Właściwości i otrzymywanie alkanów definicja i właściwości

Właściwości alkanów

Cztery pierwsze n-alkany w szeregu homologicznym są w normalnych warunkach gazami, kolejne – czyli zawierające od 5 do 15 atomów węgla w cząsteczce – to ciecze, zaś pozostałe są ciałami stałymi. Cząsteczki alkanów nie są polarne, przyciągają się do siebie bardzo słabymi siłami van der Waalsa. Siły te działają tylko na niewielką odległość i są spowodowane oddziaływaniem chmur elektronowych cząsteczek. Słabe oddziaływania międzycząsteczkowe powodują dużą lotność alkanów o niewielkich rozmiarach cząsteczek. Temperatury wrzenia alkanów wzrastają wraz ze wzrostem długości łańcucha. Temperatura wrzenia alkanów o tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce zależy od rozgałęzienia cząsteczki: bardzo rozgałęzione, o strukturze przypominającej kulę, mają niższe temperatury wrzenia niż ich odpowiedniki liniowe.

Brak polarności cząsteczek alkanów powoduje również, że są one związkami nierozpuszczalnymi w wodzie. Poza tym w cząsteczkach alkanów na atomach wodoru zgromadzone są zbyt małe ładunki, aby mogły one oddziaływać z cząsteczkami wody. Wszystkie alkany natomiast bardzo dobrze mieszają się ze sobą, są również dobrymi rozpuszczalnikami tłuszczów i wielu innych związków organicznych. Gęstość ciekłych alkanów jest mniejsza od gęstości wody, co w połączeniu z brakiem ich rozpuszczalności w wodzie powoduje, że tworzą one na powierzchni wody oddzielną warstwę.

Alkany są związkami, które bardzo rzadko ulegają reakcjom. Do nielicznych wyjątków należy reakcja spalania alkanów z tlenem bądź też reakcja z chlorowcami.

Podczas spalania alkanów powstaje dwutlenek węgla i woda. Reakcji tej towarzyszy wydzielenie dużych ilości energii jak światło i ciepło.

Jeśli podczas reakcji spalania węglowodoru zostanie dostarczona zbyt mała ilość tlenu, nastąpi niepełne spalanie, co w konsekwencji spowoduje powstanie tlenku węgla (II) czyli czadu i wody lub węgla (sadzy) i wody:
 

\(2 CH_4    +    3 O_2    \rightarrow    2 CO    +    4 H_2O\)
 

Ciekłe alkany, a tym bardziej stałe, trudniej jest zapalić niż gazowe, ponieważ łatwość zapłonu zależy od temperatury wrzenia. Reakcja spalania zachodzi szybko tylko w fazie gazowej, na przykład w mieszaninie par alkanu z powietrzem. W ten sposób spalane są ciekłe paliwa w silnikach spalinowych. Aby spalić węglowodory stałe, na przykład parafinę, należy ją najpierw podgrzać do odpowiednio wysokiej temperatury.

Reakcja chlorowania węglowodorów zachodzi w określonych warunkach. Do jej przebiegu potrzebna jest wysoka temperatura lub światło. Początkowe stadium polega na zastąpieniu jednego atomu wodoru atomem chloru. Reakcję tę można przedstawić następującym równaniem ogólnym:
 

Jest to reakcja substytucji, ponieważ atom wodoru zastępowany jest atomem chloru.

Naturalnym źródłem węglowodorów nasyconych są gaz ziemny, ropa naftowa, wosk ziemny oraz parafina. Gaz ziemny jest mieszaniną węglowodorów gazowych, głównym jego składnikiem jest metan (50 – 98 %) oraz etan, propan i butan. Ropa naftowa zawiera alkany (30 – 80%) i zmienne ilości cykloalkanów i węglowodorów aromatycznych. Na skalę przemysłową alkany uzyskuje się właśnie z wydzielenia ich z tych produktów naturalnych.

Jedną z metod laboratoryjnego otrzymywania alkanów jest metoda Wurtza, która polega na działaniu metalicznym sodem na chlorowcoalkany. Przykład:

 

\(2 CH_3Cl    +   2 Na    \rightarrow    CH_3 – CH_3    +    2 NaCl\)
 

Reakcja ta nie jest dogodną reakcja otrzymywania alkanów, ponieważ możemy nią otrzymać tylko węglowodory o parzystej liczbie atomów węgla.

Alkany możemy również otrzymać w wyniku rozkładu termicznego soli kwasów karboksylowych. Na przykład metan otrzymuje się ogrzewając octan sodu:
 

Węglowodory nienasycone możemy również otrzymać w wyniku katalitycznego uwodornienia węglowodorów nienasyconych bądź elektrolizy soli kwasów karboksylowych.