Непредельные углеводороды содержат одну или несколько кратных углерод-углеродных связей. Соединения с од­ной двойной связью в молекуле — алкены (олефины). Подобно алканам, они образуют гомологический ряд, простейший представитель которо­го — этилен С₂Н₄ (этен).

Помимо изомерии углеродного скелета для алкенов возможна изоме­рия положения кратной связи и гео­метрическая цис-транс-изомерия (см. статью «Почему их так много?»).

Природный метан образуется при гниении органических соединений. Выде­ление пузырьков этого газа можно наблюдать, если провести палкой по дну заболоченного водоёма: недаром метан называют болотным газом. А недав­но стало известно, что на дне Мирового океана находятся огромные запа­сы метана в виде хлопьев, напоминающих снег или рыхлый лёд. С точки зре­ния химии, эти хлопья — газовые гидраты (например, СН₄•6Н₂О), которые принадлежат к классу клатратов (от лат. clatratus — «решётчатый»). Так на­зывают соединения, образованные включением молекул одного типа (мо­лекул гостя) в полости кристаллического каркаса молекул другого типа (мо­лекул хозяина); при этом никакой специфической связи между молекулами гостя и хозяина не возникает. Метановые гидраты имеют кристаллическую структуру льда, где в полостях расположены молекулы метана.

Горение такого вещества производит незабываемое впечатление: кажет­ся, что пылает снег. А после сгорания на месте газового гидрата остаётся лишь лужица воды. Мировые запасы метана в виде газовых гидратов соста­вляют 2•10¹⁶ м³. Это в десятки раз больше, чем запасы всех остальных ви­дов топлива (угля, нефти, торфа). А учитывая, что основные естественные энергоресурсы расходуются очень быстро, было бы очень заманчиво най­ти способ использования этого богатства.

Органические соединения, в состав ко­торых помимо углерода и водорода входят атомы галогенов, например СН₃I, CCl₂F₂, CH₂=CHCl, называют галогенопроизводными углеводородов. В Сред­ние века алхимикам был известен всего лишь один представитель этого класса соединений — хлористый этил (хлор-этан) C₂H₅Cl — бесцветный, легко сжи­жающийся газ (t_кип=12 °С), хорошо растворимый в этиловом спирте. Васи­лий Валентин представлял его образо­вание из смеси поваренной соли, купо­росного масла  (серной  кислоты)  и винного (этилового) спирта как «соеди­нение духа обычной соли с духом вина». Глаубер получил это вещество в 1648 г. взаимодействием этилового спирта с соляной кислотой:

С₂Н₅ОН+HCl=C₂H₅Cl+Н₂О.

Количество возможных изомеров у предельных углеводоро­дов (алканов) потрясает даже искушённое воображение:

Начиная с С₁₆₇Н₃₃₆, число изомеров уже превышает число элементарных частиц в видимой части Вселенной, которое оценивается как 10⁸⁰. Так, у С₂₀₀Н₄₀₂ может быть до 9,430•10⁸³ изомеров. А если учитывать ещё и зеркально-сим­метричные молекулы — стереоизомеры, эти числа значитель­но возрастут: с 9 до 11 для гептана, с 75 до 136 для декана, с 336 319 до 3 396 844 для эйкозана, с 5,921•10³⁹ до 1,373•10⁴⁶ для гектана и т. д. Углеводород с самой длин­ной цепью — нонаконтатриктан С₃₉₀Н₇₈₂ синтезировали в 1985 г. английские химики И. Билл и М. К. Уайтинг.

Не одно поколение школьников и студентов благоговей­но разглядывало подобные таблицы в учебниках по орга­нической химии. Однако подметить какую-либо закономер­ность в цифрах не удавалось.

Нефть представляет собой смесь не­скольких сотен органических соеди­нений. Среди них химики выделяют группы веществ со сходным строени­ем и свойствами — гомологические ряды. Их описание обычно начинают с алканов — алифатических предель­ных углеводородов, не содержащих кратных углерод-углеродных связей. По составу они отличаются друг от друга на одну или несколько метиленовых групп —СН₂—.

Физические свойства алканов по­следовательно изменяются с увеличе­нием числа атомов углерода в молеку­ле. Так, первые 4 члена ряда при 20 °С — газы, следующие 12 соедине­ний — жидкости, а начиная с гептадекана С₁₇Н₃₆ — твёрдые вещества. Од­новременно возрастают температуры плавления и кипения углеводородов (см. таблицу на стр. 341). Это общая закономерность: чем больше молекуляр­ная масса и длиннее цепь, тем сильнее взаимодействие между молекулами.

Химики-органики нередко обнаружи­вают, что структурные формулы новых соединений, полученных путём синтеза, весьма похожи на что-то, совсем не свя­занное с химией. Не надо обладать бо­гатым воображением, чтобы в структур­ных формулах замещённых циклических кетонов 1, 2 и 3 разглядеть барашков и лягушку. А химик А. Е. Ф. Уэстман из канадской провинции Онтарио, рассмот­рев структурные формулы соединений, помещённых в одном из химических журналов (формулы 4 и 5), отправил ре­дактору письмо. Он предложил подпи­сать под этими формулами вместо скуч­ных химических названий шуточную фразу: «Но злодей ещё гоняется за ней». Однако известно немало химиче­ских соединений, которые получили вполне официальные и вместе с тем эк­зотические названия.

Такие химические «прозвища», обыч­но в той или иной мере отражающие форму молекулы, всё больше входят в моду. Вот несколько подобных названий: квадратная кислота (от англ. squaric acid) (формула 6); твистан (не от назва­ния танца, а от англ. twist — «скручи­вать», «поворачивать») (7); бетвинанен (от англ. between — «между») (8); баскетан (от англ. basket — «корзина») (9); фенестран (от лат. fenestra — «окно») (10); выбитое окно (именно так, без всяких химических суффиксов — англ. broken window) (11); снаутен (от англ. snout — «рыло», «морда») (12); лепидоптерен (от лат. Lepidoptera— «чешуекрылые») (13); фелицен (от лат. felis — «кошка») (14).

Химики ещё в XIX в. остро ощущали не­обходимость в международном согла­совании терминологии, номенклату­ры и общеупотребительных величин. В теоретических спорах о строении ор­ганических веществ, а также о терми­нологии разные научные школы при­держивались подчас противоположных точек зрения. Даже формулы простей­ших соединений писали неодинаково. Например, для изображения молекулы воды существовало четыре формулы, а для уксусной кислоты — девятнад­цать!

Решению этих проблем в немалой степени способствовал Международ­ный химический конгресс, который состоялся в 1860 г. в Карлсруэ. На нём были приняты определения понятий «атом», «молекула», «эквивалент», ис­правлены значения атомных весов. Подобные конгрессы проходили и поз­же, например в 1892 г. в Швейцарии, где были сформулированы основные принципы Женевской системы номен­клатуры веществ.

В XX в. в связи со стремительным развитием химии возникла потреб­ность проводить работу по согласова­нию и стандартизации систематически. В 1911 г. была создана Международная ассоциация химических обществ, од­ной из основных задач которой стало дальнейшее совершенствование но­менклатуры. Первая мировая война прервала деятельность организации. Но уже в 1919 г. был образован ИЮПАК — Международный союз тео­ретической и прикладной химии (англ. International Union of Pure and Applied Chemistry — IUPAC). Членами этой не­правительственной организации явля­ются научные учреждения (академии наук, химические общества) более 40  стран,   в  том  числе  и   нашей.

Развитие информационных технологий в наше время позволяет решать с помощью компьютеров проблемы, прежде казавшиеся непреодолимыми.

Одним из главных, если так можно выразиться, по­требителей номенклатуры органических веществ явля­ются химические реферативные журналы (например, отечественный «Химия» или американский «Chemical Abstracts»). Будучи «законодателями мод» в этой облас­ти, они подчас создают собственные системы номенкла­туры, разрабатывают системы шифрования соединений.

Трудами CAS (Chemical Abstracts Service — специаль­ная служба при журнале «Chemical Abstracts») каждому химическому соединению присвоен индивидуальный но­мер (так называемый CAS RN — регистрационный но­мер CAS). Это три группы цифр, разделённых, например, дефисами. Номер присваивается каждому новому веще­ству, причём он даётся произвольно и не несёт никакой информации ни о структуре, ни о классовой принадлеж­ности — подчас два стереоизомера получают совершен­но разные номера. Такое кодирование стало возможным благодаря компьютерам, способным хранить в памяти таблицы соответствия названия и номера для миллионов известных на данный момент соединений.

Преимущества подобной системы очевидны, ведь названия многих сложных органических соединений (особенно природных) так длинны, что занимают несколько строчек; давать же новому соединению триви­альное название абсурдно. Для исследователя очень удобно знать CAS RN интересующего его вещества, по­скольку сейчас регистрационные номера приводятся и в научных статьях, и в каталогах продаваемых химика­тов, и в фармакопеях (государственных реестрах лекар­ственных средств) разных стран. Зная RN, легко искать литературу по тому или иному соединению в библио­графических базах данных.

Атомы углерода могут соединяться в цепочки практически любой длины. В природе существуют органические вещества, молекулы которых содержат длинные углеродные цепи, например основу пчелиного воска составляет сложный эфир мирицилпальмитат C₁₅H₃₁COOC₃₁H₆₃. Синтетические же полимеры — это углеродные цепи состоящие из сотен тысяч атомов.

К тому же углеродный каркас до­статочно прочен: энергия связи С—С сопоставима с энергией связи С—О.

По этой причине углеродные со­единения часто оказываются устой­чивыми как к нагреванию, так и к действию иных разрушающих факто­ров — освещению, агрессивным хи­мическим средам.

И наконец, углеродный каркас подвижен, нежёсток: цепи углерод­ных атомов, соединённых простыми одинарными связями, могут изги­баться, сворачиваться и другими спо­собами изменять свою форму.

Электронная оболочка невозбуждён­ного атома углерода имеет строение 1s²2s²2p². Вступая в химическую реак­цию, атом углерода, поглощая не­большую энергию, приобретает кон­фигурацию 1s²2s¹2p³. Теперь он в состоянии образовывать химические связи за счёт одной 2s- и трёх 2р-орбиталей. Исходя из этого, можно бы­ло бы ожидать, что характеристики связей в молекуле метана будут отли­чаться друг от друга. Между тем в ней все четыре связи С—Н равноценны, имеют тетраэдрическую ориентацию в пространстве и одинаковы по дли­не и энергии.

Для объяснения этого факта аме­риканский учёный Лайнус Полинг (1901 — 1994) выдвинул идею о гибри­дизации атомных орбиталей. Если у атома, вступающего в химическую связь, имеются неспаренные электро­ны на разных орбиталях, (s-,p-, d- или f-), то в процессе формирования хи­мической связи происходит гибриди­зация (смешение) орбиталей, т. е. из разнотипных атомных орбиталей об­разуется набор одинаковых. Гибрид­ные орбитали из одного набора экви­валентны: их нельзя отличить друг от друга по форме или по энергии, у них не совпадает только ориентация в пространстве.

Атом углерода при образовании химических связей обладает способ­ностью проявлять не одну, а целых три разновидности гибридизации орбиталей.

В конце XX в. учёным известно несколько сотен тысяч неорганиче­ских веществ, но если речь заходит об органических соединениях, счёт идёт уже на миллионы. В чём причи­на такого многообразия? Для ответа на этот вопрос понадобились долгие годы упорных исследований.

Начало теории строения органиче­ских веществ было положено в конце

XVIII в. А. Л. Лавуазье: он определил в качестве основных элементов органи­ческих соединений углерод, водород и кислород наряду с азотом, серой и фосфором. Ему, вместе с Луи Гитоном де Морво (1737—1816), принад­лежит и первая попытка упорядочить разрозненные представления о стро­ении органических веществ — введе­ние понятия «радикал». Созданная на основе экспериментальных фактов теория радикалов стала сущест­венным шагом вперёд в понимании строения органических соединений.

Александр Михайлович Бутлеров.

Бывали случаи, когда химики выделяли из разных источников один и тот же продукт, однако называли его каждый по-своему. Проходили годы, преж­де чем удавалось определить, что речь идёт об одном и том же соедине­нии. Именно это произошло, например, с анилином. Впервые он был най­ден в 1826 г. Отто Унферлорбеном (1806—1873) среди продуктов сухой перегонки индиго. Тогда он получил название кристаллин: его соли легко кристаллизовались. В 1834 г. Ф. Рунге, исследуя каменноугольную смолу, обнаружил неизвестное основание и дал ему наименование кианол. В 1840 г. академик Петербургской академии наук Юлий Фёдорович Фрицше (1808—1871) тоже получил новое основание действием едкого кали на индиго и назвал его анилин (от арабского названия индиго «ан-нил»). За­тем русский химик Николай Николаевич Зинин (1812—1880) в 1842 г. осу­ществил реакцию восстановления нитробензола сульфидом аммония и получил новое вещество — бензидам. Наконец, в 1843 г. Август Вильгельм Гофман установил, что все четыре вещества — кристаллин, кианол, ани­лин и бензидам — идентичны, и предложил утвердить название анилин.