Alkany

Szereg homologiczny

Przedstawiciele alkanów, uszeregowani względem wzrostowej ilości atomów wodoru w strukturze, tworzą szereg homologiczny. Rozpoczyna się on od metanu zawierającego jeden atom węgla, a kończący na dziesięciowęglowym dekanie. Nazewnictwo alkanów pochodzi od ilości atomów węgla, opisanych liczebnikami greckimi lub łacińskimi, obecnych w strukturze oraz charakterystycznej końcówki –an, na przykład heptan, nonan itp..

Ogólny wzór alkanów to:  , gdzie „n” oznacza liczbę atomów węgla (C) obecnych w łańcuchu, natomiast „H” oznacza atomy wodoru.

Rodzaje węglowodorów nasyconych

Ze względu na budowę łańcucha, alkany dzielimy na:

1. Prostołańcuchowe (parafinowe)

Rys. 1 Wzór strukturalny heptanu

Wszystkie atomy węgla posiadają hybrydyzację sp³. Ze względu na tetragonalny kąt pomiędzy wiązaniami, konieczny jest układ atomów węgla o zygzakowatym kształcie. Cząsteczki mogą przyjmować różne układy, ponieważ możliwa jest swobodna rotacja wokół pojedynczego wiązania pomiędzy atomami węgla. Im wyższa liczba węgli w danej strukturze, tym większe możliwości różnorodności kształtów łańcuchów.

2. Izoalkany, czyli rozgałęzione węglowodory nasycone

Powstawanie węglowodorów rozgałęzionych jest skutkiem łączenia się atomu węgla z więcej niż dwoma innymi atomami węgla. W miejscu takiego połączenia tworzy się rozgałęzienie. Węglowodory rozgałęzione stanowią izomery węglowodorów prostołańcuchowych.

Rys. 2 Wzór strukturalny 2-metylopenatnu

Pokazany na rys. 2 wzór 2-metylopentanu posiada sumarycznie sześć atomów węgla i jest izomerem heksanu. Nazwa 2-metylopentan oznacza, że łańcuch pentanu posiada w pozycji drugiego węgla, przyłączoną grupę metylową. Wraz we wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce, wzrasta liczba możliwych izomerów konstytucyjnych. Dla przykładu, heksan może posiadać budowę 5 różnych izomerów, oktan ma takich możliwości 18, a dekan aż 75.

3. Węglowodory pierścieniowe – cykloalkany, węglowodory alicykliczne

Możliwe jest zamknięcie się struktury łańcucha, z wytworzeniem pierścieni złożonych z powtarzających się elementów –CH₂-. Nazwy tworzy się na podstawie nazwy alkanu, z przedrostkiem cyklo-, na przykład cyklobutan, cykloheptan. Pomocniczo, przedstawia się je w postaci wieloboków foremnych.

Rys. 3 Od lewej: cyklopropan, cyklobutan

Istnieją również pierścienie podstawione, w których nazwie wymienia się podstawniki. W takim wypadku, numeracja atomów węgla oznaczana jest tak, aby podstawniki miały możliwie najniższą lokację.

Czołowi przedstawiciele grupy

Metan to związek o wzorze sumarycznym CH₄, rozpoczynający szereg homologiczny alkanów. Węgiel jest czterowartościowy, a więc posiada cztery wiązania C-H. W temperaturze pokojowej jest gazem, bezwonnym i bezbarwnym. Ponieważ atom węgla wykazuje hybrydyzację sp³, jego budowa ma kształt tetraedru, a powstałe orbitale tworzą wraz z czterema atomami wodoru, równocenne wiązania.

Etan jest kolejnym w szeregu alkanem, którego wzór sumaryczny to C₂H₆. Zapisując wzór półstrukturalny H₃C-CH₃ można zauważyć, że z każdym z atomów węgla łączą się trzy atomy wodoru. Podobnie jak metan oraz inne niższe węglowodory, jest bezbarwnym oraz bezwonnym gazem. Wiązania C-H są typu czołowego sigma sp-s, natomiast wiązanie pojedyncze pomiędzy atomami węgla to wiązanie czołowe sigma sp-sp.

Synteza alkanów

1. Uwodornienie alkenów lub alkinów
   
2. Hydroliza związków Grignarda
   
3. Redukcja halogenków alkilowych
   
4. Reakcja Wurtza
   

Redukcja aldehydów i ketonów

1. Redukcja Clemmensena
   

Rys. 4 Schemat redukcji Clemmensena

2. Reakcja Wolffa-Kiżnera
   

Rys. 5 Schemat redukcji Wolffa-Kiżnera

Właściwości fizykochemiczne alkanów

Krótkołańcuchowe alkany od C₁ do C₄ w temperaturze pokojowej są gazami. Natomiast inne homologi, od pentanu są cieczami o wzrastającej temperaturze wrzenia. Rozgałęzienia obecne w strukturach skutkują niższą temperaturą wrzenia izomerów. Zależność dodatku kolejnej grupy –CH₂– w strukturze oraz temperatury wrzenia to około 20-30^oC wyżej wraz ze wzrastaniem długości łańcucha węglowego. Stan skupienia alkanów od oktadekanu wzwyż to ciało stałe o temperaturach topnienia od 28^oC dla n-oktadekanu. Stałe węglowodory to parafina, natomiast wyższe ciekłe to olej parafinowy.

Hydrofobowy charakter cząsteczek alkanów sprawia, że nie mieszają się one z wodą, nie są przez nią zwilżalne, ani się w niej nie rozpuszczają. Ich powinowactwo do cech niepolarnych sprawia natomiast, że łatwo rozpuszczają się same w sobie oraz w podobnych im niepolarnych, średnio- i nisko-polarnych rozpuszczalnikach organicznych. Rozpuszczalność alkanów w dwóch popularnych alkoholowych rozpuszczalnikach, to znaczy w metanolu oraz etanolu, jest stosunkowo dobra. W metanolu, alkany rozpuszczają się dobrze tylko do określonego stężenia. Po jego przekroczeniu występuje rozdzielanie się faz. W etanolu, niższe alkany rozpuszczają się bardzo łatwo, natomiast wyższe alkany nieco gorzej.

Wszystkie węglowodory stanowią substancje łatwopalne. Węglowodory, które są gazami, a także pary węglowodorów ciekłych tworzą mieszanki o potencjale wybuchowym w połączeniu z powietrzem.

Reaktywność alkanów jest stosunkowo niska, ze względu na brak potencjalnie reaktywnych grup funkcyjnych. Zarówno wiązania pomiędzy atomami węgla C-C, jak i te pomiędzy atomami węgla i wodoru C-H, są bardzo odporne na rozerwanie. Energie tych wiązań wynoszą kolejno 88 kcal/mol oraz 104 kcal/mol. Jedynie w określonych warunkach mogą reagować gwałtownie.

Reakcje alkanów

1. Spalanie całkowite – z wydzieleniem dwutlenku węgla
   
2. Półspalanie – przy ograniczonym dostępie tlenu, z wydzieleniem tlenku węgla
   
3. Spalanie niecałkowite – przy bardzo ograniczonym dostępie tlenu, powstaje sadza

4. Reakcja substytucji (halogenowanie rodnikowe – na przykładzie reakcji metanu z chlorem, przy udziale światła

5. Piroliza, czyli rozkład alkanów na mniejsze cząsteczki, pod wpływem bardzo wysokiej temperatury. W zależności od procesu, może nastąpić kraking, hydrokraking lub izomeryzacja.
6. Nitrowanie z użyciem kwasu azotowego(V), z wytworzeniem mieszaniny produktów – izomerów, posiadających podstawnik –NO₂ w różnych lokacjach.
7. Sulfonowanie dwuetapowe, w którym produktem przejściowym są mersole, natomiast końcowym mersolany.