Alkany

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

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
n
H
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.

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

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[5]. Przykładowo:

  • C
    6
    H
    14
    ma 5 izomerów konstytucyjnych (wraz z liniowym n-heksanem)
  • C
    10
    H
    22
    (dekan) ma 75 izomerów
  • C
    16
    H
    34
    (heksadekan) ma 10 359 izomerów
  • C
    39
    H
    80
    (nonatriakontan) ma 23 647 478 933 969 izomerów
  • C
    100
    H
    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[6], natomiast temperatury wrzenia alkanów o łańcuchach rozgałęzionych są niższe niż alkanu liniowego[7]. 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[7].

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[6].

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[8]:

  • spalanie
CH
4
+ 2O
2
→ CO
2
+ 2H
2
O
2C
2
H
6
+ 5O
2
→ 4CO + 6H
2
O
2C
4
H
10
+ 5O
2
→ 8C + 10H
2
O
CH
4
+ Cl
2
→ CH
3
Cl + 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-dimetylobutan.svg
  • „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.
Przykładowe nazwy alkanów
lp. Nazwa alkanu lp. Nazwa alkanu lp. Nazwa alkanu lp. 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[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. McNaught, A. Wilkinson: IUPAC. Compendium of Chemical Terminology (Gold Book). Wyd. 2. Oksford: Blackwell Scientific Publications, 1997. Wersja internetowa: M. Nic, J. Jirat, B. Kosata: alkanes (ang.), aktualizowana przez A. Jenkins. DOI: 10.1351/goldbook.A00222
  4. cycloalkanes [w:] A.D. McNaught, A. Wilkinson: IUPAC. Compendium of Chemical Terminology (Gold Book). Wyd. 2. Oksford: Blackwell Scientific Publications, 1997. Wersja internetowa: M. Nic, J. Jirat, B. Kosata: cycloalkanes (ang.), aktualizowana przez A. Jenkins. DOI: 10.1351/goldbook.C01497
  5. 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].
  6. a b Robert T. Morrison, Robert N. Boyd: Chemia organiczna. T. 1. Warszawa: PWN, 1985, s. 117 i 342. ISBN 83-01-04166-8.
  7. a b Robert T. Morrison, Robert N. Boyd: Chemia organiczna. T. 1. Warszawa: PWN, 1985, s. 118. ISBN 83-01-04166-8.
  8. Robert T. Morrison, Robert N. Boyd: Chemia organiczna. T. 1. Warszawa: PWN, 1985, s. 128–146. ISBN 83-01-04166-8.