Alkany należą do związków organicznych, czyli związków zbudowanych z węgla. Wyjątkami, nie zaliczanymi do związków organicznych, są: tlenki węgla (II i IV), sole (węglany). Chemia organiczna jest gałęzią chemii zajmującą się badaniem właściwości oraz otrzymywaniem substancji organicznych. Alkany należą do rodziny węglowodorów (związków zbudowanych z atomów węgla oraz wodoru).
Budowa
W alkanach występują wiązania pojedyncze pomiędzy atomami węgla.
Wzór ogólny:
CnH2n+2
n - liczba atomów węgla
n-alkany (alkany normalne) to węglowodory o łańcuchach prostych, bez rozgałęzień, a końcowe atomy węgla posiadają po trzy atomy wodoru, wewnętrzne - po dwa, np.:
CH3 - CH2 - CH2 - CH3 n - butan
Szereg homologiczny
Alkany, podobnie jak inne węglowodory, tworzą szereg homologiczny, w którym ułożone są związki różniące
się o jedną lub więcej grup - CH2 -.
Poniżej przedstawiono taki szereg dla n-alkanów (Tabela 1):
Nazwa alkanu
|
Wzór sumaryczny
|
Metan
|
CH4
|
etan
|
C2 H6
|
propan
|
C3 H8
|
butan
|
C4 H10
|
pentan
|
C5 H12
|
heksan
|
C6H14
|
heptan
|
C7 H16
|
oktan
|
C8 H18
|
nonan
|
C9 H20
|
dekan
|
C10 H22
|
Tabela 1 . Szereg homologiczny alkanów
Istnieją również alkany, posiadające ten sam wzór sumaryczny, co n-alkany o rozgałęzionych łańcuchach, różnią się one wyłącznie budową przestrzenną. Takie zjawisko nosi nazwę izomerii.
Poniżej podano przykłady izomerów strukturalnych (jedna z odmian izomerii):
CH3 - CH2 - CH2 - CH3 n-butan
i
CH3 - CH - CH3
| 2-metylopropan (zwyczajowo - izobutan)
CH3
Obydwa związki, o różnych właściwościach oczywiście, maja identyczny wzór sumaryczny - C4 H10.
Nazewnictwo
Reguły nazewnictwa:
- wybór najdłuższego łańcucha węglowego
- określenie położenie lokantów w wybranym łańcuchu, żeby liczby tych podstawników były jak najmniejsze
- dla kilku podstawników przy określonym atomie węgla stosuje się przedrostki di (2), tri (3), tetra (4).
Przykłady:
CH3 - CH - CH2 - CH3
| 2-metylobutan
CH3
CH3
|
CH3 - CH2 - C - CH2 - CH3
| 3,3-dimetylkopentan
CH3
Właściwości chemiczne alkanów
Reakcja podstawiania
Reakcja charakterystyczną dla alkanów jest reakcja podstawienia, która ma mechanizm rodnikowy.
W przypadku metanu reakcja przebiega następująco:
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl
chlorometan
CH3Cl + Cl2 = CH2Cl2 + HCl
dichlorometan
CH2Cl2 + Cl2 = CHCl3 + HCl
trichlorometan
CHCl3 + Cl2 = CCl4 + HCl
tetrachlorometan
Tego typu procesy nazywa się reakcjami następczymi, czyli produkt jakiejś reakcji stanowi substrat następnej. Zachodzą one, jak już wspomniano, zgodnie z mechanizmem rodnikowym, a inicjatorem reakcji jest światło. W wyniku takiej reakcji powstają rodniki:
Cl2 = 2Cl*
Są one bardzo reaktywne i bardzo łatwo wchodzą w kolejne reakcje.
Gdy połączą się rodniki metylowe powstanie wówczas produkt uboczny:
CH3* + CH3* = C2H6
Utlenianie
Alkany mogą się utleniać całkowicie do CO2 lub niecałkowicie do CO lub C.
Przykład:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
Otrzymywanie
- uwodornienie węglowodorów nienasyconych (aklenów lub alkinów):
C2H4 + H2 = C2H6
C2H2 + 2H2 = C2H6
Reakcje te są katalizowane przez Pt lub Pd lub Ni
- metoda Wurtza (reakcja z metalicznym sodem):
2C2H5Cl + 2Na = 2NaCl + C4H10
Metan (CH4)
Jest gazem bezbarwnym, bezzapachowym, palnym, tworzy mieszanki wybuchowe z tlenem albo powietrzem. Występuje jako składnik gazu ziemnego.
Otrzymywanie metanu:
- synteza :
C + 2H2 = CH4 reakcja przebiega w temperaturze 500 oC
- w reakcji octanu sodu i wodorotlenku w podwyższonej temperaturze:
CH3COONa + NaOH = CH4 + Na2CO3
- w reakcji węgliku glinu z kwasem (np. solnym):
Al4C3 + 12HCl = 4AlCl3 + 3CH4