Alkany

Alkany (łańcuchowe węglowodory nasycone, parafiny od łac. parum affinis – mało reaktywne) — organiczne związki chemiczne zbudowane wyłącznie z atomów węgla i wodoru, przy czym atomy węgla połączone są ze sobą wyłącznie wiązaniami pojedynczymi.

Według obowiązującej systematyki IUPAC łańcuchy atomów węgla w cząsteczkach alkanów mogą być zarówno proste, jak i rozgałęzione, jednak nie mogą tworzyć zamkniętych pętli. Alkanami nie są zatem cykloalkany, zaś ogólny wzór sumaryczny alkanów ma postać C_nH_2n+2.

Grupa alkanów, uszeregowana według długości łańcucha węglowego, stanowi szereg homologiczny alkanów.

Rodzaje łańcuchów alkanów

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

Łańcuchy proste

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

Przykład dla pięciu atomów węgla – izomery konformacyjne n-pentanu:

• 

  n-pentan trans-trans

• 

  n-pentan gauche-gauche

• 

  n-pentan trans-gauche

Łańcuchy rozgałęzione

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:

• 

  izopentan

• 

  neopentan

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. Przykładowo:

• C₆H₁₄ ma 5 izomerów konstytucyjnych (wraz z liniowym n-heksanem)
• C₁₀H₂₂ (dekan) ma 75 izomerów
• C₁₆H₃₄ (heksadekan) ma 10359 izomerów
• C₃₉H₈₀ (nonatriakontan) ma 23647478933969 izomerów
• C₁₀₀H₂₀₂ (hektan) ma ponad 5,9×10³⁹ izomerów

W praktyce część izomerów jest jednak niestabilna.

Łańcuchy cykliczne

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

Właściwości

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

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, natomiast temperatury wrzenia alkanów o łańcuchach rozgałęzionych są niższe, niż alkanu liniowego. Można to wytłumaczyć istnieniem „zamrożonych” stopni swobody cząsteczek cyklicznych oraz zależnością sił van der Waalsa od efektywnej powierzchni cząsteczek, która w przypadku cząsteczek liniowych jest większa, niż dla cząsteczek rozgałęzionych.

Spośród alkanów liniowych cieczami w warunkach normalnych są związki zawierające od 5 do 13 atomów węgla, zaś w warunkach standardowych od 5 do 17 atomów węgla. Alkany liniowe lżejsze od pentanu (a zatem zawierające od 1 do 4 atomów węgla są gazami zarówno w warunkach normalnych, jak i standardowych. Alkany liniowe zawierające 14 i więcej atomów węgla (warunki normalne) lub 18 i więcej (warunki standardowe) są ciałami stałymi.

Najważniejsze reakcje

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 (wysoka temperatura i ciśnienie). Generalnie wyróżnia się cztery typy reakcji, którym ulegają alkany:

• spalanie

• spalanie całkowite – produkty spalania to dwutlenek węgla i para wodna (woda); na przykładzie metanu:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

• półspalanie – produkty spalania to tlenek węgla i para wodna (woda); na przykładzie etanu:

2C₂H₆ + 5O₂ → 4CO + 6H₂O

• spalanie niecałkowite – produkty spalania to para wodna (woda), sadza (węgiel (pierwiastek)); na przykładzie butanu:

2C₄H₁₀ + 5O₂ → 8C + 10H₂O

• halogenowanie wolnorodnikowe (substytucja) – powstają dzięki niej pochodne alkanów np.

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + 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

Nazwa alkanu składa się z trzech części: przedrostka, rdzenia i przyrostka.

• przedrostek – lokant podstawnika
• rdzeń – liczba atomów węgla w łańcuchu głównym.
• przyrostek – właściwy dla danego szeregu homologicznego. Dla alkanów jest to „-an”

Etapy nazywania alkanu

1. Wyszukanie macierzystego związku.
   • Znajdź najdłuższy łańcuch węglowy.
   • Jeżeli dwa różne łańcuchy mają identyczną długość, wybierz ten w którym jest więcej rozgałęzień.
2. Numeracja w łańcuchu głównym:
   • Numerujemy od końca najbliższego pierwszemu rozgałęzieniu.
   • Jeżeli rozgałęzienia występują w równej długości od końców to numerujemy od końca bliższego drugiemu rozgałęzieniu.
3. Określenie i numeracja podstawników:
   • Każdy podstawnik oznaczamy zgodnie z miejscem przyłączenia do łańcucha głównego.
   • Jeżeli do danego atomu węgla są przyłączone dwa lub więcej podstawników to przypisujemy im tą samą cyfrę.
4. Zapis nazwy związku
   • Podstawniki podajemy w kolejności alfabetycznej.
     1. Przy nazwach typu „izo-” (np izobutyl) pierwszą literą jest „i”
     2. Przy nazwach typu iBU pierwszą literą jest „b”
   • Całą nazwę zapisz w postaci jednego słowa.
     1. Do rozdzielenia przyrostów użyj łączników „-”.
     2. Do rozdzielenia cyfr użyj przecinka „,”

Przykład: 2,2-dimetylobutan

• „2,2” – lokanty podstawników. Dwa podstawniki są przy tym samym węglu, dlatego przypisujemy im tą samą cyfrę
• „di” – ilość podstawników danego rodzaju przy konkretnym węglu („di-”, „tri-”, „tetra-”)
• „metylo” – nazwa podstawników. W tym wypadku są to grupy metylowe
• „butan” – nazwa alkanu, który ma tyle samo atomów węgla ile łańcuch główny

Przykładowe nazwy alkanów

l.p.	Nazwa alkanu	l.p.	Nazwa alkanu	l.p.	Nazwa alkanu	l.p.	Nazwa alkanu
1	metan	26	heksakozan	51	henpentakontan	76	heksaheptakontan
2	etan	27	heptakozan	52	dopentakontan	77	heptaheptakontan
3	propan	28	oktakozan	53	tripentakontan	78	oktaheptakontan
4	butan	29	nonakozan	54	tetrapentakontan	79	nonaheptakontan
5	pentan	30	triakontan	55	pentapentakontan	80	oktakontan
6	heksan	31	hentriakontan	56	heksapentakontan	81	henoktakontan
7	heptan	32	dotriakontan	57	heptapentakontan	82	dooktakontan
8	oktan	33	tritriakontan	58	oktapentakontan	83	trioktakontan
9	nonan	34	tetratriakontan	59	nonapentakontan	84	tetraoktakontan
10	dekan	35	pentatriakontan	60	heksakontan	85	pentaoktakontan
11	undekan	36	heksatriakontan	61	henheksakontan	86	heksaoktakontan
12	dodekan	37	heptatriakontan	62	doheksakontan	87	heptaoktakontan
13	tridekan	38	oktatriakontan	63	triheksakontan	88	oktaoktakontan
14	tetradekan	39	nonatriakontan	64	tetraheksakontan	89	nonaoktakontan
15	pentadekan	40	tetrakontan	65	pentaheksakontan	90	nonakontan
16	heksadekan	41	hentetrakontan	66	heksaheksakontan	91	hennonakontan
17	heptadekan	42	dotetrakontan	67	heptaheksakontan	92	dononakontan
18	oktadekan	43	tritetrakontan	68	oktaheksakontan	93	trinonakontan
19	nonadekan	44	tetratetrakontan	69	nonaheksakontan	94	tetranonakontan
20	eikozan	45	pentatetrakontan	70	heptakontan	95	pentanonakontan
21	heneikozan	46	heksatetrakontan	71	henheptakontan	96	heksanonakontan
22	dokozan	47	heptatetrakontan	72	doheptakontan	97	heptanonakontan
23	trikozan	48	oktatetrakontan	73	triheptakontan	98	oktanonakontan
24	tetrakozan	49	nonatetrakontan	74	tetraheptakontan	99	nonanonakontan
25	pentakozan	50	pentakontan	75	pentaheptakontan	100	hektan

Zobacz też

• alkeny
• alkiny
• Alkanosulfoniany
• cykloalkany
• synteza Wurtza

Linki zewnętrzne

• Alkany w serwisie Chemia Organiczna OnLine