Alkāni jeb parafīnu ogļūdeņraži ir vienkāršākie no visām organisko savienojumu klasēm. To galvenā īpašība ir tikai atsevišķu vai piesātināto saišu klātbūtne molekulā, tāpēc otrs nosaukums - piesātinātie ogļūdeņraži. Papildus labi zināmajai naftai un gāzei alkāni ir sastopami arī daudzos augu un dzīvnieku audos: piemēram, cetse mušu feromoni ir alkāni, kuru ķēdēs ir 18, 39 un 40 oglekļa atomi; alkāni lielos daudzumos ir atrodami arī augu augšējā aizsargslānī (kutikulā).
Vispārīga informācija
Alkāni pieder ogļūdeņražu klasei. Tas nozīmē, ka jebkura savienojuma formulā būs tikai ogleklis (C) un ūdeņradis (H). Vienīgā atšķirība ir tā, ka visas saites molekulā ir atsevišķas. Oglekļa valence ir 4, tāpēc viens savienojuma atoms vienmēr būs saistīts ar četriem citiem atomiem. Turklāt vismaz viena saite būs oglekļa-oglekļa tipa, bet pārējās var būt gan ogleklis-ogleklis, gan ogleklis-ūdeņradis (ūdeņraža valence ir 1, tāpēc padomājiet par ūdeņraža-ūdeņraža saitēmaizliegts). Attiecīgi oglekļa atoms, kuram ir tikai viena C-C saite, tiks saukts par primāro, divas C-C saites - par sekundāro, trīs - par terciāro un četras, pēc analoģijas, par ceturtdaļu.
Ja pierakstīsiet visu attēlā redzamo alkānu molekulārās formulas, iegūsit:
- CH4,
- C2H6,
- C3H8.
un tā tālāk. Ir viegli izveidot universālu formulu, kas apraksta jebkuru šīs klases savienojumu:
C H2n+2.
Šī ir vispārīgā parafīnu ogļūdeņražu formula. Visu to iespējamo formulu kopa ir homologa sērija. Atšķirība starp diviem tuvākajiem sērijas dalībniekiem ir (-CH2-).
Alkānu nomenklatūra
Pirmais un vienkāršākais piesātināto ogļūdeņražu sērijā ir metāns CH4. Tālāk seko etāns C2H6, kam ir divi oglekļa atomi, propāns C3H 8, butāns C4H10, un no piektā homologās sērijas locekļa alkāni tiek nosaukti pēc oglekļa skaita atomi molekulā: pentāns, heksāns, heptāns, oktāns, nonāns, dekāns, undekāns, dodekāns, tridekāns un tā tālāk. Tomēr vairākus oglekļa atomus var saukt par "vienlaikus" tikai tad, ja tie atrodas vienā lineārajā ķēdē. Un tas tā nav vienmēr.
Šajā attēlā redzamas vairākas struktūras, kuru molekulārās formulas ir vienādas: C8H18. Tomēr mums ir trīs dažādi savienojumi. Tādasparādību, kad vienai molekulārai formulai ir vairākas dažādas strukturālās formulas, sauc par izomēriju, bet savienojumus par izomēriem. Šeit ir oglekļa skeleta izomērija: tas nozīmē, ka izomēri atšķiras pēc oglekļa-oglekļa saišu secības molekulā.
Visus izomērus, kuriem nav lineāras struktūras, sauc par sazarotiem. To nomenklatūras pamatā ir garākā nepārtrauktā oglekļa atomu ķēde molekulā, un "zari" tiek uzskatīti par viena no ūdeņraža atoma aizvietotājiem pie oglekļa no "galvenās" ķēdes. Tātad tiek iegūts 2-metilpropāns (izobutāns), 2,2-dimetilpropāns (neopentāns), 2,2,4-trimetilpentāns. Skaitlis norāda galvenās ķēdes oglekļa atomu skaitu, kam seko identisku aizvietotāju skaits, pēc tam aizvietotāja nosaukums, tad galvenās ķēdes nosaukums.
Alkānu struktūra
Visas četras saites pie oglekļa atoma ir kovalentās sigma saites. Lai izveidotu katru no tiem, ogleklis izmanto vienu no savām četrām orbitālēm ārējā enerģijas līmenī - 3s (viens gabals), 3p (trīs gabali). Sagaidāms, ka, tā kā savienojumā ir iesaistītas dažāda veida orbitāles, tad iegūtajām saitēm ir jāatšķiras pēc to enerģētiskajām īpašībām. Taču tas netiek ievērots – metāna molekulā visi četri ir vienādi.
Šīs parādības izskaidrošanai tiek izmantota hibridizācijas teorija. Tas darbojas šādi: tiek pieņemts, ka kovalentā saite ir it kā divi elektroni (viens no katra atoma pārī), kas atrodas tieši starp saistītajiem atomiem. Piemēram, metānā ir četras šādas saites, tātad četraselektronu pāri molekulā atgrūdīs viens otru. Lai samazinātu šo pastāvīgo spiedienu, centrālais atoms metānā sakārto visas četras savas saites tā, lai tās būtu pēc iespējas tālāk viena no otras. Tajā pašā laikā, lai iegūtu vēl lielāku labumu, viņš it kā sajauc visas savas orbitāles (3s - viens un 3p - trīs), pēc tam izveidojot četras jaunas identiskas sp3-hibrīda orbitāles. no tiem. Rezultātā kovalento saišu "galos", uz kuriem atrodas ūdeņraža atomi, veidojas regulārs tetraedrs, kura vidū atrodas ogleklis. Šo ausu triku sauc par sp3-hibridizāciju.
Visi alkānos esošie oglekļa atomi atrodas sp3-hibridizācijā.
Fizikālās īpašības
Alkāni ar oglekļa atomu skaitu no 1 līdz 4 - gāzes, no 5 līdz 17 - šķidrumi ar asu smaku, līdzīgi benzīna smaržai, virs 17 - cietas vielas. Alkānu viršanas un kušanas temperatūra palielinās, palielinoties to molārajai masai (un attiecīgi oglekļa atomu skaitam molekulā). Ir vērts teikt, ka pie vienas molārās masas sazarotajiem alkāniem ir ievērojami zemāki kušanas un viršanas punkti nekā to nesazarotajiem izomēriem. Tas nozīmē, ka starpmolekulārās saites tajās ir vājākas, tāpēc vielas kopējā struktūra ir mazāk izturīga pret ārējām ietekmēm (un karsējot šīs saites sadalās ātrāk).
Neskatoties uz šādām atšķirībām, vidēji visi alkāni ir ārkārtīgi nepolāri: tie praktiski nešķīst ūdenī (un ūdens ir polārs šķīdinātājs). Bet pašinepiesātinātos ogļūdeņražus no tiem, kas normālos apstākļos ir šķidrumi, aktīvi izmanto kā nepolārus šķīdinātājus. Šādi tiek izmantots n-heksāns, n-heptāns, n-oktāns un citi.
Ķīmiskās īpašības
Alkāni ir neaktīvi: pat salīdzinot ar citām organiskām vielām, tie reaģē ar ārkārtīgi ierobežotu reaģentu sarakstu. Būtībā tās ir reakcijas, kas notiek pēc radikālas mehānisma: hlorēšana, bromēšana, nitrēšana, sulfonēšana utt. Metāna hlorēšana ir klasisks ķēdes reakciju piemērs. Tās būtība ir šāda.
Ķīmiskā ķēdes reakcija sastāv no vairākiem posmiem.
- vispirms dzimst ķēde - parādās pirmie brīvie radikāļi (šajā gadījumā tas notiek fotonu ietekmē);
- Nākamais solis ir ķēdes attīstība. Tās gaitā veidojas jaunas vielas, kas rodas kāda brīvā radikāļa un molekulas mijiedarbības rezultātā; tas atbrīvo jaunus brīvos radikāļus, kas savukārt reaģē ar citām molekulām un tā tālāk;
- kad divi brīvie radikāļi saduras un veido jaunu vielu, notiek ķēdes pārrāvums - jauni brīvie radikāļi neveidojas, un reakcija šajā atzarā sadalās.
Šeit reakcijas starpprodukti ir gan hlormetāns CH3Cl un dihlormetāns CH2Cl2, un trihlormetāns (hloroforms) CHCl3 un oglekļa tetrahlorīds CCl4. Tas nozīmē, ka radikāļi var uzbrukt jebkuram: gan pašam metānam, ganreakcijas starpprodukti, arvien vairāk ūdeņradi aizstājot ar halogēnu.
Rūpniecībā vissvarīgākā reakcija ir parafīnu ogļūdeņražu izomerizācija. Tās gaitā to sazarotos izomērus iegūst no nesazarotiem alkāniem. Tas palielina savienojuma tā saukto detonācijas pretestību - vienu no automobiļu degvielas īpašībām. Reakciju veic ar alumīnija hlorīda katalizatoru AlCl3 temperatūrā aptuveni 300°oC.
Alkānu sadedzināšana
Kopš pamatskolas daudzi ir zinājuši, ka jebkurš organiskais savienojums sadeg, veidojot ūdeni un oglekļa dioksīdu. Alkāni nav izņēmums; tomēr šajā gadījumā daudz svarīgāks ir kaut kas cits. Parafīnu ogļūdeņražu, īpaši gāzveida ogļūdeņražu, īpašība ir liela siltuma daudzuma izdalīšanās sadegšanas laikā. Tāpēc gandrīz visas galvenās degvielas tiek ražotas no parafīniem.
Ogļūdeņražu bāzes minerāli
Tās ir seno dzīvo organismu paliekas, kas bez skābekļa ir izgājušas garu ķīmisko izmaiņu ceļu. Dabasgāze vidēji veido 95% metāna. Pārējais ir etāns, propāns, butāns un nelieli piemaisījumi.
Ar eļļu viss ir daudz interesantāk. Tā ir vesela virkne visdažādāko ogļūdeņražu klašu. Bet galveno daļu aizņem alkāni, cikloalkāni un aromātiskie savienojumi. Eļļu parafīna ogļūdeņraži tiek sadalīti frakcijās (kurās ietilpst nepiesātinātie kaimiņi) atbilstoši oglekļa atomu skaitam molekulā:
- benzīns (5.-7С);
- benzīns (5-11 C);
- nafta (8–14 C);
- petroleja (12-18 C);
- gāzeļļa (16-25 C);
- eļļas - mazuts, saules eļļa, smērvielas un citi (20-70 C).
Pēc frakcijas domām, jēlnafta tiek izmantota dažāda veida degvielai. Šī iemesla dēļ degvielas veidi (benzīns, ligroīns - traktora degviela, petroleja - reaktīvo dzinēju degviela, dīzeļdegviela) sakrīt ar parafīnu ogļūdeņražu frakcionētu klasifikāciju.
