Alkány alebo parafínové uhľovodíky sú najjednoduchšie zo všetkých tried organických zlúčenín. Ich hlavnou charakteristikou je prítomnosť v molekule iba jednoduchých alebo nasýtených väzieb, odtiaľ pochádza druhý názov - nasýtené uhľovodíky. Okrem dobre známej ropy a plynu sa alkány nachádzajú aj v mnohých rastlinných a živočíšnych tkanivách: napríklad mušie feromóny tse-tse sú alkány obsahujúce vo svojich reťazcoch 18, 39 a 40 atómov uhlíka; alkány sa vo veľkom množstve nachádzajú aj v hornej ochrannej vrstve rastlín (kutikule).
Všeobecné informácie
Alkány patria do triedy uhľovodíkov. To znamená, že vo vzorci akejkoľvek zlúčeniny bude prítomný iba uhlík (C) a vodík (H). Jediný rozdiel je v tom, že všetky väzby v molekule sú jednoduché. Valencia uhlíka je 4, preto bude jeden atóm v zlúčenine vždy viazaný na štyri ďalšie atómy. Navyše, aspoň jedna väzba bude typu uhlík-uhlík a zvyšok môže byť uhlík-uhlík aj uhlík-vodík (valencia vodíka je 1, takže premýšľajte o väzbách vodík-vodíkzakázané). Podľa toho sa atóm uhlíka, ktorý má iba jednu väzbu C-C, bude nazývať primárny, dve väzby C-C - sekundárne, tri - terciárne a štyri, analogicky, kvartérne.
Ak napíšete molekulárne vzorce všetkých alkánov na obrázku, dostanete:
- CH4,
- C2H6,
- C3H8.
a tak ďalej. Je ľahké vytvoriť univerzálny vzorec, ktorý popisuje akúkoľvek zlúčeninu tejto triedy:
C H2n+2.
Toto je všeobecný vzorec pre parafínové uhľovodíky. Súbor všetkých možných vzorcov pre nich je homologický rad. Rozdiel medzi dvoma najbližšími členmi série je (-CH2-).
Nomenklatúra alkánov
Prvým a najjednoduchším zo série nasýtených uhľovodíkov je metán CH4. Nasleduje etán C2H6, ktorý má dva atómy uhlíka, propán C3H 8, bután C4H10 a od piateho člena homologickej série sú alkány pomenované podľa počtu uhlíkov atómy v molekule: pentán, hexán, heptán, oktán, nonán, dekán, undekán, dodekán, tridekán atď. Niekoľko uhlíkov však možno nazvať „naraz“iba vtedy, ak sú v rovnakom lineárnom reťazci. A to nie je vždy tak.
Tento obrázok ukazuje niekoľko štruktúr, ktorých molekulové vzorce sú rovnaké: C8H18. Máme však tri rôzne spojenia. Takétojav, keď existuje niekoľko rôznych štruktúrnych vzorcov pre jeden molekulový vzorec, sa nazýva izoméria a zlúčeniny sa nazývajú izoméry. Existuje tu izoméria uhlíkového skeletu: to znamená, že izoméry sa líšia v poradí väzieb uhlík-uhlík v molekule.
Všetky izoméry, ktoré nemajú lineárnu štruktúru, sa nazývajú rozvetvené. Ich nomenklatúra je založená na najdlhšom súvislom reťazci atómov uhlíka v molekule a „vetvy“sa považujú za substituenty jedného z atómov vodíka na uhlíku z „hlavného“reťazca. Tak sa získa 2-metylpropán (izobután), 2,2-dimetylpropán (neopentán), 2,2,4-trimetylpentán. Číslo označuje uhlíkové číslo hlavného reťazca, za ktorým nasleduje počet identických substituentov, potom názov substituentu a potom názov hlavného reťazca.
Alkánová štruktúra
Všetky štyri väzby na atóme uhlíka sú kovalentné sigma väzby. Na vytvorenie každého z nich uhlík využíva jeden zo svojich štyroch orbitálov na vonkajšej energetickej úrovni – 3s (jeden kus), 3p (tri kusy). Očakáva sa, že keďže sa na väzbe podieľajú rôzne typy orbitálov, výsledné väzby by mali byť odlišné z hľadiska ich energetických charakteristík. To však nie je pozorované - v molekule metánu sú všetky štyri rovnaké.
Na vysvetlenie tohto javu sa používa teória hybridizácie. Funguje to nasledovne: predpokladá sa, že kovalentná väzba sú akoby dva elektróny (jeden z každého atómu v páre) umiestnené presne medzi viazanými atómami. Napríklad v metáne sú štyri takéto väzby, teda štyripáry elektrónov v molekule sa budú navzájom odpudzovať. Aby sa minimalizovalo toto neustále tlačenie, centrálny atóm metánu usporiada všetky štyri svoje väzby tak, aby boli od seba čo najďalej. Zároveň, pre ešte väčší úžitok, zmieša všetky svoje orbitály (3s - jedna a 3p - tri), potom vytvorí štyri nové identické sp3-hybridné orbitály z nich. Výsledkom je, že „konce“kovalentných väzieb, na ktorých sa nachádzajú atómy vodíka, tvoria pravidelný štvorsten, v strede ktorého je uhlík. Tento ušný trik sa nazýva sp3-hybridizácia.
Všetky atómy uhlíka v alkánoch sú v sp3-hybridizácia.
Fyzikálne vlastnosti
Alkány s počtom atómov uhlíka od 1 do 4 - plyny, od 5 do 17 - kvapaliny s prenikavým zápachom, podobným zápachu benzínu, nad 17 - pevné látky. Teploty varu a topenia alkánov sa zvyšujú so zvyšujúcou sa ich molárnou hmotnosťou (a teda počtom atómov uhlíka v molekule). Stojí za to povedať, že pri rovnakej molárnej hmotnosti majú rozvetvené alkány výrazne nižšie teploty topenia a varu ako ich nerozvetvené izoméry. To znamená, že medzimolekulové väzby v nich sú slabšie, takže celková štruktúra látky je menej odolná voči vonkajším vplyvom (a pri zahriatí sa tieto väzby rýchlejšie rozpadajú).
Napriek takýmto rozdielom sú v priemere všetky alkány extrémne nepolárne: prakticky sa nerozpúšťajú vo vode (a voda je polárne rozpúšťadlo). Ale oni saminenasýtené uhľovodíky z tých, ktoré sú za normálnych podmienok kvapalné, sa aktívne používajú ako nepolárne rozpúšťadlá. Takto sa používa n-hexán, n-heptán, n-oktán a iné.
Chemické vlastnosti
Alkány sú neaktívne: dokonca v porovnaní s inými organickými látkami reagujú s extrémne obmedzeným zoznamom činidiel. V podstate ide o reakcie, ktoré prebiehajú podľa radikálneho mechanizmu: chlorácia, bromácia, nitrácia, sulfonácia atď. Klasickým príkladom reťazových reakcií je chlorácia metánu. Jeho podstata je nasledovná.
Chemická reťazová reakcia pozostáva z niekoľkých fáz.
- najprv sa zrodí reťazec – objavia sa prvé voľné radikály (v tomto prípade sa to deje pôsobením fotónov);
- Ďalším krokom je rozvoj reťazca. V jeho priebehu vznikajú nové látky, ktoré sú výsledkom interakcie nejakého voľného radikálu a molekuly; toto uvoľňuje nové voľné radikály, ktoré následne reagujú s inými molekulami atď.;
- keď sa dva voľné radikály zrazia a vytvoria novú látku, dôjde k prerušeniu reťazca – nevytvoria sa žiadne nové voľné radikály a reakcia sa v tejto vetve rozpadne.
Medziprodukty reakcie sú tu chlórmetán CH3Cl a dichlórmetán CH2Cl2a trichlórmetán (chloroform) CHCl3 a chlorid uhličitý CCI4. To znamená, že radikáli môžu zaútočiť na kohokoľvek: na samotný metán ajmedziprodukty reakcie, čím viac a viac nahrádza vodík halogénom.
Najdôležitejšou reakciou pre priemysel je izomerizácia parafínových uhľovodíkov. V jej priebehu sa z nerozvetvených alkánov získavajú ich rozvetvené izoméry. To zvyšuje takzvanú detonačnú odolnosť zmesi - jednu z charakteristík automobilového paliva. Reakcia sa uskutočňuje na katalyzátore chloridu hlinitého AlCl3 pri teplotách okolo 300oC.
Spaľovanie alkánov
Už od základnej školy mnohí vedeli, že každá organická zlúčenina horí za vzniku vody a oxidu uhličitého. Alkány nie sú výnimkou; v tomto prípade je však oveľa dôležitejšie niečo iné. Vlastnosťou parafínových uhľovodíkov, najmä plynných uhľovodíkov, je uvoľňovanie veľkého množstva tepla pri spaľovaní. To je dôvod, prečo sa takmer všetky hlavné palivá vyrábajú z parafínov.
Minerály na báze uhľovodíkov
Toto sú pozostatky starých živých organizmov, ktoré prešli dlhou cestou chemických zmien bez kyslíka. Zemný plyn tvorí v priemere 95 % metánu. Zvyšok tvorí etán, propán, bután a drobné nečistoty.
S olejom je všetko oveľa zaujímavejšie. Je to celý rad najrozmanitejších tried uhľovodíkov. Ale hlavnú časť zaberajú alkány, cykloalkány a aromatické zlúčeniny. Parafínové uhľovodíky olejov sú rozdelené do frakcií (ktoré zahŕňajú nenasýtených susedov) podľa počtu atómov uhlíka v molekule:
- benzín (5-7С);
- benzín (5-11 C);
- nafta (8-14 C);
- kerozín (12-18 C);
- plynový olej (16-25 C);
- oleje – vykurovací olej, solárny olej, mazivá a iné (20-70 C).
Podľa frakcie sa ropa používa na rôzne druhy paliva. Z tohto dôvodu sa typy palív (benzín, ligroín – palivo pre traktory, petrolej – letecké palivo, nafta) zhodujú s frakčnou klasifikáciou parafínových uhľovodíkov.
