Alkany neboli parafinické uhlovodíky jsou nejjednodušší ze všech tříd organických sloučenin. Jejich hlavní charakteristikou je přítomnost v molekule pouze jednoduchých nebo nasycených vazeb, odtud pochází další název - nasycené uhlovodíky. Kromě dobře známé ropy a plynu se alkany nacházejí také v mnoha rostlinných a živočišných tkáních: například feromony mušek tse-tse jsou alkany obsahující ve svých řetězcích 18, 39 a 40 atomů uhlíku; alkany se také nacházejí ve velkém množství v horní ochranné vrstvě rostlin (kutikule).
Obecné informace
Alkany patří do třídy uhlovodíků. To znamená, že ve vzorci jakékoli sloučeniny bude přítomen pouze uhlík (C) a vodík (H). Jediný rozdíl je v tom, že všechny vazby v molekule jsou jednoduché. Valence uhlíku je 4, proto bude jeden atom ve sloučenině vždy vázán ke čtyřem dalším atomům. Navíc alespoň jedna vazba bude typu uhlík-uhlík a zbytek může být jak uhlík-uhlík, tak uhlík-vodík (valence vodíku je 1, takže přemýšlejte o vazbách vodík-vodíkzakázáno). Podle toho se atom uhlíku, který má pouze jednu vazbu C-C, bude nazývat primární, dvě vazby C-C - sekundární, tři - terciární a čtyři, analogicky, kvartérní.
Pokud zapíšete molekulární vzorce všech alkanů na obrázku, dostanete:
- CH4,
- C2H6,
- C3H8.
a tak dále. Je snadné vytvořit univerzální vzorec, který popisuje jakoukoli sloučeninu této třídy:
C H2n+2.
Toto je obecný vzorec pro parafinické uhlovodíky. Soubor všech možných vzorců pro ně je homologická řada. Rozdíl mezi dvěma nejbližšími členy série je (-CH2-).
Alkanes nomenklatura
Prvním a nejjednodušším z řady nasycených uhlovodíků je metan CH4. Následuje ethan C2H6 se dvěma atomy uhlíku, propan C3H 8, butan C4H10 a od pátého člena homologické řady jsou alkany pojmenovány podle počtu uhlíku atomy v molekule: pentan, hexan, heptan, oktan, nonan, děkan, undekan, dodekan, tridekan a tak dále. Několik uhlíků však může být nazýváno „najednou“pouze tehdy, pokud jsou ve stejném lineárním řetězci. A to není vždy případ.
Tento obrázek ukazuje několik struktur, jejichž molekulární vzorce jsou stejné: C8H18. Máme však tři různá spojení. Takovýjev, kdy existuje několik různých strukturních vzorců pro jeden molekulární vzorec, se nazývá izomerie a sloučeniny se nazývají izomery. Existuje zde izomerie uhlíkového skeletu: to znamená, že se izomery liší v pořadí vazeb uhlík-uhlík v molekule.
Všechny izomery, které nemají lineární strukturu, se nazývají rozvětvené. Jejich nomenklatura je založena na nejdelším souvislém řetězci atomů uhlíku v molekule a „větve“jsou považovány za substituenty jednoho z atomů vodíku na uhlíku z „hlavního“řetězce. Získá se tak 2-methylpropan (isobutan), 2,2-dimethylpropan (neopentan), 2,2,4-trimethylpentan. Číslo označuje uhlíkové číslo hlavního řetězce, za ním následuje počet identických substituentů, poté název substituentu a poté název hlavního řetězce.
Struktura alkanů
Všechny čtyři vazby na atomu uhlíku jsou kovalentní sigma vazby. K vytvoření každého z nich uhlík využívá jeden ze svých čtyř orbitalů na vnější energetické úrovni – 3s (jeden kus), 3p (tři kusy). Očekává se, že vzhledem k tomu, že se na vazbě podílejí různé typy orbitalů, pak by se výsledné vazby měly lišit z hlediska jejich energetických charakteristik. To však není pozorováno - v molekule metanu jsou všechny čtyři stejné.
K vysvětlení tohoto jevu se používá teorie hybridizace. Funguje to následovně: předpokládá se, že kovalentní vazba jsou jakoby dva elektrony (jeden z každého atomu v páru) umístěné přesně mezi vázanými atomy. Například v metanu jsou takové vazby čtyři, takže čtyřipáry elektronů v molekule se budou navzájem odpuzovat. Aby se minimalizovalo toto neustálé tlačení, centrální atom v metanu uspořádá všechny čtyři své vazby tak, aby byly co nejdále od sebe. Současně, pro ještě větší užitek, jakoby smíchá všechny své orbitaly (3s - jedna a 3p - tři), a pak vytvoří čtyři nové identické sp3-hybridní orbitaly z nich. Výsledkem je, že „konce“kovalentních vazeb, na kterých jsou umístěny atomy vodíku, tvoří pravidelný čtyřstěn, v jehož středu je uhlík. Tento ušní trik se nazývá sp3-hybridizace.
Všechny atomy uhlíku v alkanech jsou v sp3-hybridizace.
Fyzikální vlastnosti
Alkany s počtem atomů uhlíku od 1 do 4 - plyny, od 5 do 17 - kapaliny s pronikavým zápachem, podobným vůni benzínu, nad 17 - pevné látky. Teploty varu a tání alkanů se zvyšují se zvyšující se jejich molární hmotností (a v souladu s tím i počtem atomů uhlíku v molekule). Stojí za zmínku, že při stejné molární hmotnosti mají rozvětvené alkany znatelně nižší teploty tání a varu než jejich nerozvětvené izomery. To znamená, že mezimolekulární vazby v nich jsou slabší, takže celková struktura látky je méně odolná vůči vnějším vlivům (a při zahřátí se tyto vazby rychleji rozpadají).
Navzdory takovým rozdílům jsou v průměru všechny alkany extrémně nepolární: prakticky se nerozpouštějí ve vodě (a voda je polární rozpouštědlo). Ale oni samijako nepolární rozpouštědla se aktivně používají nenasycené uhlovodíky z těch, které jsou za normálních podmínek kapalné. Takto se používá n-hexan, n-heptan, n-oktan a další.
Chemické vlastnosti
Alkany jsou neaktivní: dokonce ve srovnání s jinými organickými látkami reagují s extrémně omezeným seznamem činidel. V zásadě se jedná o reakce, které probíhají podle radikálního mechanismu: chlorace, bromace, nitrace, sulfonace a tak dále. Klasickým příkladem řetězových reakcí je chlorace metanu. Jeho podstata je následující.
Chemická řetězová reakce se skládá z několika fází.
- nejprve se zrodí řetězec – objeví se první volné radikály (v tomto případě se tak děje působením fotonů);
- Dalším krokem je vývoj řetězce. V jeho průběhu vznikají nové látky, které jsou výsledkem interakce nějakého volného radikálu a molekuly; tím se uvolňují nové volné radikály, které zase reagují s jinými molekulami a tak dále;
- když se dva volné radikály srazí a vytvoří novou látku, dojde k přerušení řetězce – nevznikají žádné nové volné radikály a reakce se v této větvi rozpadá.
Meziprodukty reakce jsou zde oba chlormethan CH3Cl a dichlormethan CH2Cl2a trichlormethan (chloroform) CHCl3 a chlorid uhličitý CCl4. To znamená, že radikálové mohou zaútočit na kohokoli: jak na samotný metan, tak nameziprodukty reakce, stále více nahrazují vodík halogenem.
Nejdůležitější reakcí pro průmysl je izomerace parafinických uhlovodíků. V jejím průběhu se z nerozvětvených alkanů získávají jejich rozvětvené izomery. Tím se zvyšuje tzv. detonační odolnost směsi – jedna z charakteristik automobilového paliva. Reakce se provádí na katalyzátoru chloridu hlinitého AlCl3 při teplotách kolem 300oC.
Spalování alkanů
Od základní školy mnozí vědí, že jakákoli organická sloučenina hoří za vzniku vody a oxidu uhličitého. Alkany nejsou výjimkou; v tomto případě je však mnohem důležitější něco jiného. Vlastností parafinických uhlovodíků, zejména plynných, je uvolňování velkého množství tepla při spalování. To je důvod, proč se téměř všechna hlavní paliva vyrábějí z parafínů.
Minerály na bázi uhlovodíků
Jsou to pozůstatky starých živých organismů, které prošly dlouhou cestou chemických změn bez kyslíku. Zemní plyn je v průměru z 95 % tvořen metanem. Zbytek tvoří ethan, propan, butan a drobné nečistoty.
S olejem je všechno mnohem zajímavější. Je to celá skupina nejrozmanitějších tříd uhlovodíků. Hlavní část však zaujímají alkany, cykloalkany a aromatické sloučeniny. Parafinové uhlovodíky olejů jsou rozděleny do frakcí (které zahrnují nenasycené sousedy) podle počtu atomů uhlíku v molekule:
- benzín (5-7С);
- benzín (5-11 C);
- naphtha (8-14 C);
- petrolej (12-18 C);
- plynový olej (16-25 C);
- oleje – topný olej, solární olej, maziva a další (20-70 C).
Podle frakce se ropa používá na různé druhy paliva. Z tohoto důvodu se typy paliv (benzín, ligroin – palivo pro traktory, petrolej – letecké palivo, nafta) shodují s frakční klasifikací parafinických uhlovodíků.
