Węglowodory nasycone, zwane alkanami należą do węglowodorów alifatycznych, w skład których wchodzą jedynie atomy węgla i wodoru. Lekkie alkany (metan, etan, propan, butan) są w warunkach normalnych gazami, cięższe – od C5H12 do C13H38 – cieczami, a wyższe ciałami stałymi. Począwszy od butanu temu samemu wzorowi sumarycznemu odpowiada większa od jedności liczba związków, izomerów strukturalnych. Izomery różnią się między sobą budową i właściwościami. Węglowodory alifatyczne o prostym (nierozgałęzionym) łańcuchu węglowodorowym nazywane są normalnymi, węglowodory o rozgałęzionym łańcuchu mają przedrostek izo-.

Węglowodory można również podzielić ze względu na typ hybrydyzacji atomów węgla, który decyduje o budowie ich cząsteczek.

Alkany oraz cykloalkany to węglowodory nasycone, w których każdy atom węgla jest w stanie hybrydyzacji sp3 i tworzy cztery równocenne wiązania z innymi atomami węgla lub z atomami wodoru. Kąty pomiędzy wszystkimi wiązaniami wynoszą około 109°. Kąty pomiędzy wiązaniami w trzech pierwszych cykloalkanach: cyklopropanie, cyklobutanie i cyklopentanie z uwagi na duże naprężenia wynikające z małych rozmiarów cząsteczek ulegają znacznym deformacjom.

I-rzędowy atom węgla łączy się z jednym atomem węgla.

II-rzędowy atom węgla łączy się z dwoma atomami węgla.

III-rzędowy atom węgla łączy się z trzema atomami węgla.

IV-rzędowy atom węgla łączy się z czterema atomami węgla.

Atom węgla w cząsteczce metanu nie jest związany z żadnym innym atomem węgla. To atom zerowego rzędu.

Ogromna liczba związków organicznych wynikająca ze zjawiska izomerii pociąga za sobą konieczność posługiwania się spójnym, jednoznacznym systemem nazewnictwa. Został on stworzony oraz wprowadzony przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC). Zgodnie z zasadami IUPAC nazwy systematyczne alkanów tworzy się według następujących zasad:

  1. Wybiera się najdłuższy, główny łańcuch węglowy i nadaje mu nazwę  zależną od liczby atomów węgla. Gdy występują dwa (lub więcej) tak samo długie łańcuchy, to jako łańcuchem głównym jest ten, który zawiera największą liczbę rozgałęzień.
  2. Nazywa się wszystkie podstawniki (łańcuchy boczne) połączone z łańcuchem głównym.
  3. Atomy węgla w łańcuchu głównym numeruje się w taki sposób, aby położenie pierwszego podstawnika zostało oznaczone najmniejszą wartością.
  4. Jeżeli w łańcuchu głównym są dwa podstawniki w takiej samej odległości od obu jego krańców, to o kierunku numeracji atomów węgla decyduje kolejność alfabetyczna nazw tych podstawników.
  5. Nazwy alkanów o łańcuchu rozgałęzionym tworzy się wymieniając w kolejności alfabetycznej nazwy grup alkilowych przed nazwą najdłuższego łańcucha węglowego. Położenie grup alkilowych w łańcuchu głównym określa się podając  właściwy numer przed nazwą danej grupy.
  6. Obecność kilku identycznych niepodstawionych łańcuchów bocznych zaznacza się podając przed nazwą przedrostek di-, tri-, tetra-, itp. określający ich krotność.

Wzory sumaryczne niektórych alkanów:

  • Metan CH4
  • Etan C2H6
  • Propan C3H8
  • n – Butan C4H10
  • Izobutan HC(CH3)3
  • n – Pentan C5H12
  • Izopentan CH3CH2CH(CH3)2
  • Izopentan (CH3)4C

METAN

Alkany to węglowodory nasycone (parafinowe, alifatyczne), w których atom węgla jest w stanie hybrydyzacji sp3. Wszystkie wiązania w cząsteczkach alkanów to wiązania pojedyncze (σ). Pierwsze cztery węglowodory w temperaturze pokojowej są gazami. Te, które zawierają od 5 do 16 atomów węgla, należą do cieczy, zaś pozostałe – do ciał stałych. Najprostszy alkan, metan to główny składnik gazu ziemnego, stanowiący 80–90% jego zawartości. Metan jest bezbarwnym gazem, trudno rozpuszczalnym w wodzie, lżejszym odpowietrza. Jego gęstość wynosi 0,714 g/dm3 temperatura topnienia–182,6°C, a temperatura wrzenia  –161,4°C. Zaobserwowano, że metan tworzy się w okolicach bagien, mokradeł, jezior i stawów. Powstaje więc wszędzie tam, gdzie obumarłe rośliny gniją bez dostępu powietrza. Propan i butan, podobnie jak metan oraz etan, spalają się w powietrzu, tworząc z nim mieszaniny wybuchowe. Produktami spalania są tlenek węgla(IV) i woda. Spalaniu węglowodorów towarzyszy wydzielanie bardzo dużej ilości energii (z tego powodu substancje te wykorzystuje się jako paliwa).

Benzyna, nafta i olej napędowy są mieszaninami ciekłych węglowodorów. Palność węglowodorów zależy od ich lotności, ponieważ w przypadku cieczy palą się ich pary. Nad powierzchnią benzyny w temperaturze pokojowej stężenie par osiąga tak dużą wartość, że pod wpływem źródła ognia jej zapłon jest natychmiastowy. Zapalenie par nafty i oleju napędowego, zawierających węglowodory o dłuższych łańcuchach, wymaga podgrzania tych substancji. Produktami spalania wymienionych węglowodorów są również tlenek węgla(IV) i woda.

Jeżeli podczas spalania ilość tlenu jest ograniczona, zamiast tlenku węgla(IV) powstaje toksyczny tlenek węgla(II) (półspalanie węglowodorów) lub węgiel w postaci sadzy (spalanie niecałkowite węglowodorów). Drugim produktem jest zawsze woda.

Gaz ziemny jest przemysłowym źródłem metanu, gdzie metan stanowi do 90% gazu ziemnego. Sposoby otrzymania metanu ilustrują równania reakcji:

C + 2H2  = CH4  (500°C)

CO + 3H2 = CH4 + H2O

CH3COONa + NaOH = CH4 + Na2CO3

Al4C3 + 12HCl = 3CH4 + 4AlCl3

Chemiczne właściwości alkanów:

  • Ulegają reakcjom spalania
  • Ulegają reakcjom podstawienia (substytucji halogenami)
  • Są bierne chemicznie (mało reaktywne)

Właściwości fizyczne alkanów:

  • Są hydrofobowe (niepolarne)
  • Są lotne (od CH4 do C4H10 - gazy, od C5H12 do C15H32 - ciecze, powyżej C16H34 - nisko topliwe ciała stałe)
  • Rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach, głównie organicznych
  • Są łatwopalne

Alkany są związkami chemicznie biernymi, odpornymi na działanie utleniaczy i reduktorów, ale podwyższonej temperaturze łączą się z tlenem (spalają) dając dwutlenek węgla i wodę.

CnH2n+2 + (3n+1)O2 =  nCO2 + (n+1)H2O

2CH4 + 3O2 → 2CO +4H2O

CH4 + O2 → C +2H2O

Pod wpływem ciepła lub światła nadfioletowego węglowodory wchodzą również łatwo w reakcje z fluorowcami:

CH4 + Cl  = CH3Cl + HCl

  CH4 +Br2 → CH3Br +HBr

Jod natomiast w ogóle nie ulega takiej reakcji. Produktami reakcji chlorowania, bromowania i fluorowania są odpowiednio chloro-, bromo- i fluoropochodne alkanów.

Reakcje z fluorowcami nie zatrzymują się po podstawieniu jednego atomu wodoru, lecz biegną dalej, a końcowym wynikiem jest zawsze mieszanina fluorowcoalkanów:

CH3Cl + Cl = CH2Cl2 + HCl

CH2Cl2 + Cl = CHCl3 + HCl

Rezultatem dalszego chlorowania jest tetrachlorek węgla CCl4. Z ważniejszych fluorowcopochodnych należy wymienić używany do narkozy chloroform CH3Cl i chlorek etylu C2H5Cl stosowane do miejscowych znieczuleń, trijodometan CHI3 (jodoform) o właściwościach antyseptycznych.

Halogenki alkilowe (fluorowcowęglowodory) są materiałem wyjściowym do otrzymywania wielu związków organicznych:

R – Cl + AgOH = AgCl + R –OH  alkohole

R – Cl + NH3 = HCl + R - NH aminy pierwszorzędowe

R – Cl + KCN = KCl + R – CN cyjanki organiczne (nitryle)

R – Cl + AgNO2 = AgC +R - NO2 nitrozwiązki

R – Cl + NaSH = NaCl + R – SH  tiole

Chociaż większość z tych reakcji ma głównie teoretyczne znaczenie, w pewnych przypadkach są one najprostszą metodą otrzymania żądanego produktu. Łatwość z jaką fluorowcowęglowodory reagują np. wodorotlenkiem srebra, niewątpliwe wynika przede wszystkim z nierozpuszczalności AgCl i jego usuwania się z roztworu (reguła przekory). W podobny jednak sposób przebiega reakcja pod wpływem innych wodorotlenków (potasu, sodu), a nawet soli (CN-, SH-), jak to widać z podanych poprzednio reakcji. Wyjaśnienie dużej reaktywności fluorowcowęglowodorów, zarówno alifatycznych jak i pierścieniowych, wymaga nieco dokładniejszego omówienia mechanizmu reakcji chemicznych tego typu.

Do alkanów należy również grupa węglowodorów, których łańcuchy węglowe tworzą zamknięty pierścień. Związki te, zwane cykloalkanami, mają właściwości chemiczne bardzo zbliżone do właściwości alkanów łańcuchowych. Podobnie jak w przypadku związków aromatycznych największą trwałość wykazują pierścienie pięcio- i sześcioczłonowe. Pierścienie trój- i czteroczłonowe ulegają łatwo rozerwaniu pod wpływem czynników chemicznych. Znane są również cykloalkany zawierające kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt atomów węgla w pierścieniu. Otrzymanie tak dużych cząsteczek jest trudne, do utworzenia bowiem pierścienia konieczne jest zetknięcie się obu końców łańcucha. Prawdopodobieństwo takiego przypadku jest bardzo małe, ale z chwilą zamknięcia się pierścienia powstała cząsteczka wykazuje dużą trwałość.

Otrzymywanie alkanów:

1.  Synteza z pierwiastków:

C + 2H2 = CH4

2.  Katalityczne uwodornienie (katalizowane Pt, Pd lub Ni)

CO + 3H2 = CH4 + H2O

CH2=CH2 + H2 = CH3-CH3

  1. Redukcja halogenków alkilów:
    • reakcja Wurtza (do syntezy symetrycznych alkanów)

R1X + Na + XR1 = R1-R1 + 2NaX (ogólnie)

C2H5-Br + 2Na + Br-C2H5 = C2H5-C2H5 + 2NaBr

  • redukcja metalem w środowisku kwasowym

RX + Zn + H+ = RH + Zn2+ + X-

  • hydroliza odczynnika Grignarda z wodą lub innym słabym kwasem (RX + Mg = RMgX)

CH3-CH2-CH2Cl + Mg = CH3-CH2-CH2MgCl (w obecności eteru)

CH3-CH2-CH2MgCl + HOH = CH3-CH2-CH2H + Mg(OH)Cl

Reakcją charakterystyczną alkanów jest reakcja pirolizy (kraking, przebiegająca w temperaturze 400-600o C i w obecności katalizatora), prowadząca do rozkładu cząsteczek węglowodorów na mniejsze.

alkan = H2 + alkany o mniejszych cząsteczkach + alkeny