Alkanai arba parafininiai angliavandeniliai yra paprasčiausi iš visų organinių junginių klasių. Jų pagrindinė charakteristika yra tik pavienių arba sočiųjų jungčių buvimas molekulėje, taigi ir kitas pavadinimas - sotieji angliavandeniliai. Be gerai žinomos naftos ir dujų, alkanų taip pat yra daugelyje augalų ir gyvūnų audinių: pavyzdžiui, cetse musių feromonai yra alkanai, kurių grandinėse yra 18, 39 ir 40 anglies atomų; alkanų dideliais kiekiais randama ir viršutiniame apsauginiame augalų sluoksnyje (odelėse).
Bendra informacija
Alkanai priklauso angliavandenilių klasei. Tai reiškia, kad bet kurio junginio formulėje bus tik anglis (C) ir vandenilis (H). Vienintelis skirtumas yra tas, kad visi ryšiai molekulėje yra pavieniai. Anglies valentingumas yra 4, todėl vienas junginio atomas visada bus prijungtas prie keturių kitų atomų. Be to, bent viena jungtis bus anglies-anglies tipo, o likusioji gali būti ir anglis-anglis, ir anglis-vandenilis (vandenilio valentingumas yra 1, todėl pagalvokite apie vandenilio-vandenilio ryšiusdraudžiama). Atitinkamai, anglies atomas, turintis tik vieną C-C ryšį, bus vadinamas pirminiu, du C-C ryšiai - antriniais, trys - tretiniais ir keturi, pagal analogiją, ketvirtiniu.
Jei užrašysite visų paveiksle esančių alkanų molekulines formules, gausite:
- CH4,
- C2H6,
- C3H8.
ir pan. Nesunku sukurti universalią formulę, apibūdinančią bet kurį šios klasės junginį:
C H2n+2.
Tai yra bendroji parafininių angliavandenilių formulė. Visų galimų jų formulių rinkinys yra homologinė eilutė. Skirtumas tarp dviejų artimiausių serijos narių yra (-CH2-).
Alkanų nomenklatūra
Pirmasis ir paprasčiausias sočiųjų angliavandenilių serijos yra metanas CH4. Toliau seka etanas C2H6, turintis du anglies atomus, propanas C3H 8, butanas C4H10, o iš penktojo homologinės serijos nario alkanai įvardijami pagal anglies skaičių molekulėje esantys atomai: pentanas, heksanas, heptanas, oktanas, nonanas, dekanas, undekanas, dodekanas, tridekanas ir kt. Tačiau keli anglies atomai gali būti vadinami „iš karto“tik tuo atveju, jei jie yra toje pačioje linijinėje grandinėje. Ir taip būna ne visada.
Šiame paveikslėlyje pavaizduotos kelios struktūros, kurių molekulinės formulės yra vienodos: C8H18. Tačiau turime tris skirtingus ryšius. Toksreiškinys, kai vienai molekulinei formulei yra kelios skirtingos struktūrinės formulės, vadinamas izomerija, o junginiai – izomerais. Čia yra anglies skeleto izomerija: tai reiškia, kad izomerai skiriasi anglies-anglies jungčių molekulėje tvarka.
Visi izomerai, kurie neturi linijinės struktūros, vadinami šakotais. Jų nomenklatūra pagrįsta ilgiausia ištisine anglies atomų grandine molekulėje, o „šakos“laikomos vieno iš vandenilio atomų pakaitais prie anglies iš „pagrindinės“grandinės. Taip gaunamas 2-metilpropanas (izobutanas), 2,2-dimetilpropanas (neopentanas), 2,2,4-trimetilpentanas. Skaičius nurodo pagrindinės grandinės anglies atomų skaičių, po kurio nurodomas identiškų pakaitų skaičius, tada pakaito pavadinimas, tada pagrindinės grandinės pavadinimas.
Alkanų struktūra
Visi keturi ryšiai prie anglies atomo yra kovalentiniai sigma ryšiai. Kiekvienai iš jų suformuoti anglis naudoja vieną iš keturių savo orbitalių išoriniame energijos lygyje – 3s (vienas gabalas), 3p (trys gabalai). Tikimasi, kad kadangi sujungime dalyvauja skirtingų tipų orbitalės, susidarančios jungtys turėtų skirtis savo energetinėmis savybėmis. Tačiau to nepastebėta – metano molekulėje visi keturi yra vienodi.
Šiam reiškiniui paaiškinti naudojama hibridizacijos teorija. Tai veikia taip: daroma prielaida, kad kovalentinis ryšys yra tarsi du elektronai (po vieną iš kiekvieno poros atomo), išsidėstę tiksliai tarp surištų atomų. Pavyzdžiui, metane yra keturios tokios jungtys, taigi keturioselektronų poros molekulėje atstums viena kitą. Siekiant sumažinti šį nuolatinį stūmimą, metano centrinis atomas visas keturias savo jungtis išdėsto taip, kad jos būtų kuo toliau viena nuo kitos. Tuo pačiu metu, siekdamas dar didesnės naudos, jis tarsi sumaišo visas savo orbitales (3s - vieną ir 3p - tris), tada sukuria keturias naujas identiškas sp3-hibridines orbitales. iš jų. Dėl to kovalentinių ryšių „galai“, ant kurių išsidėstę vandenilio atomai, sudaro taisyklingą tetraedrą, kurio viduryje yra anglis. Šis ausų triukas vadinamas sp3-hibridizacija.
Visi alkanuose esantys anglies atomai yra sp3-hibridizacijoje.
Fizikinės savybės
Alkanai, kurių anglies atomų skaičius yra nuo 1 iki 4 – dujos, nuo 5 iki 17 – aštraus kvapo skysčiai, panašūs į benzino kvapą, daugiau nei 17 – kietos medžiagos. Alkanų virimo ir lydymosi temperatūra didėja, kai didėja jų molinė masė (ir atitinkamai anglies atomų skaičius molekulėje). Verta pasakyti, kad esant tokiai pačiai molinei masei, šakotieji alkanai turi pastebimai žemesnę lydymosi ir virimo temperatūrą nei jų nešakotieji izomerai. Tai reiškia, kad tarpmolekuliniai ryšiai juose yra silpnesni, todėl bendra medžiagos struktūra yra mažiau atspari išorės poveikiui (o kaitinant šie ryšiai greičiau suyra).
Nepaisant tokių skirtumų, vidutiniškai visi alkanai yra itin nepoliniai: jie praktiškai netirpsta vandenyje (o vanduo yra polinis tirpiklis). Bet patysnesotieji angliavandeniliai iš tų, kurie normaliomis sąlygomis yra skysčiai, aktyviai naudojami kaip nepoliniai tirpikliai. Taip naudojamas n-heksanas, n-heptanas, n-oktanas ir kiti.
Cheminės savybės
Alkanai yra neaktyvūs: net palyginti su kitomis organinėmis medžiagomis, jie reaguoja su labai ribotu reagentų sąrašu. Iš esmės tai reakcijos, vykstančios pagal radikalų mechanizmą: chlorinimas, brominimas, nitrinimas, sulfoninimas ir pan. Metano chlorinimas yra klasikinis grandininių reakcijų pavyzdys. Jo esmė tokia.
Cheminė grandininė reakcija susideda iš kelių etapų.
- pirmiausia gimsta grandinė – atsiranda pirmieji laisvieji radikalai (šiuo atveju tai vyksta veikiant fotonams);
- Kitas žingsnis yra grandinės kūrimas. Jo metu susidaro naujos medžiagos, kurios yra kurio nors laisvojo radikalo ir molekulės sąveikos rezultatas; tai išskiria naujus laisvuosius radikalus, kurie savo ruožtu reaguoja su kitomis molekulėmis ir pan.;
- duviems laisviesiems radikalams susidūrus ir suformuojant naują medžiagą, grandinė nutrūksta – nesusidaro nauji laisvieji radikalai, o reakcija šioje šakoje suyra.
Tarpiniai reakcijos produktai čia yra chlormetanas CH3Cl ir dichlormetanas CH2Cl2ir trichlormetanas (chloroformas) CHCl3 ir anglies tetrachloridas CCl4. Tai reiškia, kad radikalai gali pulti bet ką: ir patį metaną, irtarpiniai reakcijos produktai, vis dažniau vandenilį pakeičiantys halogenu.
Svarbiausia pramonės reakcija yra parafininių angliavandenilių izomerizacija. Jo metu jų šakotieji izomerai gaunami iš nešakotų alkanų. Tai padidina vadinamąjį junginio atsparumą detonacijai – vieną iš automobilių degalų savybių. Reakcija vykdoma naudojant aliuminio chlorido katalizatorių AlCl3, esant maždaug 300°C. temperatūrai.
Alkanų deginimas
Nuo pradinės mokyklos laikų daugelis žinojo, kad bet koks organinis junginys sudegina vandenį ir anglies dioksidą. Alkanai nėra išimtis; tačiau šiuo atveju daug svarbiau yra kas kita. Parafininių angliavandenilių, ypač dujinių, savybė – degimo metu išsiskiria didelis šilumos kiekis. Štai kodėl beveik visi pagrindiniai degalai gaminami iš parafinų.
Angliavandenilių pagrindu pagaminti mineralai
Tai senovės gyvų organizmų, praėję ilgą cheminių pokyčių kelią be deguonies, liekanos. Gamtinės dujos yra vidutiniškai 95% metano. Likusi dalis yra etanas, propanas, butanas ir nedidelės priemaišos.
Su aliejumi viskas daug įdomiau. Tai daugybė pačių įvairiausių angliavandenilių klasių. Tačiau didžiąją dalį užima alkanai, cikloalkanai ir aromatiniai junginiai. Alyvų parafininiai angliavandeniliai skirstomi į frakcijas (kuriose yra nesočiųjų kaimynų) pagal anglies atomų skaičių molekulėje:
- benzinas (5-7С);
- benzinas (5–11 C);
- naftos (8–14 C);
- žibalas (12–18 C);
- gazolis (16–25 C);
- alyvos – mazutas, saulės energija, tepalai ir kiti (20-70 C).
Pasak frakcijos, žalia nafta naudojama įvairių rūšių kurui. Dėl šios priežasties kuro rūšys (benzinas, ligroinas – traktoriaus degalai, žibalas – reaktyvinis kuras, dyzelinas) sutampa su parafininių angliavandenilių daliniu klasifikavimu.
