Alkany


Alkany w encyklopedii

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Spis treści

Alkany (parafiny, z łac. parum affinis = mało powinowaty[1][2]) – łańcuchowe węglowodory nasycone, organiczne związki chemiczne zbudowane wyłącznie z atomów węgla i wodoru, przy czym atomy węgla połączone są ze sobą wyłącznie wiązaniami pojedynczymi[3]. Ogólny wzór sumaryczny alkanów ma postać C
nH
2n+2.

Według obowiązującej systematyki IUPAC węglowe łańcuchy atomów w cząsteczkach alkanów mogą być zarówno proste, jak i rozgałęzione, jednak nie mogą tworzyć pierścieni ani zamkniętych pętli – cykloalkany nie są zatem alkanami[3][4].

Grupa alkanów uszeregowana według długości łańcuchów węglowych stanowi szereg homologiczny alkanów. Dalsze elementy tego szeregu określane są jako wyższe alkany (według różnych kryteriów jako wyższe alkany przyjmuje się np. homologi o łańcuchu >C6, >C10 lub >C16).

Rodzaje łańcuchów alkanów | edytuj kod

Alkany zawierające więcej niż trzy atomy węgla mogą tworzyć wiele izomerów konstytucyjnych różniących się rozgałęzieniami łańcuchów węglowych.

Łańcuchy proste | edytuj kod

Atomy węgla tworzą jeden nierozgałęziony łańcuch, na którego obydwu końcach znajdują się grupy metylowe.

Ze względu na możliwość rotacji wokół pojedynczych wiązań C−C, związki te mogą tworzyć izomery konformacyjne. Najniższą energię, a co za tym idzie, najwyższą trwałość mają konfromery, w których wiązania znajdują się w układzie naprzemianległym, a atomy węgla znajdują się w pozycjach antiperipalanarnych (trans). W warunkach normalnych zmiany konformacji alkanów następują bardzo szybko i nie można wyizolować poszczególnych konformerów[5].

Przykładowe konformacje naprzemianległe n-pentanu (deskryptory określają kąt torsyjny dla atomów C
1−C
2−C
3−C
4 i C
2−C
3−C
4−C
5):

Łańcuchy rozgałęzione | edytuj kod

Co najmniej jeden z atomów węgla jest związany z więcej niż dwoma innymi atomami węgla, cała cząsteczka zawiera więcej niż dwie grupy metylowe.

Przykłady dla pięciu atomów węgla – rozgałęzione izomery konstytucyjne pentanu:

Liczba istniejących izomerów konstytucyjnych węglowodorów o łańcuchach rozgałęzionych rośnie bardzo szybko wraz z liczbą atomów węgla tworzących cząsteczkę. W powyższym przykładzie alkanów zawierających 5 atomów węgla, są to 3 izomery: n-pentan, izopentan i neopentan. Proste obliczenia kombinatoryczne (stabelaryzowane w OEIS) pozwalają wyznaczyć teoretyczną liczbę takich izomerów konstytucyjnych dla dowolnej liczby atomów węgla[6]. Przykładowo:

  • C
    6H
    14 ma 5 izomerów konstytucyjnych (wraz z liniowym n-heksanem)
  • C
    10H
    22 (dekan) ma 75 izomerów
  • C
    16H
    34 (heksadekan) ma 10 359 izomerów
  • C
    39H
    80 (nonatriakontan) ma 23 647 478 933 969 izomerów
  • C
    100H
    202 (hektan) ma ponad 59×1038 izomerów.

W praktyce część izomerów jest jednak niestabilna.

Łańcuchy cykliczne | edytuj kod

Zgodnie z systematyką IUPAC, cząsteczki zawierające łańcuchy cykliczne (cykloalkany, nazywane czasem alkanami cyklicznymi) formalnie nie należą do alkanów.

Właściwości | edytuj kod

Alkany są słabo rozpuszczalne w wodzie (rozpuszczalność rzędu kilkudziesięciu miligramów na litr), rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych. Są mało reaktywne ze względu na dużą trwałość wiązań C−C i C−H. Podobne właściwości do alkanów mają również cykloalkany (z wyjątkiem cyklopropanu i cyklobutanu, które są nietrwałe z powodu silnych naprężeń w małych pierścieniach ich cząsteczek).

Stany skupienia | edytuj kod

Temperatury topnienia (kolor niebieski) oraz wrzenia (czerwony) w °C dla pierwszych czternastu alkanów prostych pod ciśnieniem atmosferycznym

W zależności od temperatury oraz ciśnienia każdy z alkanów może być gazem, cieczą lub ciałem stałym. Temperatury przejść fazowych pomiędzy tymi stanami skupienia dla pierwszych czternastu alkanów o łańcuchach prostych przedstawia rysunek. Jak widać, temperatura wrzenia tych związków rośnie monotonicznie ze wzrostem długości łańcucha (liczby atomów węgla), natomiast temperatura topnienia rośnie monotonicznie począwszy od propanu.

Spośród alkanów i cykloalkanów o tej samej liczbie atomów węgla, temperatura wrzenia cykloalkanu jest wyższa niż odpowiedniego alkanu liniowego[7], natomiast temperatury wrzenia alkanów o łańcuchach rozgałęzionych są niższe niż alkanu liniowego[8]. Tę ostatnią regularność można wytłumaczyć zmniejszeniem powierzchni cząsteczek rozgałęzionych w stosunku do liniowych, przez co obniża się liczba oddziaływań międzycząsteczkowych, a więc ich pokonanie staje się możliwe w niższych temperaturach[8].

W temperaturze pokojowej (25 °C) alkany liniowe lżejsze od pentanu (tj. zawierające 1–4 atomów węgla) są gazami, dalsze homologi – od pentanu do heptadekanu (5–17 atomów C) są cieczami, a oktadekan i cięższe (≥18 atomów C) są ciałami stałymi[7].

Najważniejsze reakcje | edytuj kod

Nazwa węglowodory nasycone wynika z faktu pełnego wysycenia atomów węgla wiązaniami pojedynczymi, co odróżnia je od węglowodorów nienasyconych, posiadających wiązania podwójne i/lub potrójne.

Ze względu na dużą trwałość pojedynczych wiązań C−C i C−H alkany są mało reaktywnymi związkami chemicznymi, a reakcje z ich udziałem wymagają drastycznych warunków (wysokich temperatur i ciśnienień). Generalnie wyróżnia się trzy typy reakcji, którym ulegają alkany[9][10]:

  • spalanie
CH
4 + 2O
2 → CO
2 + 2H
2O CH
4 + Cl
2 → CH
3Cl + HCl – reakcja metanu z chlorem, w wyniku której powstaje chlorometan i chlorowodór
  • piroliza prowadząca do zmniejszenia długości łańcuchów węgla w cząsteczkach oraz do ich izomeryzacji. Reakcje te mają duże znaczenie praktyczne przy produkcji paliw ciekłych (kraking, reforming).

Nazewnictwo alkanów | edytuj kod

Nazwa alkanu składa się z trzech części:

  • przedrostka i/lub wrostka – lokantu podstawnika
  • rdzenia – liczby atomów węgla w łańcuchu głównym
  • przyrostka „-an” (przewidzianego dla alkanów).

Etapy nazywania alkanu:

  1. Wyszukanie macierzystego związku.
    • Znalezienie najdłuższego łańcucha atomów węgla (jeżeli dwa różne łańcuchy mają identyczną długość, wybiera się ten z największą liczbą rozgałęzień).
  2. Numeracja w łańcuchu głównym:
    • Atomy węgla numeruje się od końca najbliższego pierwszemu rozgałęzieniu.
    • Jeżeli rozgałęzienia występują w równej długości od końców, numeruje się od końca bliższego drugiemu rozgałęzieniu.
  3. Określenie i numeracja podstawników:
    • Każdy podstawnik oznacza się zgodnie z miejscem przyłączenia do łańcucha głównego.
    • Jeżeli do danego atomu węgla są przyłączone dwa podstawniki lub więcej, przypisuje się im tę samą cyfrę.
  4. Zapis nazwy związku
    • Podstawniki podaje się w kolejności alfabetycznej, przy czym:
      • przedrostek „izo-” (np. izobutyl) włączany jest do nazwy i pierwszą literą jest „i”
      • pozostałe przedrostki (np. sec, tert; np. tert-butyl) i ich skróty (s, t; np. tBu) oraz lokanty liczbowe nie są włączane do nazwy, a więc np. dla tert-butyl pierwszą literą jest „b”.
    • Całą nazwę zapisuje się w postaci jednego słowa, przy czym:
      • do oddzielenia przedrostów i/lub wrostków używa się łącznika (-)
      • do rozdzielenia lokantów używa się przecinka (,)

Przykład: 2,2-dimetylobutan

  • „2,2” – lokanty podstawników (oba podstawniki są przy tym samym atomie węgla, dlatego oznaczone są tą samą liczbą)
  • „di” – liczba podstawników danego rodzaju przy danym atomie węgla („di-”, „tri-”, „tetra-”)
  • „metylo” – nazwa podstawników (tutaj są to grupy metylowe)
  • „butan” – nazwa alkanu, który ma tyle samo atomów węgla, ile łańcuch główny.

Zobacz też | edytuj kod

Przypisy | edytuj kod

  1. parafina. Słownik wyrazów obcych PWN. [dostęp 2016-02-13]. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-02-06)].
  2. Witold Doroszewski (red.): parafina. W: Słownik języka polskiego [on-line]. PWN. [dostęp 2016-02-13].
  3. a b alkanes [w:] A.D.A.D. McNaught A.D.A.D., A.A. Wilkinson A.A., Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), International Union of Pure and Applied Chemistry, wyd. 2, Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997, ISBN 0-9678550-9-8 . Wersja internetowa: M.M. Nic M.M., J.J. Jirat J.J., B.B. Kosata B.B., alkanes, A. Jenkins (aktualizowanie), 2006–, DOI10.1351/goldbook.A00222  (ang.).
  4. cycloalkanes [w:] A.D.A.D. McNaught A.D.A.D., A.A. Wilkinson A.A., Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), International Union of Pure and Applied Chemistry, wyd. 2, Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997, ISBN 0-9678550-9-8 . Wersja internetowa: M.M. Nic M.M., J.J. Jirat J.J., B.B. Kosata B.B., cycloalkanes, A. Jenkins (aktualizowanie), 2006–, DOI10.1351/goldbook.C01497  (ang.).
  5. Robert T. Morrison, Robert N. Boyd: Chemia organiczna. T. 1. Warszawa: PWN, 1985, s. 105–110, 179–181. ISBN 83-01-04166-8.
  6. Number of n-node unrooted quartic trees; number of n-carbon alkanes C(n)H(2n+2) ignoring stereoisomers (ang.). The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences. [dostęp 2010-10-04].
  7. a b Robert T. Morrison, Robert N. Boyd: Chemia organiczna. T. 1. Warszawa: PWN, 1985, s. 117 i 342. ISBN 83-01-04166-8.
  8. a b Robert T. Morrison, Robert N. Boyd: Chemia organiczna. T. 1. Warszawa: PWN, 1985, s. 118. ISBN 83-01-04166-8.
  9. Robert T. Morrison, Robert N. Boyd: Chemia organiczna. T. 1. Warszawa: PWN, 1985, s. 128–146. ISBN 83-01-04166-8.
  10. Produkty spalania. Zakłady Chemiczne Warter. Dostęp: 2016-11-06.
Kontrola autorytatywna (strukturalna klasa związków chemicznych):
Na podstawie artykułu: "Alkany" pochodzącego z Wikipedii
OryginałEdytujHistoria i autorzy