Alkany to podstawowa grupa związków organicznych. Są to węglowodory nasycone. Oznacza to, że składają się wyłącznie z atomów węgla (C) i wodoru (H). Wszystkie wiązania między atomami węgla są pojedyncze.
Zrozumienie właściwości alkanów jest kluczowe. Ułatwia to poznanie chemii organicznej. Wiedza ta znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach. Należą do nich przemysł, medycyna i nauka o materiałach.
Właściwości Fizyczne Alkanów
Właściwości fizyczne alkanów zmieniają się wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego. Krótkie alkany, takie jak metan (CH4) i etan (C2H6), są gazami w temperaturze pokojowej. Alkany o średniej długości, np. pentaan (C5H12) do heksadekan (C16H34), są cieczami. Długie alkany, zawierające więcej niż 16 atomów węgla, są ciałami stałymi.
Temperatura Wrzenia i Topnienia
Temperatura wrzenia i topnienia alkanów rośnie wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej. Jest to spowodowane wzrostem sił van der Waalsa. Te siły, zwane też siłami dyspersyjnymi Londona, występują międzycząsteczkowo. Im większa cząsteczka, tym silniejsze te siły. Potrzeba więc więcej energii, aby je pokonać, co podnosi temperaturę wrzenia i topnienia. Rozgałęzione alkany mają zwykle niższą temperaturę wrzenia niż alkany o prostym łańcuchu o podobnej masie cząsteczkowej. Rozgałęzienia utrudniają bliskie upakowanie cząsteczek, co osłabia siły van der Waalsa.
Rozpuszczalność
Alkany są niepolarne. Nie rozpuszczają się w wodzie, która jest polarna. Dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, np. w benzenie lub eterze. "Podobne rozpuszcza się w podobnym" to ogólna zasada dotycząca rozpuszczalności. Związki niepolarne dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych.
Gęstość
Gęstość alkanów rośnie wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej. Jednak gęstość alkanów jest zawsze mniejsza od gęstości wody. Dlatego oleje i woski (składające się głównie z alkanów) unoszą się na powierzchni wody.
Właściwości Chemiczne Alkanów
Alkany są stosunkowo niereaktywne. Wynika to z mocnych wiązań C-C i C-H. Ponadto, różnica elektroujemności między węglem i wodorem jest niewielka. Powoduje to, że wiązania są mało polarne. Mimo to, alkany ulegają kilku ważnym reakcjom.
Spalanie
Spalanie to najważniejsza reakcja alkanów. W obecności tlenu (O2) alkany spalają się, tworząc dwutlenek węgla (CO2) i wodę (H2O). Reakcja ta wydziela dużą ilość energii w postaci ciepła. Dlatego alkany są powszechnie stosowane jako paliwa. Na przykład, metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego, a propan jest stosowany w butlach gazowych.
Całkowite spalanie alkanów wymaga dostatecznej ilości tlenu. Jeśli tlenu jest za mało, zachodzi niecałkowite spalanie. Powstaje wtedy tlenek węgla (CO), który jest silnie trujący, lub węgiel (C) w postaci sadzy.
Chlorowanie i Bromowanie
Alkany mogą reagować z halogenami, takimi jak chlor (Cl2) i brom (Br2). Reakcja ta nazywana jest halogenowaniem. Zachodzi ona w obecności światła lub wysokiej temperatury. Atom wodoru w alkanie zostaje zastąpiony atomem halogenu. Jest to reakcja łańcuchowa. Oznacza to, że rozpoczyna się od etapu inicjacji, następnie następuje propagacja, a na końcu terminacja. Produktem reakcji jest mieszanina różnych halogenopochodnych alkanów.
Reaktywność halogenów maleje w kolejności: fluor (F2) > chlor (Cl2) > brom (Br2) > jod (I2). Fluor reaguje bardzo gwałtownie. Jod reaguje bardzo powoli lub wcale.
Kraking
Kraking to proces rozkładu długich łańcuchów węglowodorowych na krótsze. Odbywa się to pod wpływem wysokiej temperatury lub katalizatora. Kraking jest ważnym procesem w przemyśle petrochemicznym. Umożliwia otrzymywanie benzyny i innych cennych produktów z ropy naftowej.
Istnieją różne rodzaje krakingu, np. kraking termiczny i kraking katalityczny. Kraking termiczny zachodzi w wysokiej temperaturze bez udziału katalizatora. Kraking katalityczny zachodzi w niższej temperaturze w obecności katalizatora, np. glinokrzemianu.
Izomeryzacja
Izomeryzacja to proces przekształcania alkanu o prostym łańcuchu w alkan o rozgałęzionym łańcuchu. Odbywa się to w obecności katalizatora, np. chlorku glinu (AlCl3). Izomeryzacja poprawia właściwości paliw. Rozgałęzione alkany mają wyższą liczbę oktanową niż alkany o prostym łańcuchu.
Liczba oktanowa to miara odporności paliwa na spalanie stukowe w silniku spalinowym. Im wyższa liczba oktanowa, tym lepsza jakość paliwa.
Zastosowania Alkanów
Alkany mają szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach. Są używane jako paliwa, rozpuszczalniki, surowce do produkcji tworzyw sztucznych i smary. Metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego, wykorzystywanego do ogrzewania i produkcji energii elektrycznej. Propan i butan są używane w butlach gazowych i zapalniczkach. Benzyna, składająca się z mieszaniny alkanów, jest używana jako paliwo w samochodach. Długie alkany, takie jak woski parafinowe, są używane do produkcji świec i kosmetyków.
Zrozumienie właściwości fizycznych i chemicznych alkanów pozwala na efektywne wykorzystanie tych związków w różnych zastosowaniach. Pozwala również na rozwój nowych technologii i materiałów.
