ALKANI

ALKANI:

Alkani su aciklički (alifatski) zasićeni ugljikovodici u kojima su ugljikovi atomi povezani jednostrukom (zasićenom) kovalentnom vezom, odnosno, to su spojevi ugljika i vodika u kojima su ugljikovi atomi međusobno povezani samo jednom valencijom. Opća formula homolognog niza alkana je:

CnH2n+2 - gdje n označava broj atoma ugljika u molekuli.

Svi nazivi ovih spojeva završavaju se nastavkom - AN (specifičan nastavak za alkane). Prva četiri alkana u nizu imaju nazive koje su odavno dobili, a to su metan, etan, propan i butan, a od pentana pa nadalje imena su data po nazivima čiji osnov čine korijeni grčkih brojeva sa prethodno spomenutim nastavkom, nastavkom - an, a tu ubrajamo pentan, heksan, heptan, oktan, nonan, dekan, undekan, dodekan, tridekan i još mnoge. Metan je dobio naziv zbog srodnosti sa metilnim alkoholom dobivenim pirolizom (suhom destilacijom) drva; etan je dobio naziv po srodnosti sa dietil-eterom, koji je zapaljiva tvar; propan je dobio naziv po propionskoj kiselini, koja je prvi spoj koji pokazuje svojstva „masne kiseline”; a butan je dobio naziv zbog toga što ima jednak broj atoma ugljika kao maslačna kiselina koje ima u pokvarenom maslacu. Kao što smo to i prethodno spomenuli, korijeni ostalih spojeva toga niza, krenuvši od pentana pa nadalje, sadrže u nazivima grčke brojeve, koji upućuju na broj atoma ugljika u molekuli, na koje se dodaje i nastavlja nastavak - an (pentan, heksan, heptan, oktan...)

METAN ETAN PROPAN BUTAN

OSOBINE / SVOJSTVA ALKANA:

• fizičke osobine / svojstva,

• hemijske osobine / svojstva.

FIZIČKA SVOJSTVA ALKANA:

Fizička svojstva alkana ovise o broju i rasporedu atoma ugljika u molekuli. Agregatno stanje:

• 1-4 atoma C: gasovi,

• 5-17 atoma C: tečnosti,

• više od 17 atoma C: čvrste supstance (krutine).

Prva četiri alkana u nizu jesu gasovi, odnosno plinovi, oni se nalaze u gasovitom (plinovitom) agregatnom stanju. Alkani od petog do sedamnaestog člana u homolognom nizu su tečnosti, odnosno tekućine, oni se nalaze u tečnom (tekućem) agregatnom stanju. A alkani sa osamnaest i više ugljikovih atoma su čvrste tvari ili supstance, te se oni nalaze u čvrstom agregatnom stanju.

Vrelište im raste s porastom relativne molekularne mase, a pada s većim stupnjem razgranatosti lanca. Kao i ostali organski spojevi ne otapaju se u vodi, a dobro se otapaju u organskim otapalima (rastvaračima). Svi alkani su bez boje. Osim tališta i vrelišta, povećanjem broja ugljikovih atoma u molekuli alkana raste i gustoća, a kod tekućih alkana i viskoznost.

Alkani ni na koji način ne provode električnu energiju niti su u velikoj mjeri polarizirani električnim poljem. Iz tog razloga oni ne stvaraju vodikove veze i netopivi su u polarnim otapalima (rastvaračima), kao što je voda. Budući da su vodikove veze između pojedinih molekula vode poredane u odnosu na molekulu alkana, koegzistencija alkana i vode dovodi do povećanja molekularnog reda (smanjenja entropije). Kako ne postoji značajna veza između molekula vode i molekula alkana, drugi zakon termodinamike sugerira da bi to smanjenje entropije trebalo svesti na najmanju moguću mjeru umanjujući kontakt između alkana i vode: Za alkane se kaže da su hidrofobni jer odbijaju vodu.

Među molekulama alkana prisutne su slabe Londonove privlačne sile, stoga alkani imaju niska vrelišta i tališta u usporedbi s ostalim organskim spojevima. Vrelište, talište i gustoća nerazgrananih alkana rastu s porastom broja ugljikovih atoma jer se povećava relativna molekulska masa, veća je dodirna površina među molekulama, a time i privlačne sile. Alkani s razgrananim lancem imaju niža vrelišta i tališta u odnosu na nerazgranane alkane s istim brojem ugljikovih atoma u molekuli jer nerazgranani lanci imaju veću dodirnu površinu, stoga su i međumolekulske privlačne sile jače.

HEMIJSKA SVOJSTVA ALKANA:

Alkani nisu hemijski reaktivni - pri standardnim uvjetima ne reagiraju sa kiselinama, bazama (hidroksidima) niti jakim oksidacijskim sredstvima. Zbog svoje se inertnosti često koriste kao otapala u drugim reakcijama, te se u hemijskoj literaturi nazivaju i parafini.

Zapaljeni na zraku gore, pri čemu se oslobađaju ugljikov (IV) oksid i voda. Za alkane su još karakteristične hemijske reakcije gorenje (oksidacija) i supstitucija.

Gorenja alkana može se odvijati uz dovoljnu ili nedovoljnu količinu kisika. U slučaju dovoljne količine kisika, alkan oksidira do ugljikova dioksida CO2 i vode H2O. Ako kisika nije dovoljno, produkti gorenja su ugljikov monoksid CO i voda H2O.

Primjer jednačine hemijske reakcije potpuna gorenja metana (uz dovoljnu količinu kisika):

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Primjer jednačine hemijske reakcije nepotpuna gorenja metana (bez dovoljne količine kisika - kisika je nedovoljno za potpuno svršenje reakcije):

2CH4 + 3O2 → 2CO + 4H20

Piroliza alkana nastaje kada zagrijavamo alkane bez prisustva zraka, odnosno kisika. Pri pirolizi metan i etan se razlažu na ugljik i vodik, a ostali alkani na manje organske spojeve. Reagiraju samo sa halogenim elementima, i to samo uz prisustvo vidljive svjetlosti. Tada se događa reakcija supstitucije (zamjene), pri kojoj se atomi vodika zamjenjuju sa atomima halogenih elemenata, te nastaje odgovarajući halogenovodik, kao na primjer u sljedećim hemijskim reakcijama:

• CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

• CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl

• CH2Cl + Cl2 → CHCl3 + HCl

• CHCl + Cl2 → CCl4 + HCl

(U prvoj reakciji, osim hlorovodika, nastaje hlormetan, u drugoj dihlormetan, u trećoj trihlormetan, a u četvrtoj tetrahlormetan.)

Supstitucija je u organskoj hemiji reakcija kod koje se atom ili dio molekule zamijenjuje nekim drugim atomom ili skupinom atoma. Dakle, to je hemijska reakcija ili proces u kojem se neki atom ili atomska grupa zamenjuje drugim atomom ili atomskom grupom. Pri tome, valencija atoma, grupe atoma ili dijela molekule koji se zamenjuju mora da odgovara valenciji atoma, grupe atoma ili dijela molekule kojom se zamjenjuje. Reakcije supstitucije karakteristične su za zasićene ugljikovodike (alkane). Ovim reakcijama dobijaju se jedinjenja (spojevi), koja pored atoma ugljika i vodika, sadrže i druge vrste atoma. Reakcije alkana s halogenim elementima su upravo reakcije supstitucije, a zbivaju se djelovanjem svjetlosti ili djelovanjem povišene temperature. Te reakcije teku u stupnjevima, a u svakom stupnju nastaju slobodni radikali, pa se zato ove reakcije nazivaju i slobodno radikalske reakcije. Sve dok nastaju slobodni radikali, reakcija se zbiva spontano pa za njih kažemo da su lančane reakcije. Zaustavljaju se ako se u sustavu spoje bilo koja dva radikala.

Alkani su slabo reaktivni sa većinom hemijskih spojeva (jedinjenja). Vrijednosti konstante disocijacijske kiseline (pKa) svih alkana procjenjuju se u rasponu od 50 do 70, ovisno o metodi ekstrapolacije, stoga su to izuzetno slabe kiseline koje su praktički inertne prema bazama. Oni su, također, izuzetno slabe baze (hidroksidi). Slično tome, pokazuju reaktivnost samo sa najjačim elektrofilnim reagensima. Zahvaljujući snažnim C-H vezama i C-C vezama, oni su također relativno nereaktivni prema slobodnim radikalima, iako mnogi radikali sa nedostatkom elektrona reagiraju sa alkanima u odsutnosti drugih elektrona. Ova inertnost izvor je pojma parafini (sa značenjem ovdje "nedostatka afiniteta"). Parafin je smjesa alkana, to jeste zasićenih alifatskih parafinskih ugljikovodika (parafina) sa 18 do 45 (do čak i 55) ugljikovih atoma u molekuli, strukturne hemijske formule C(n)H(2n+2), ali za velike ugljikovodike se to može aproksimirati s CH2. U tekućem stanju se naziva i parafinskim uljem. Dobiva se iz nekih frakcija vakuumske destilacije ostatka nakon atmosferske destilacije nafte.

STRUKTURNI IZOMERI -STRUKTURNA IZOMERIJA ALKANA:

Strukturna izomerija je pojava dva ili više spojeva da imaju jednaku molekulsku formulu i molekulsku masu, ali da se razlikuju po rasporedu atoma (a time i svojstvima). Strukturni izomeri su spojevi iste molekulske formule, ali različite strukturne formule. Zbog različite strukture strukturni izomeri imaju različita fizikalna svojstva (osobine), primjerice vrelište. U homolognom nizu alkana prva tri člana mogu se prikazati samo jednom strukturnom formulom. Butan ima dva izomera, stoga se može prikazati na dva načina, kao ravna lančana molekula i kao razgranata lančana molekula. Pentan se može prikazati na tri načina, heksan na pet načina i tako dalje. Što je veći broj ugljika u molekuli – spoj ima veći broj izomera.

DOBIVANJE ALKANA:

Nafta i zemni plin glavni su izvori alkana. Zajednički im je naziv fosilna goriva. Nafta je složena smjesa različitih organskih spojeva, uglavnom ugljikovodika: alkana, cikloalkana i arena, a sastav joj ovisi o nalazištu. Pretpostavlja se da je nastala razgradnjom biljnih i životinjskih organizama u uvjetima visoke temperature i tlaka bez prisutnosti zraka. Viskozna je, uljasta tekućina crnosmeđe boje, manje gustoće od gustoće vode, hlapljiva je i zapaljiva. Prerađuje se frakcijskom destilacijom. Budući da količine benzina dobivene frakcijskom destilacijom nafte ne zadovoljavaju potrebe tržišta, provodi se proces krekiranja u kojemu se pare težih ugljikovodika na povišenoj temperaturi i tlaku, uz katalizator, cijepaju na manje molekule s brojem atoma sličnim ugljikovodicima u benzinu. Zemni plin ili prirodni plin jest smjesa plinovitih ugljikovodika, metana, etana i propana. Bez boje je, okusa i mirisa, nije otrovan, a eksplozivan je u smjesi sa zrakom. Upotrebljava se kao izvor energije u kućanstvima i industriji te u automobilima kao pogonsko gorivo. Dakle, alkani se u velikim količinama mogu naći u nafti (čiji najveći dio čine) i u prirodnom gasu (metan, etan, propan, butan). Metan nastaje uslijed truhljenja organskih materija i može se naći u močvarama, a ima ga i u rudnicima. Metan u rudnicima predstavlja veoma veliku opasnost jer kada se naiđe na njegove zalihe može da izazove eksploziju, jer pri većim koncentracijama može i spontano da se zapali.

Listovi karfiola, kupusa, kao i kora jabuke u sebi sadrže alkan C₂₉H₆₀ koji služi kao zaštita od gubitka vlage, dok većina drugih biljaka kao zaštitu koristi biljne voskove koji su po sastavu estri.

Alkani se mogu dobiti iz raznih jedinjenja redukcijom. U laboratoriji se metan dobija zagrijavanjem natrijum-acetata sa natrijum hidroksidom:

CH₃COOH^-Na + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃

Druge metode uključuju:

• Katalitičku hidrogenizaciju alkana na paladijumovoj (ili platine/nikla) rešetki:

R-CH₂-CH=CH-R + H₂ → R-CH₂-CH₂-CH₂-R

• Redukciju alkil-halogenida u kiseloj sredini:

RX + Zn + H⁺ → RH + Zn⁺ + X^-

• Reakcijom Grinjarevog reagensa (magnezija u „suhom“ etru) i hidrolizom dobijenog proizvoda:

RX + Mg → RMgX + H₂O → RH + MgX(OH)

(Gdje se simbol R koristi za označavanje neodređene alkalne skupine)

ALKILI:

Alkili (prema alkan) su jednovalentni organski radikali opće hemijske formule C_nH_2n+1–, izveden od zasićenih acikličkih (alifatskih) ugljikovodika oduzimanjem jednog vodikovog atoma H. Tako se od metana izvodi metil (CH₃–), od etana etil (C₂H₅–), od propana propil (C₃H₇–) i tako dalje.

U organskoj hemiji, alkil je alkan (metan, etan, propan, butan,...) kojem nedostaje jedan atom vodika, odnosno jedan vodikov atom H. Tipično je alkil dio veće molekule. U strukturnoj formuli simbol R koristi se za označavanje generičke (neodređene) alkilne skupine. Najmanja alkilna skupina je metil, s formulom CH₃−.

MOŽETE POGLEDATI SLJEDEĆE VIDEO ZAPISE AKO ŽELITE DODATNA POJAŠNJENJA ILI JEDNOSTAVNO PONOVITI LEKCIJU:

OVAJ LINK VAM MOŽE BITI OD KORISTI: elektron.tmf.bg.ac.rs/organskahemija/OHI_Alkani-13_14.pdf