Alkan

Metan je první alkan .

Alkany jsou uhlovodíky , to znamená, že jsou to sloučeniny, které obsahují pouze atomy uhlíku a vodíku . Obecný vzorec pro alifatické alkany (s přímým řetězcem) je C _n H _2n+2 , ​ a pro cykloalkany je to C _n H _2n . Oni jsou také nazýváni nasycenými uhlovodíky , protože oni postrádají dvojné nebo trojité vazby , a, proto, všechny jejich uhlíky jsou sp ³ hybridizované . Navíc jim chybí funkční skupiny .

Alkalické (primární) alkany

Alifatické alkany mohou být s přímým řetězcem nebo rozvětvené, přičemž poměr uhlíku k vodíku je CnH2n + 2 _{, kde „} n “ představuje počet atomů uhlíku v molekule . Jeho reaktivita je ve srovnání s jinými organickými sloučeninami velmi nízká. Všechny alkanové vazby jsou jednoduché (tj. typu sigma ), tedy kovalentní vazby , které sdílejí pár elektronů v orbitalu s , pro který by struktura alkanu měla tvar, kde každá čára nebo pruh představuje kovalentní vazba, kde je pár elektronů sdílen rovnoměrně mezi vázanými atomy.

obecný vzorec alkanů

Nejjednodušší alkan je metan s jedním atomem uhlíku. Jiné známé alkany jsou ethan , propan a butan se dvěma, třemi a čtyřmi atomy uhlíku. Od pěti uhlíků jsou názvy odvozeny podle počtu atomů uhlíku, které molekula vlastní.

C	název	Vzorec	Modelka
1	Metan	CH4 _
dva	etan	C2H6 _ _ _
3	Propan	C3H8 _ _ _
4	Butan	C4H10 _ _ _
5	pentan	C5H12 _ _ _
6	hexan	C6H14 _ _ _
7	heptan	C7H16 _ _ _
8	Oktan	C8H18 _ _ _
9	Nonane	C9H20 _ _ _
10	Děkan	C10H22 _ _ _
jedenáct	Undean	C11H24 _ _ _
12	Dodekane	C12H26 _ _ _

Struktura polyethylenu UHMWPE, n>100 000

Polyethylen (PE) je chemicky nejjednodušší polymer reprezentovaný svou opakující se jednotkou ( _{CH2 -} CH2 ) _n . Získává se polymerací ethylenu. Polyethylen s ultravysokou molekulovou hmotností ( UHMWPE , UHMW ) je extrémně dlouhý nerozvětvený lineární řetězec polymeru s molekulovou hmotností obecně mezi 3,5 a 7,5 miliony daltonů. ]

Pro názvosloví acyklických alkanů viz názvosloví acyklických uhlovodíků .

Cykloalkany

Cyklické alkany nebo cykloalkany jsou, jak jejich název napovídá, uhlovodíky s cyklickým řetězcem. _{V nich je poměr} C/ H _CnH2n . Jejich fyzikální vlastnosti jsou podobné vlastnostem necyklických alkanů, ale jejich chemické vlastnosti se značně liší, zejména ty s kratšími řetězci, které mají vlastnosti více podobné vlastnostem alkynů .

Podrobnosti o nomenklatuře cykloalkanů najdete v názvosloví monocyklických uhlovodíků , názvosloví můstkových polycyklických uhlovodíků , spirosloučenině , fúzním nomenklaturním systému a nomenklatuře cyklických seskupení

Hojnost

Hojnost alkanů ve vesmíru

Metan a ethan tvoří významnou část složení atmosféry Jupiteru .

Alkany jsou důležitou součástí atmosféry vnějších planet , jako je Jupiter (0,01 % metanu, 0,0002 % ethanu), Saturn (0,2 % metanu, 0,0005 % etanu), Uran (1,99 % metanu, 0,00025 % etanu) a Neptun ( 1,5 % methanu, 1,5 ppm ethanu). Titan , satelit Saturnu, byl studován sondou Huygens a zjistil, že v atmosféře Titanu prší kapalný metan. Na Titanu byla také pozorována sopka chrlící metan a tento vulkanismus je považován za významný zdroj metanu v atmosféře. Zdá se také, že poblíž severních polárních oblastí Titanu jsou jezera metanu a ethanu, jak objevil radarový zobrazovací systém Cassini . Metan a etan byly také detekovány v ohonu komety Hyakutake . Chemická analýza ukázala, že množství etanu a metanu je přibližně stejné, což předpokládá, že led vytvořený v mezihvězdném prostoru daleko od Slunce se mohl odpařovat nerovnoměrně kvůli různé těkavosti těchto molekul. Alkany byly také zjištěny v meteoritech , jako jsou uhlíkaté chondrity.

Hojnost alkanů na planetě Zemi

V atmosféře jsou stopy metanu (0,0001 %), produkovaného především organismy jako Archaea , který se nachází například v žaludku krav.

Extrakce ropy, která obsahuje mnoho různých uhlovodíků, včetně alkanů.

Nejdůležitějším komerčním zdrojem alkanů je zemní plyn a ropa . Zemní plyn obsahuje hlavně metan a ethan, ale také trochu propanu a butanu : ropa je směs kapalných alkanů a jiných uhlovodíků . Tyto uhlovodíky vznikly, když mrtví mořští živočichové a rostliny (zooplankton a fytoplankton) klesly na dno starověkých moří a byly pokryty sedimenty ve wikt:anoxickém prostředí (bez kyslíku) a pokryty na několik milionů let při vysokých teplotách a tlaku. do dnešní podoby. Zemní plyn lze například získat z následující reakce:

C6H12O6 → _3CH4 + 3CO2 _{_} _ _{_ _ _}

Tyto uhlovodíky byly absorbovány do porézních hornin, které se nacházely v nepropustné horninové kapsli a tam byly zachyceny. Na rozdíl od metanu, který se reformuje ve velkých množstvích, se vyšší alkany (alkany s 9 nebo více atomy uhlíku) v přírodě vyskytují ve velkém množství jen zřídka. Tato ložiska, například ropná pole , vznikala miliony let a jakmile se vyčerpají, nelze je rychle nahradit. Vyčerpání těchto uhlovodíků je základem toho, čemu se říká energetická krize .

Pevné alkany jsou známé jako dehty a vznikají, když se těkavější alkany, jako jsou plyny a olej, odpařují z uhlovodíkových ložisek. Jedno z největších ložisek pevných alkanů je v asfaltovém jezeře známém jako Pitch Lake v Trinidadu a Tobagu .

Metan je také přítomen v tzv. bioplynu , produkovaném zvířaty a rozkládající se hmotě, který je potenciálním obnovitelným zdrojem energie .

Alkany mají nízkou rozpustnost ve vodě; nicméně, u vysokých tlaků a nízkých teplot (takový jak u dna oceánů), metan může co-krystalizovat s vodou tvořit pevný metanový hydrát . Ačkoli to nyní nemůže být komerčně využito, množství energie paliva ze známých polí hydrátů metanu převyšuje energetický obsah všech ložisek ropy a zemního plynu dohromady; metan extrahovaný z klatrátu metanu je pak považován za kandidáta na budoucí paliva.

Biologická hojnost

Ačkoli jsou alkany v přírodě přítomny v různých formách, nejsou biologicky klasifikovány jako základní materiály. V pižmu jsou cykloalkany o velikosti kruhu mezi 14 a 18 atomy uhlíku , extrahované z jelenů z čeledi Moschidae . Všechny další informace se týkají acyklických alkanů.

bakterie a archaea

Metanogenní organismy Archaea v žaludku této krávy jsou zodpovědné za část metanu v zemské atmosféře .

Některé typy bakterií mohou metabolizovat alkany: preferují uhlíkové řetězce sudé délky, protože se snáze rozkládají než řetězce s lichou délkou. Na druhé straně některé archaea , metanogeny , produkují velká množství metanu jako produkt metabolismu oxidu uhličitého a dalších oxidovaných organických sloučenin . Energie se uvolňuje oxidací vodíku :

C02 ₊ 4H2 - _> CH4 + _{2H20 _}

Metanogeny jsou také producenty bažinatého plynu v mokřadech a uvolňují asi dvě miliardy tun metanu ročně – atmosférický obsah tohoto plynu je produkován téměř výhradně jimi. Produkce metanu u skotu a dalších býložravců , kterých se může uvolnit až 150 litrů za den, az termitů je také způsobena metanogeny. Produkují také nejjednodušší alkany v lidském střevě . Methanogenní archaea jsou tak na konci uhlíkového cyklu , uhlík se uvolňuje do atmosféry poté, co byl fixován fotosyntézou . Naše současná ložiska zemního plynu mohla vzniknout podobným způsobem.

houby a rostliny

Voda tvoří kuličky na tenkém filmu alkanového vosku na slupce jablka.

Alkany také hrají roli, i když menší, v biologii všech tří skupin eukaryotických organismů : hub , rostlin a zvířat. Některé specializované kvasinky, jako Candida tropicale , Pichia sp., Rhodotorula sp., mohou využívat alkany jako zdroj uhlíku nebo energie. Houba Amorphotheca resinae preferuje alkany s dlouhým řetězcem v leteckých benzínech a může způsobit vážné problémy letadlům v tropických oblastech. V rostlinách se nacházejí pevné alkany s dlouhým řetězcem; tvoří pevnou vrstvu vosku, kutikulu , na plochách rostlin vystavených vzduchu. Chrání rostlinu před ztrátou vody a zároveň zabraňuje vyplavování důležitých minerálů deštěm. Je to také ochrana před škodlivými bakteriemi , houbami a hmyzem — ten se noří nohama do měkké voskové hmoty a má potíže s pohybem. Lesklý povlak na ovoci, jako jsou jablka , je tvořen alkany s dlouhým řetězcem. Uhlíkové řetězce jsou obecně dlouhé mezi dvaceti a třiceti atomy uhlíku a jsou produkovány rostlinami z mastných kyselin . Přesné složení voskového filmu nezávisí pouze na druhu, ale mění se s ročním obdobím a faktory prostředí, jako jsou světelné podmínky, teplota nebo vlhkost.

Zvířata

Alkany se nacházejí v živočišných produktech, i když jsou méně důležité než nenasycené uhlovodíky. Příkladem je olej ze žraločích jater, který obsahuje asi 14 % pristanu (2,6,10,14-tetramethylpentadekan, C ₁₉ H ₄₀ ). Jeho hojnost je významnější ve feromonech , materiálech, které fungují jako chemické posly, na kterých je založena téměř veškerá komunikace mezi hmyzem. U některých typů, jako je brouk Xylotrechus colonus , se tělesným kontaktem přenášejí hlavně pentakosan (C ₂₅ H ₅₂ ), 3-methylpentaikosan (C ₂₆ H ₅₄ ) a 9-methylpentaikosan (C ₂₆ H _{54 ).} U jiných, jako je moucha tse-tse Glossina morsitans morsitans , feromon obsahuje čtyři alkany 2-methylheptadekan (C ₁₈ H ₃₈ ), 17,21-dimethylheptatriacontan (C ₃₉ H ₈₀ ), 15,19-dimethylheptatriacontane (C ₃₉ H ₈₀ ) a 15,19,23-trimethylheptatriacontan (C ₄₀ H ₈₂ ), a působí čichem na velké vzdálenosti, což je velmi užitečná vlastnost pro hubení škůdců .

Ekologické vztahy

Ophrys sphegodes .

Příkladem, ve kterém hrají roli rostlinné i živočišné alkany, je ekologický vztah mezi včelou Andrena nigroaenea a orchidejí Ophrys sphegodes ; ta druhá závisí při svém opylování na první. Včely Andrena nigroaenea používají feromony k identifikaci partnera; V případě A. nigroaenea samice vydávají směs trikosanu (C ₂₃ H ₄₈ ), pentakosanu (C ₂₅ H ₅₂ ) a heptacosanu (C ₂₇ H ₅₆ ) v poměru 3:3:1 a samci jsou speciálně přitahován touto vůní. Orchidej využívá tohoto uspořádání k páření, aby přiměl včely samce sbírat a šířit její pyl ; nejen jejich květy připomínají tento druh včel, ale také produkují velké množství všech tří alkanů ve stejném poměru jako samice včel A. nigroaenea . Výsledkem je, že mnoho samců je přitahováno květinami a pokouší se kopulovat se svým imaginárním druhem; I když toto chování není u včely korunováno úspěchem, umožňuje orchideji přenést svůj pyl, který se s odchodem frustrovaného samce rozptýlí do jiných květin.

Výroba

Rafinace ropy

Ropná rafinérie v Martinez , Kalifornie .

Nejvýznamnějším zdrojem alkanů je zemní plyn a ropa . Alkany jsou odděleny v ropné rafinérii frakční destilací a zpracovány do mnoha různých produktů.

Fischer–Tropsch

Fischer-Tropschův proces je metoda syntézy kapalných uhlovodíků, včetně alkanů, z oxidu uhelnatého a vodíku . Tato metoda se používá k výrobě náhražek ropných destilátů .

Laboratorní příprava

Obecně je malá potřeba syntetizovat alkany v laboratoři, protože jsou často komerčně dostupné. I z toho důvodu, že alkany jsou obecně chemicky a biologicky málo reaktivní a neprocházejí čistou interkonverzí funkčních skupin. Když jsou alkany vyráběny v laboratoři, je to obvykle vedlejší produkt reakce. Například použití N-butyllithia jako báze vytváří konjugovanou kyselinu, n-butan jako vedlejší produkt:

C4H9Li + H2O → _C4H10 + LiOH _{_ _ _} _ _{_}

Někdy však může být žádoucí převést část molekuly na strukturu s alkanovou funkční skupinou (" alkylová skupina" ) za použití výše uvedených nebo podobných metod. Například ethylová skupina je alkylová skupina; když je připojen k hydroxylové skupině , tvoří ethanol , který není alkan. Chcete-li jej převést na alkan, jednou z nejznámějších metod je hydrogenace alkenů nebo alkynů .

RCH= _CH2 + _H2 → RCH2CH3 ( _{R =} alkyl )

Alkany nebo alkynové skupiny mohou být připraveny přímo z haloalkanů v Corey-House-Posner-Whitesidesově reakci . Barton-McCombie reakce [ ​ odstraňuje hydroxylovou skupinu například z alkoholů

a Clemmensenova redukce ​ nebo Wolff-Kishnerova redukce odstraňují karbonylové skupiny z aldehydů a ketonů za vzniku alkanů nebo substituovaných alkylových sloučenin:

Jiné metody k získání alkanes jsou Wurtz reakce a Kolbe elektrolýza .

Fyzikální vlastnosti alkanů

Bod varu

Body tání (modré) a varu (červené) prvních 14 n -alkanů ve °C.

Alkany podstupují intermolekulární van der Waalsovy síly a když se objeví nižší síly tohoto typu, bod varu se zvyšuje , navíc se alkany vyznačují jednoduchými vazbami. Viz Heneicosan .

Existují dva determinanty velikosti van der Waalsových sil:

• Počet elektronů obklopujících molekulu, který se zvyšuje s molekulovou hmotností alkanu.
• Povrchová plocha molekuly.

Za standardních podmínek jsou alkany od CH ₄ do C ₄ H ₁₀ plyny; od _C5H12 do C17H36 _jsou kapaliny ; _{_ _} a ty po _{C18H38 jsou} pevné . Protože bod varu alkanů je určen především hmotností, nemělo by být překvapením, že body varu mají téměř lineární vztah s molekulovou hmotností molekuly. Stručně řečeno, bod varu se zvyšuje o 20 až 30 °C pro každý atom uhlíku přidaný do řetězce; toto pravidlo platí pro ostatní homologické série. ]

Alkan s přímým řetězcem bude mít vyšší bod varu než alkan s rozvětveným řetězcem, a to kvůli větší povrchové ploše kontaktu, takže mezi sousedními molekulami jsou větší van der Waalsovy síly. Porovnejte například isobutan a n-butan , které vrou při -12 a 0 °C, a 2,2-dimethylbutan a 2,3-dimethylbutan, které vrou při 50 a 58 °C. V druhém případě se dvě molekuly 2,3-dimethylbutanu do sebe „vejdou“ lépe než molekuly 2,2-dimethylbutanu, takže zde působí větší van der Waalsovy síly.

Na druhou stranu, cykloalkany mají tendenci mít vyšší body varu než jejich lineární protějšky, kvůli fixním konformacím molekul, které poskytují roviny pro mezimolekulární kontakt. ^{[ nutná citace ]}

Bod tání

Teplota tání alkanů má podobný trend jako bod varu. To znamená, že (všechny ostatní věci jsou stejné), větší molekula odpovídá vyššímu bodu tání. Mezi body tání a body varu je významný rozdíl: pevné látky mají tužší a pevnější strukturu než kapaliny. Tato tuhá struktura vyžaduje energii, aby se mohla během fúze zlomit. Takže lépe postavené pevné struktury budou vyžadovat více energie pro fúzi. U alkanů je to vidět na výše uvedeném grafu. Alkany s lichou délkou mají mírně nižší teploty tání, než se očekávalo, ve srovnání s alkany sudé délky. Je to proto, že alkany o stejné délce se dobře shromažďují v pevné fázi a vytvářejí dobře organizovanou strukturu, která vyžaduje více energie k rozpadu. Alkany s lichou délkou se balí méně efektivně, takže neuspořádanější balení vyžaduje méně energie k rozpadu. ]

Teploty tání alkanů s rozvětveným řetězcem mohou být vyšší nebo nižší než u alkenů.

Vodivost

Alkany jsou špatnými vodiči elektřiny a nejsou v podstatě polarizovány elektrickým polem .

Rozpustnost ve vodě

Nevytvářejí vodíkové vazby a jsou nerozpustné v polárních rozpouštědlech, jako je voda. Protože vodíkové vazby mezi jednotlivými molekulami vody jsou daleko od jedné molekuly alkanu, vede koexistence alkanu a vody ke zvýšení molekulárního řádu (snížení entropie ). Protože neexistují žádné významné vazby mezi molekulami vody a molekulami alkanu, druhý zákon termodynamiky naznačuje, že toto snížení entropie by bylo minimalizováno minimalizací kontaktu mezi alkanem a vodou: alkany jsou údajně hydrofobní (odpuzují vodu).

Rozpustnost v jiných rozpouštědlech

Jeho rozpustnost v nepolárních rozpouštědlech je relativně dobrá, vlastnost, která se nazývá "lipofilita" . Například různé alkany jsou navzájem mísitelné ve všech ostatních poměrech.

Hustota

Hustota alkanů se obvykle zvyšuje s rostoucím počtem atomů uhlíku, ale zůstává menší než hustota vody. V důsledku toho alkany tvoří horní vrstvu ve směsi alkan-voda.

Molekulární geometrie

^{sp 3} hybridizace v metanu .

Molekulární struktura alkanů přímo ovlivňuje jejich fyzikální a chemické vlastnosti. Je odvozen z elektronové konfigurace uhlíku , který má čtyři valenční elektrony . Atomy uhlíku v alkanech jsou vždy sp ³ hybridizovány , což znamená, že valenční elektrony jsou ve čtyřech ekvivalentních orbitalech, odvozených z kombinace orbitalu 2s a orbitalu 2p. Tyto orbitaly, které mají identické energie, jsou prostorově orientovány ve formě čtyřstěnu s úhlem arccos(-1/3) ≈ 109,47° mezi nimi.

Délky vazeb a úhly vazby

Molekula alkanu má pouze jednoduché vazby C–H a C–C. První z nich jsou výsledkem překrytí sp ³ orbitalu atomu uhlíku s 1s orbitalem atomu vodíku; ten druhý z překrytí dvou sp ³ orbitalů na různých atomech uhlíku. Délka vazby je 1,09× ¹⁰⁻¹⁰  m pro vazbu C–H a 1,54× ¹⁰⁻¹⁰  m pro vazbu C–C.

Tetraedrická struktura metanu.

Prostorové uspořádání vazeb je podobné jako u čtyř sp ³ orbitalů ; jsou uspořádány čtyřstěnně, s úhlem 109,47° mezi nimi. Strukturní vzorec, který představuje vazby jako vzájemné kolmé, i když je společný a užitečný, neodpovídá skutečnosti.

Konformace

Strukturní vzorec a vazebné úhly obvykle nestačí k popisu geometrie molekuly. Pro každou vazbu uhlík-uhlík existuje jeden stupeň volnosti : úhel natočení mezi atomy nebo skupinami připojenými k atomům na každém konci vazby. Prostorové uspořádání popsané úhly zkroucení molekuly je známé jako její konformace .

Newmanovy projekce dvou limitních konformací etanu:: zatmění vlevo, přesazené vpravo.

Kuličkový model dvou rotamerů etanu .

Ethan je nejjednodušší případ pro studium alkanových konformací, protože existuje pouze jedna vazba C – C. Pohled podél vazby C – C dává tzv. Newmanovu projekci . Atomy vodíku na předním atomu uhlíku a na zadním atomu uhlíku mezi sebou svírají úhel 120°, který je výsledkem projekce základny čtyřstěnu na plochý povrch. Avšak úhel natočení mezi daným atomem vodíku na uhlíku nahoře a daným atomem vodíku na uhlíku dole se může volně měnit mezi 0° a 360°. To je důsledek volné rotace kolem vazby uhlík-uhlík. Navzdory této zdánlivé svobodě existují pouze dvě hlavní omezující konformace: zakrytá konformace a posunutá konformace .

Tyto dvě konformace, také známé jako rotamery , se liší energií: posunutá konformace má o 12,6 kJ/mol nižší energii (proto stabilnější) než zakrytá konformace (méně stabilní). Rozdíl v energii mezi dvěma konformacemi, známý jako torzní energie, je nízký ve srovnání s tepelnou energií molekuly etanu při pokojové teplotě. Kolem CC vazby je neustálá rotace. Doba potřebná k tomu, aby molekula ethanu přešla ze střídavé konformace do další, ekvivalentní rotaci jedné skupiny CH ₃ o 120° vzhledem k druhé, je řádově ^10–11  sekund.

Případ vyšších alkanů je složitější, ale je založen na stejných principech, přičemž kolem každé vazby uhlík-uhlík je více upřednostňována antiperiplanární konformace. Z tohoto důvodu alkany často vykazují v diagramech nebo modelech klikaté uspořádání. Skutečná struktura se bude vždy poněkud lišit od těchto idealizovaných tvarů, protože rozdíly v energii mezi konformacemi jsou malé ve srovnání s tepelnou energií molekul: molekuly alkanů nemají pevný strukturní tvar, i když to modely naznačují.

NÁZEV	Vzorec	Pto.Ebu/ nebo C	Fixační bod / nebo C	Hustota g/cm -3 (20, o C )
Metan	CH4 _	-162	-183	plyn
etan	C2H6 _ _ _	-89	-172	plyn
Propan	C3H8 _ _ _	-42	-188	plyn
Butan	C4H10 _ _ _	-0,5	-135	plyn
pentan	C5H12 _ _ _	36	-130	0,626
hexan	C6H14 _ _ _	69	-95	0,659
heptan	C7H16 _ _ _	98	-91	0,684
Oktan	C8H18 _ _ _	126	-57	0,703
Nonane	C9H20 _ _ _	151	-54	0,718
Děkan	C10H22 _ _ _	174	-30	0,730
Undean	C11H24 _ _ _	196	-26	0,740
Dodekane	C12H26 _ _ _	216	-10	0,749
Icosan	C20H42 _ _ _	343	37	pevný

Spektroskopické vlastnosti

Prakticky všechny organické sloučeniny obsahují vazby uhlík-uhlík a uhlík-vodík, takže ve svých spektrech vykazují některé alkanové charakteristiky. Alkany se vyznačují tím, že nemají žádné další skupiny, a tedy „absence“ jiných spektroskopických znaků.

NMR spektroskopie

Protonová rezonance alkanů se obvykle nachází při δH = 0,5 – 1,5 . Rezonance uhlíku-13 závisí na počtu atomů vodíku vázaných na uhlík: δC ₌ 8 – 30 (primární, methyl, -CH ₃ ), 15 – 55 (sekundární, methylen, -CH ₂ -), 20 – 60 ( terciární, methin, CH) a kvartérní. Rezonance uhlíku-13 kvartérních atomů uhlíku je charakteristicky slabá v důsledku chybějícího jaderného Overhauserova efektu a dlouhé relaxační doby a může chybět ve spektrech zředěných vzorků nebo ve kterých nebyl po určitou dobu uložen žádný signál.

Hmotnostní spektrometrie

Alkany mají vysokou ionizační energii a molekulární iont je obecně slabý. Schéma štěpení může být obtížné interpretovat, ale v případě alkanů s rozvětveným řetězcem se uhlíkový řetězec štěpí přednostně na terciárních a kvartérních atomech uhlíku v důsledku relativní stability výsledných volných radikálů . Fragment vzniklý ztrátou pouze jedné methylové skupiny (M-15) obvykle chybí a další fragmenty jsou obvykle rozmístěny v intervalech čtrnácti hmotnostních jednotek, což odpovídá postupné ztrátě skupin _CH2.gg.

Chemické vlastnosti

Alkany obecně vykazují relativně nízkou reaktivitu, protože jejich uhlíkové vazby jsou relativně stabilní a nelze je snadno přerušit. Na rozdíl od mnoha jiných organických sloučenin nemají funkční skupinu .

Jen velmi špatně reagují s iontovými nebo polárními látkami. Konstanta kyselosti pro alkany má hodnoty menší než 60, v důsledku toho jsou prakticky inertní vůči kyselinám a zásadám. Jejich inertnost je zdrojem termínu parafiny (ve významu "nepřizpůsobené"). V ropě zůstávají molekuly alkanů chemicky nezměněné po miliony let.

Nicméně redoxní reakce alkanů, zvláště s kyslíkem a halogeny, jsou možné, protože atomy uhlíku jsou v silně redukovaném stavu; v případě metanu je dosaženo nejnižšího možného oxidačního stavu uhlíku (-4). Reakce s kyslíkem vede k bezdýmnému spalování; s halogeny k substituční reakci . Alkany také interagují a vážou se na určité komplexy přechodných kovů (viz: aktivace vazby uhlík-vodík ).

Volné radikály , molekuly s lichým počtem elektronů, hrají důležitou roli ve většině alkanových reakcí, jako je krakování a reformování, kde se alkany s dlouhým řetězcem přeměňují na alkany s krátkým řetězcem a alkany s přímým řetězcem na rozvětvené izomery.

U vysoce rozvětvených alkanů se může vazebný úhel výrazně lišit od optimální hodnoty (109,47°), aby byl různým skupinám poskytnut dostatek prostoru. To způsobuje napětí na molekule známé jako "sterická zábrana" a může podstatně zvýšit reaktivitu.

Reakce s kyslíkem

Všechny alkany reagují s kyslíkem při spalovací reakci , i když se zapálením s rostoucím počtem atomů uhlíku je obtížnější. Obecná rovnice pro úplné spalování je:

_CnH2n + ₂ + ₍ 1,5 n +0,5 ) 02 _→ ( _{n +1} ) H20 ₊ nCO2

V nepřítomnosti dostatečného množství kyslíku se může tvořit oxid uhelnatý nebo dokonce saze , jak je znázorněno níže:

CnH ( _2n + ₂₎ + ½ n02 → (n+ 1 ₎ H2 ₊ nCO

například metan :

CH4 + _2O2 → CO2 + _{2H2O _ _}

CH4 + 02 _- > CO _{+ 2H20}

Podrobné informace najdete v tabulce formovacího tepla pro alkany .

Standardní změna entalpie spalování , ΔcHo _{, pro} alkany se zvyšuje přibližně ^o 650 kJ/mol pro každou skupinu CH2 _v homologické řadě. Alkany s rozvětveným řetězcem mají nižší hodnoty ΔcH o než alkany s _přímým ^řetězcem se stejným počtem atomů uhlíku, takže je lze považovat za poněkud stabilnější.

Reakce s halogeny

Alkany reagují s halogeny v takzvané radikálové halogenační reakci . Atomy vodíku alkanu jsou postupně nahrazovány atomy halogenu. Volné radikály jsou druhy, které se účastní reakce, která obecně vede ke směsi produktů. Reakce je vysoce exotermická a může vést k explozi.

Tyto reakce jsou důležitou průmyslovou cestou pro halogenované uhlovodíky.

Experimenty ukázaly, že veškerá halogenace vytváří směs všech možných izomerů, což ukazuje, že všechny atomy vodíku jsou schopné reakce. Vytvořená směs však není statistickou směsí: atomy vodíku druhý bromát propan: ]

Praskání

Praskání rozbíjí velké molekuly na menší jednotky. Tato operace může být provedena tepelnou metodou nebo katalytickou metodou. Proces tepelného krakování sleduje mechanismus homolytické reakce s tvorbou volných radikálů . Proces katalytického krakování zahrnuje přítomnost kyselého katalyzátoru (obecně pevných kyselin, jako je oxid křemičitý-oxid hlinitý a zeolity ), které podporují heterolýzu (asymetrické štěpení) vazeb za vzniku párů opačně nabitých iontů , obecně karbokationtu a aniontu . , který je velmi nestabilní.

Alkylové volné radikály a karbokationty jsou vysoce nestabilní, podléhají procesům přeskupování řetězců a štěpení vazby C-C v poloze beta , navíc k intramolekulárním a extramolekulárním přenosům vodíku nebo hydridu . V obou typech procesů jsou meziprodukty (radikály, ionty) trvale regenerovány, takže probíhají mechanismem řetězového samopropagace . Nakonec řetězec reakcí končí rekombinací iontů nebo radikálů.

Izomerizace a reformování

Izomerizace a reformování jsou procesy, při kterých se alkany s přímým řetězcem zahřívají v přítomnosti platinového katalyzátoru . Při izomeraci se alkany převádějí na jejich izomery s rozvětveným řetězcem. Při reformování se alkany převádějí na své cyklické formy nebo na aromatické uhlovodíky , přičemž se jako vedlejší produkt uvolňuje vodík. Oba procesy zvyšují oktanové číslo látky.

Další reakce

Alkany reagují s párou v přítomnosti niklového katalyzátoru za vzniku vodíku . Alkany mohou být chlorsulfonovány a nitrovány , ačkoli obě reakce vyžadují zvláštní podmínky. Technický význam má fermentace alkanů na karboxylové kyseliny . V Reedově reakci oxid siřičitý a chlor přeměňují uhlovodíky na sulfonylchloridy v procesu vyvolaném světlem.

Aplikace

Aplikace alkanů lze poměrně dobře určit podle počtu atomů uhlíku. První čtyři alkany se používají především pro účely vytápění a vaření a v některých zemích pro výrobu elektřiny. Metan a ethan jsou hlavními složkami zemního plynu ; Obvykle se skladují jako plyny pod tlakem. Je však jednodušší je přepravovat v kapalném stavu, což vyžaduje kompresi a chlazení plynu.

Propan a butan mohou být kapalné při mírně nízkých tlacích a jsou známé jako zkapalněné ropné plyny (LPG). Například propan se používá v propanovém hořáku, butan v jednorázových zapalovačích cigaret. Tyto dva alkany se také používají jako pohonné látky ve sprejích . Od pentanu po oktan jsou alkany přiměřeně těkavé kapaliny. Používají se jako paliva ve spalovacích motorech , protože se mohou při vstupu do spalovací komory rychle odpařovat, aniž by tvořily kapky, které by narušovaly rovnoměrnost spalování. Výhodné jsou alkany s rozvětveným řetězcem, protože jsou méně náchylné k předčasnému vznícení, které způsobuje klepání motoru, než jejich analogy s přímým řetězcem. Tato náchylnost k předčasnému vznícení se měří oktanovým číslem paliva, kde 2,2,4-trimethylpentan ( isooktan ) má libovolnou hodnotu 100 a heptan má hodnotu nula. Kromě jejich použití jako paliva jsou střední alkany dobrými rozpouštědly pro nepolární látky.

Alkany počínaje hexadekanem tvoří nejdůležitější složky topného oleje a mazacího oleje . Jejich funkcí je také působit jako antikorozní činidla, protože jejich hydrofobní povaha znamená, že voda se nemůže dostat na kovový povrch. Mnoho pevných alkanů najde použití jako parafínový vosk , například ve svíčkách. Toto nelze zaměňovat s pravým voskem , který sestává především z esterů .

Alkany s délkou řetězce asi 35 a více atomů uhlíku se nacházejí v bitumenu , který se používá například na dláždění silnic. Vyšší alkany však mají malou hodnotu a obvykle se rozkládají na nižší alkany praskáním .

Některé syntetické polymery , jako je polyethylen a polypropylen , jsou alkany s řetězci obsahujícími stovky tisíc atomů uhlíku. Tyto materiály se používají v nesčetných aplikacích a ročně se vyrobí a použijí miliony tun těchto materiálů.

Rizika

Metan je ve směsi se vzduchem (1-8 % CH ₄ ) výbušný a je velmi silným činitelem při skleníkovém efektu . Jiné minoritní alkany také tvoří výbušné směsi se vzduchem. Lehké kapalné alkany jsou vysoce hořlavé, i když toto riziko klesá s rostoucí délkou uhlíkového řetězce. Pentan, hexan, heptan a oktan jsou klasifikovány jako nebezpečné a škodlivé pro životní prostředí . Izomer hexanu s přímým řetězcem je neurotoxin .

Viz také

• alken
• alkyn
• půjčím
• cykloalkan
• organická chemie
• Alifatický uhlovodík
• konopí

Externí odkazy

• Wikimedia Commons má mediální galerii na Alkane .
• Dokument Sinorg UJI o alkanech