WĘGLOWODORY ŁAŃCUCHOWE (ALIFATYCZNE)

I ALKANY – WĘGLOWODORY NASYCONE

C_nH_2n+2

Wykazują zjawisko izomerii konstytucyjnej łańcuchowej.
Izomery różnią się kształtem szkieletu węglowego. Łańcuch może mieć budowę prostą lub rozgałęzioną.

n-butan	izo-butan	neo-pentan

Rzędowość atomu węgla określa z iloma innymi atomami jest on połączony

I - rzędowy	II - rzędowy	III - rzędowy	IV - rzędowy

Związki różniące się od siebie tylko o grupę –CH2 nazywamy należącymi do tego samego szeregu homologicznego (homologi)

WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE

• Cząsteczki alkanów przyciągają się do siebie bardzo słabymi silami van der Waalsa działają tylko na niewielka odległość i są spowodowane oddziaływaniem chmur elektronowych cząsteczek. Powoduje to dużą lotność alkanów o niewielkich rozmiarach cząsteczek.

• Metan, etan, propan, butan są gazami. Pentan zależnie od izomeru w temp. Pokojowej jest gazem lub lotną cieczą. Alkany zawierające od 6 do 16 at. Węgla sa cieczami o rosnącej gęstości, pow. 17 at węgla to ciała stałe.

• Wraz z długością łańcucha rosną temp. Wrzenia i topnienia i gęstość alkanów, a maleje lotność. Najmniej lotne są izomery nierozgałęzione (alkany), ale mają wyższą temp wrzenia.

• Nierozpuszczalne w wodzie – niepolarne cząsteczki, a dobrze w rozpuszczalnikach organicznych ( eterze, benzenie) Bezbarwne, bezzapachowe, łatwopalne, hybrydyzacja sp³

• Alkany w temp. Pokojowej nie odbarwiają wody bromowej i nie są utleniane przez roztwór nadmanganianu potasu

OTRZYMYWANIE

1. Metoda Wurtza

• Dla symetrycznych alkanów:

2R-X + 2 Na → R-R + 2NaX

np. 2CH₃ +2Na -> CH₃-CH₃ + 2NaCl

• Dla niesymetrycznych alkanów :

R₁-X + R₂-X +2 Na → R₁-R₂ + 2NaX (+R₁-R₁ + R₂-R₂)

np. CH₃-CH₂Cl +CH₃Cl +2Na -> CH₃-CH₂-CH₃ + 2NaCl

X – F, Cl, Br, I. Sód wykorzystuje się do sprzęgania grup symetrycznych, a lit i potas do niesymetrycznych. Dla alkanu niesymetrycznego np. propanu w rzeczywistości były by to dwie reakcje:

2CH₃Cl + 2Na -> CH₃-CH₃ + 2NaCl

2CH₃-CH₂Cl +2Na -> CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ + 2NaCl

Ostatecznie otrzymamy mieszaninę etanu, propanu i butanu, z której należałoby wydzielić interesujący nas składnik.

1. Katalityczne uwodornienie węglowodorów nienasyconych. W redukcji jako katalizatorów używa się Pd, Pt, Ni

2. Ogrzewanie soli sodowych

Otrzymywanie metanu w wyniku prażenia octanu sodu z wodorotlenkiem sodu

CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃

w celu uzyskania metanu inną metodą jest hydroliza węgliku glinu

Al₄C₃ +12H₂O → 3CH₄ + 4Al(OH)₃

lub działanie kwasu chlorowodorowego na węglik glinu

Al₄C₃ +12HCl → 3CH₄ + 4AlCl₃

lub synteza C + 2H₂ = CH₄

lub uwodornienie CO + 3H₂ = CH₄ + H₂O

Naturalnym źródłem węglowodorów nasyconych jest gaz ziemny, ropa naftowa, woski ziemny, parafina.

WŁAŚCIOWOŚCI CHEMICZNE

Ze względu na dużą trwałość pojedynczych wiązań C-C i C-H alkany są mało reaktywnymi biernymi związkami chemicznymi, a reakcje z ich udziałem wymagają drastycznych warunków (wysoka temperatura i ciśnienie).

1. Spalanie

• całkowite – produkty to dwutlenek węgla i para wodna (woda)

C_nH_2n+2 + (3n+1)O₂ =  nCO₂ + (n+1)H₂O

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

• półspalanie – produkty to tlenek węgla(II) czad i para wodna (woda)

2C₂H₆ + 5O₂ → 4CO + 6H₂O

• niecałkowite – produkty to para wodna (woda), sadza (węgiel)

2C₄H₁₀ + 5O₂ → 8C + 10H₂O

1. Reakcja substytucji halogenami – pod wpływem światła powstają dzięki niej pochodne alkanów. Mechanizm tej reakcji jest rodnikowy. Znaczy to, że w reakcji biorą udział rodniki, czyli cząstki o niesparowanych elektronach. Takie reakcje zachodzą często w przypadku związków organicznych w fazie gazowej i w wysokiej temperaturze.

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl chlorometan

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂+ HCl dichlorometan

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃+ HCl trichlorometan

CHCl₃ + Cl₂ → + CCl₄ + HCl terachlorometan

1. Piroliza(kraking) to ogrzewanie alkanów (500-800 stopni) prowadzi do ich rozpadu na mniejsze cząsteczki (niższe węglowodory nasycone, wodór, węglowodory nienasycone)

alkan = H₂ + alkany o mniejszych cząsteczkach + alkeny

1. Izomeryzacja

Izomeryzacja i piroliza mają duże znaczenie praktyczne przy produkcji paliw ciekłych.

CYKLOALKANY

C_nH_2n

Cyklopropan		Cyklopentan
Cyklobutan		Cykloheksan

Cykloalkany posiadają podobne własności chemiczne do alkanów niecyklicznych, z wyjątkiem cyklopropanu i cyklobutanu, które ze względu na silne naprężenia kątowe wiązań chemicznychwęgiel-węgiel łatwo ulegają rozkładowi z wytworzeniem odpowiednich rodników. Cyklopropan i cyklobutan nie występują naturalnie. Pozostałe cykloalkany występują w produktach rafinacji ropy naftowej, zwłaszcza w benzynie ekstrakcyjnej i eterze naftowym. Czysty cykloheksan jest czasami stosowany jako rozpuszczalnik.

1.Otrzymywanie:
a) w wyniku przeróbki ropy naftowej;
b) uwodornienie związków aromatycznych  - reakcja ta zachodzi pod wpływem katalizatora, ciśnienia i temperatury np.:

Proces odwrotny to aromatyzacja czyli tzw. reforming. 

c) cyklizacja alifatycznych związków łańcuchowych np.:

d) reakcja dwuhalogenoalkanu z cynkiem np.:

2.Właściwości fizyczne:

Cykloalkany mają podobne właściwości fizyczne do alkanów.. Wraz za wzrostem mas cząsteczkowych rośnie temperatura wrzenia cykloalkanów, natomiast temperatura topnienia zmienia się nieproporcjonalnie. Przyczyną nierównomiernego wpływu wzrastających mas cząsteczkowych na temperatury topnienia są prawdopodobnie różne kształty cykloalkanów wywołujące różnice w skuteczności, z jaką cząsteczki zachowują się w ciele stałym, które ma najczęściej strukturę krystaliczną.

 
4.Właściwości chemiczne: 

Cykloalkany mają cechy chemiczne bardzo podobne do alkanów, z wyjątkiem dwóch pierwszych homologów, które z uwagi na naprężenie szkieletu węglowego (kąty mniejsze od tetraedrycznego) dają reakcje addycji. Jeśli więc chodzi o reaktywność to:
-cyklopropan i cyklobutan są nietrwałe i łatwo ulegają reakcjom prowadzącym do rozerwania pierścienia. 
-cyklopentan jest związkiem bardzo trwałym o właściwościach zbliżonych do alkanów

-cykloheksan jest związkiem bardzo trwałym chemicznie. Jest to spowodowane tym że jego pierścień nie jest płaski. Może występować w dwóch formach:

Cylkoalkany ulegają następującym reakcjom:

a).podstawienia w reakcji z chlorem i  bromem – reakcja ta zachodzi w obecności światła np.:

b).reakcjom z kwasami beztlenowymi np. z fluorowodorem czy chlorowodorem:

c) decyklizacji - addycji prowadzącej do rozerwania pierścienia np.:

d).cyklobutan ulega reakcji uwodornienia na katalizatorze - wyższe cykloalkany nie ulegają tej reakcji:

f).cykloalkany, podobnie jak alkany, nie odbarwiają wody bromowej ani manganianu(VII)potasu.