VRML-сцена, 2 камеры)

Для записи удобно использовать пространственную (стереохимическую) формулу.

Построение стереохимической формулы

В молекуле следующего гомолога – этана С₂Н₆ – два тетраэдрических sp³-атома углерода образуют более сложную пространственную конструкцию:

Анимация

Для молекул алканов, содержащих свыше 2-х атомов углерода, характерны изогнутые формы. Это можно показать на примере н-бутана C₄H₁₀  (VRML-модель) или н-пентана:

Анимация