Alkane

Estrutura química de metano , o alcano mais simples

Alcanos, também conhecido como parafinas, são compostos químicos que consistem apenas nos elementos carbono (C) e hidrogénio (H) (isto é, hidrocarbonetos), em que esses átomos estão ligados entre si exclusivamente por ligações simples (ou seja, eles são compostos saturados) sem qualquer estrutura cíclica (isto é, loops). Alcanos pertence a um série homóloga de compostos orgânicos em que os membros diferem por uma massa atómica relativa constante de 14.

Cada átomo de carbono deve ter quatro títulos (CH ou CC obrigações), e cada um átomo de hidrogénio deve ser unido a um átomo de carbono (títulos HC). Uma série de átomos de carbono ligados é conhecido como o esqueleto de carbono ou espinha dorsal de carbono. Em geral, o número de átomos de carbono é frequentemente utilizado para definir o tamanho do alcano (por exemplo, C ₂ alcano).

Um grupo alquilo é um grupo ou grupo funcional de cadeia lateral que, como um alcano, consiste átomos de carbono e hidrogénio de apenas isoladamente-ligados, por exemplo, uma metilo ou o grupo etilo.

Hidrocarbonetos saturados pode ser linear (fórmula geral C _n H _{2n + 2),} em que os átomos de carbono são unidas numa estrutura de cobra, ramificada (fórmula geral C _n H _{2n + 2,} n> 3) em que o esqueleto de carbono separa-se em uma ou mais direcções, ou cíclico (fórmula geral C _n H _2n, n> 2), em que a cadeia de carbono está ligado de modo a formar um laço. De acordo com a definição, IUPAC, os dois primeiros são os alcanos, enquanto que o terceiro grupo é denominado cicloalcanos. Em outras palavras, os hidrocarbonetos saturados são divididos em alcanos e cicloalcanos, dependendo ou não têm estruturas cíclicas, e, no sentido técnico, cicloalcanos não são alcanos. No entanto, cicloalcanos são às vezes chamados alcanos cíclicos, que pode ser confuso quando alcanos "reais" são chamados alcanos acíclicos. Hidrocarbonetos saturados também possível combinar qualquer um dos linear, cíclico (por exemplo, policíclico) e estruturas de ramificação, e eles ainda são alcanos (sem fórmula geral), enquanto eles são acíclico (ou seja, não ter laços).

O mais simples possível alcano (a molécula progenitora) é metano , _CH4. Não há limite para o número de átomos de carbono que podem ser ligados entre si, sendo a única limitação de que a molécula é acíclico, é saturado, e é um hidrocarboneto. Saturado e óleos ceras são exemplos de alcanos maiores, onde o número de átomos de carbono na cadeia principal de carbono tende a ser maior do que 10.

Alcanos não são muito reativos e têm pouco actividade biológica. Os alcanos podem ser vistos como uma moleculares andaime sobre o qual podem ser pendurados interessantes as porções biologicamente activos reactivos / ( grupos funcionais) da molécula.

Isomeria

Diferentes C ₄ alcanos e -cycloalkanes (da esquerda para a direita): n butano e isobutano são os dois C ₄ H ₁₀ isómeros; ciclobutano e metilciclopropano são os dois C ₄ H ₈ isómeros; biciclo [1.1.0] butano é o único C ₄ H ₆ isómero; tetrahedrane (não mostrado) é a única C ₄ H ₄ isómero.

Alcanos com mais do que três átomos de carbono podem estar dispostos de um número múltiplo de maneiras, formando diferente isómeros estruturais. Um isômero é como um produto químico anagrama, em que os átomos de um composto químico estão dispostos ou unidas por uma ordem diferente. O isómero mais simples de um alcano é aquele em que os átomos de carbono estão dispostos em uma única cadeia, sem ramos. Esse isômero é chamado às vezes o n -isômero (n para "normal", embora não seja necessariamente o mais comum). No entanto, a cadeia de átomos de carbono pode também ser ramificado em uma ou mais pontos. O número de possíveis isómeros aumenta rapidamente com o número de átomos de carbono (sequência A000602 em OEIS ). Por exemplo:

• C _1: 1 isómero - metano
• C _2: 1 isómero - etano
• C _3: 1 de isómero - propano
• C _4: 2 isómeros - n butano, isobutano
• C _12: 355 isómeros
• C _32: 27711253769 isómeros
• C _60: 22.158.734.535.770.411.074.184 isômeros

Em adição a estes isómeros, a cadeia de átomos de carbono podem formar um ou mais circuitos. Tais compostos são chamados cicloalcanos.

Nomenclatura

O Nomenclatura IUPAC (forma sistemática de atribuição de nomes compostos) para alcanos se baseia na identificação cadeias de hidrocarbonetos. Não ramificadas, cadeias de hidrocarbonetos saturados são nomeados sistematicamente com um prefixo numérico grego denotando o número de átomos de carbono e o "-ano" sufixo.

August Wilhelm von Hofmann sugeriu sistematizar nomenclatura usando toda a seqüência de vogais a, e, i, o e u para criar sufixos -ano, -eno, -ine (ou ino), -um, -une, para os hidrocarbonetos. Os três primeiros hidrocarbonetos nome com ligações simples, duplos e triplos; "-ona" Representa uma cetona ; "-ol" Representa um grupo OH ou álcool; "-oxy-" Significa um éter e refere-se ao oxigênio entre dois átomos de carbono, de modo que metoxi-metano é o nome IUPAC para o éter dimetílico.

É difícil ou impossível encontrar compostos com mais de um nome IUPAC. Isso ocorre porque cadeias mais curtas ligados a cadeias mais longas são prefixos ea convenção inclui suportes. Os números entre o nome, que se referem a um grupo de carbono que está ligado a, deve ser tão baixo quanto possível, de modo que está implícita 1- e normalmente omitidos de nomes de compostos orgânicos com apenas um grupo lateral; "1-" está implícita em Nitro-octano. Compostos simétricos terá duas maneiras de chegar ao mesmo nome.

Alcanos lineares

Alcanos de cadeia linear são por vezes indicados pelo n- prefixo (por normal), onde um não-linear isómero existe. Embora isto não seja estritamente necessário, o uso ainda é comum nos casos em que há uma diferença importante nas propriedades entre a de cadeia linear e os seus isómeros de cadeia ramificada, por exemplo, n-hexano ou 2- ou 3-metilpentano.

Os quatro primeiros membros da série (em termos de número de átomos de carbono) são nomeados da seguinte forma:

metano , _CH4

etano , C ₂ H ₆

propano , C ₃ H ₈

butano, C ₄ H ₁₀

Alcanos com cinco ou mais átomos de carbono são designados através da adição do sufixo -ano para o prefixo de língua grega adequada multiplicador numérico com elisão de qualquer vogal terminal (-a ou -o) do termo numérico de base. Assim, pentano, C ₅ H _12; hexano, C ₆ H _14; heptano, C ₇ H _16; octano, C ₈ H _18; etc. Para obter uma lista mais completa, ver Lista de alcanos.

Alcanos ramificados

Modelo da bola-e-vara de isopentano (nome comum) ou 2-metilbutano (IUPAC nome sistemático)

Alcanos ramificados simples, muitas vezes têm um nome comum utilizando um prefixo para os distinguir dos alcanos lineares, por exemplo n -pentano, isopentano, e neopentano.

Convenções de nomenclatura IUPAC pode ser utilizado para produzir um nome sistemático.

Os passos chave na nomenclatura de alcanos ramificados mais complicadas são as seguintes:

• Identificar a cadeia linear mais longa de átomos de carbono
• Nome desta cadeia de raiz mais longa usando as regras de nomenclatura padrão
• O nome de cada cadeia lateral, alterando o sufixo do nome do alcano de "-ano" a "-il"
• Número da cadeia de raiz para que soma dos números atribuídos a cada grupo lateral será o mais baixo possível
• Número e nome das cadeias laterais antes o nome da cadeia de raiz
• Se houver várias cadeias laterais do mesmo tipo, tal como utilizar prefixos "di" e "tri" para indicar que, como tal, e número de cada um deles.

Comparação de nomenclaturas para os três isômeros de C ₅ H ₁₂

Nome comum	n -pentano	isopentano	neopentano
Nome IUPAC	pentano	2-metilbutano	2,2-dimetilpropano
Estrutura

Alcanos cíclicos

Os chamados alcanos cíclicos são, em sentido técnico, não alcanos, mas cicloalcanos. Eles são hidrocarbonetos assim como alcanos, mas são contendo um ou mais anéis.

Cicloalcanos simples têm um prefixo "ciclo-" para distingui-los dos alcanos. Cicloalcanos são nomeados de acordo com os seus homólogos acíclicos com respeito ao número de átomos de carbono, por exemplo, ciclopentano (C ₅ H ₁₀₎ é um cicloalcano com 5 átomos de carbono, como apenas pentano (C ₅ H _12), mas eles são unidos num anel de cinco membros. De um modo semelhante, propano e ciclopropano, e butano ciclobutano, etc.

Cicloalcanos substituídos são nomeados semelhante aos alcanos substituídos - o anel de cicloalcano é indicado, e os substituintes estão de acordo com a sua posição no anel, com a numeração decidido pela Regras de Cahn-Ingold-Prelog.

Os nomes triviais

A (não-trivial sistemática ) nome para alcanos é " parafinas. "Juntos, alcanos são conhecidos como a série de parafina. nomes comuns para os compostos são geralmente artefatos históricos. Eles foram cunhados antes do desenvolvimento de nomes sistemáticos, e foram retidos devido ao uso familiar na indústria. Cicloalcanos também são chamados de naftenos.

É quase certo que o termo parafina decorre da indústria petroquímica. Alcanos de cadeia ramificada são chamados isoparafinas. O uso do termo "parafina" é um termo geral e, muitas vezes não distingue entre a compostos puros e misturas de isómeros com a mesma fórmula química (isto é, como um produto químico anagrama), por exemplo, pentano e isopentano.

Exemplos

Os seguintes nomes triviais são retidas no sistema IUPAC:

• isobutano para 2-metilpropano
• isopentano para 2-metilbutano
• neopentano para 2,2-dimetilpropano

Ocorrência

Ocorrência de alcanos no Universo

Metano e etano constituem uma grande proporção da atmosfera de Júpiter

Alcanos formam uma porção significativa da atmosferas dos planetas exteriores de gás, como Júpiter (0,1% de metano, etano 0,0002%), Saturn (0,2% de metano, etano 0,0005%), Urano (1,99% de metano, etano 0,00025%) e Netuno (1,5% de metano, etano 1,5 ppm ). Titan (1,6% de metano), um satélite de Saturno, foi examinado pela sonda Huygens, que indicam que a atmosfera de Titã chove periodicamente metano líquido na superfície da lua. Também em Titã, um vulcão que vomita-metano foi descoberto e isso vulcanismo é acreditado para ser uma fonte significativa de metano na atmosfera. Há também parecem ser lagos de metano / etano perto das regiões polares norte de Titã, como descoberto por imagens de radar da Cassini. metano e etano , também foram detectados na cauda do cometa Hyakutake . A análise química mostrou que a abundância de etano e metano eram mais ou menos iguais, o que é pensado para implicar que seus gelos formados no espaço interestelar, longe do Sol, o que teria evaporado estas moléculas voláteis. Os alcanos também foram detectados em meteoritos, tais como condritos carbonáceos.

Ocorrência de alcanos na Terra

Traços de gás metano (cerca de 0,0001% ou 1 ppm) ocorrem na atmosfera da Terra, produzido principalmente por organismos tais como Archaea, encontradas por exemplo no intestino de vacas.

Extração de óleo, que contém muitos hidrocarbonetos diferentes, incluindo alcanos

As fontes comerciais mais importantes para alcanos são gás natural e petróleo . O gás natural contém principalmente metano e etano, com algum propano e butano: óleo é uma mistura de alcanos e outros líquidos hidrocarbonetos. Estes hidrocarbonetos foram formados quando os animais mortos e plantas marinhas (zooplâncton e fitoplâncton) morreu e afundou para o fundo dos mares antigos e foram cobertos com sedimentos em um ambiente anóxico e convertido ao longo de muitos milhões de anos em altas temperaturas e alta pressão à sua forma atual. O gás natural resultou, assim, por exemplo, da seguinte reacção:

C ₆ H ₁₂ O ₆ → 3CH ₄ + ₂ 3CO

Estes hidrocarbonetos recolhidos em rochas porosas, localizados abaixo de uma camada de rocha impermeável e por isso estão presos. Ao contrário de metano, o qual é constantemente reformada em grandes quantidades, superiores alcanos (alcanos com nove ou mais átomos de carbono) raramente desenvolvem em grande medida na natureza. Estes depósitos, por exemplo, campos de petróleo, formaram ao longo de milhões de anos e uma vez esgotado não pode ser facilmente substituído. A depleção destes hidrocarbonetos é a base para o que é conhecido como o crise de energia.

Alcanos sólidos são conhecidos como alcatrões e são formadas quando alcanos mais voláteis, como gases e óleo evapora-se a partir de depósitos de hidrocarbonetos. Um dos maiores depósitos naturais de alcanos sólidos está no lago conhecido como o asfalto Pitch Lake em Trinidad e Tobago .

Metano também está presente no que é chamado biogás, produzidos por animais e matéria em decomposição, o que é uma possível fonte de energia renovável .

Alcanos têm uma baixa solubilidade em água, para que o conteúdo nos oceanos é insignificante; No entanto, a altas pressões e temperaturas baixas (tais como no fundo dos oceanos), o metano pode co-cristalizam com água para formar um sólido hidrato de metano. Embora este não pode ser explorada comercialmente no presente momento, a quantidade de energia combustível dos campos de hidrato de metano conhecidos exceder o teor de energia de todos os depósitos de gás e petróleo naturais juntos; metano extraído de hidrato de metano é considerado, portanto, um candidato para futuros combustíveis .

Ocorrência Biológica

Embora alcanos ocorre na natureza em várias maneira, eles não classificar biologicamente entre os materiais essenciais. Cicloalcanos com 14 a 18 átomos de carbono ocorrem no almíscar, extraiu-se a partir de cervos da família Moschidae. Todos os mais informações refere-se a (acíclicos) alcanos.

As bactérias e archaea

Metanogênico archaea no intestino de esta vaca é responsável por alguns dos metano na atmosfera da Terra.

Certos tipos de bactérias podem metabolizar alcanos: preferem cadeias de carbono de numeração par como eles são mais fáceis de degradar do que cadeias ímpares.

Por outro lado, certos archaea, o metanógenos, produzem grandes quantidades de metano pelo metabolismo de dióxido de carbono ou outros compostos orgânicos oxidados. A energia é liberada pela oxidação do hidrogénio :

CO ₂ + 4H ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O

Methanogens também são os produtores de gás de pântano em pantanais, e libertar cerca de dois bilhões de toneladas de metano por ano - o conteúdo atmosférica deste gás é produzido quase exclusivamente por eles. A produção de metano de gado e de outros herbívoros , que pode libertar-se para 150 litros por dia, e de térmitas , é também devido ao metanogenos. Eles também produzem esta mais simples de todos os alcanos na intestinos de humanos. Archaea metanogénicas são, por isso, no final do ciclo do carbono, com o carbono que está sendo liberado para a atmosfera após ter sido fixado pela fotossíntese . É provável que as nossas actuais depósitos de gás natural foram formadas de uma maneira semelhante.

Fungos e plantas

Formas gotas de água sobre uma fina película de cera alcano na pele da maçã.

Os alcanos também desempenhar um papel, se um papel menor, na biologia das três eucarióticas grupos de organismos: fungos , plantas e animais. Algumas leveduras especializadas, por exemplo, Cândida tropicale, Pichia sp., Rhodotorula sp., Alcanos pode usar como uma fonte de carbono e / ou de energia. O fungo Amorphotheca resinae prefere os alcanos de cadeia mais longa em combustível de aviação, e pode causar sérios problemas para aeronaves em regiões tropicais.

Em plantas, são os sólidos alcanos de cadeia longa que são encontradas; eles formam uma camada firme de cera, o cutícula, sobre áreas da planta exposto ao ar. Isso protege a planta contra a perda de água, evitando a lixiviação de minerais importantes pela chuva. É também uma proteção contra bactérias, fungos e insetos prejudiciais - esta última pia com as pernas na substância waxlike macio e tem dificuldade de movimentação. A camada de brilho sobre as frutas tais como maçãs consiste de alcanos de cadeia longa. As cadeias de carbono são geralmente entre vinte e trinta átomos de carbono em comprimento e são feitas pelas plantas a partir de ácidos gordos . A composição exacta da camada de cera não só é dependente da espécie, mas também as alterações com o tempo e factores ambientais tais como condições de iluminação, temperatura ou humidade.

Animais

Os alcanos são encontrados em produtos de origem animal, embora eles são menos importantes do que os hidrocarbonetos insaturados. Um exemplo é o óleo de fígado de tubarão, que é aproximadamente 14% pristano (2,6,10,14-tetrametilpentadecano, C ₁₉ H _40). Sua ocorrência é mais importante em feromônios, materiais mensageiro químico, em que acima de todos os insetos são dependentes para a comunicação. Com alguns tipos, como as besouro de apoio Xylotrechus colonus, principalmente pentacosano (C ₂₅ H _52), 3-methylpentaicosane (C ₂₆ H ₅₄₎ e 9-methylpentaicosane (C ₂₆ H _54), eles são transferidos pelo contacto com o corpo. Com outros, como a mosca tsé-tsé Glossina morsitans morsitans, o feromônio contém os quatro alcanos 2-methylheptadecane (C ₁₈ H _38), 17,21-dimethylheptatriacontane (C ₃₉ H _80), 15,19-dimethylheptatriacontane (C ₃₉ H ₈₀₎ e 15,19,23-trimethylheptatriacontane (C ₄₀ H _82), e atos de cheiro em distâncias mais longas, uma característica útil para controle de pragas.

Relações ecológicas

Orquídea aranha cedo (sphegodes Ophrys)

Um exemplo, no qual ambos os alcanos de plantas e animais desempenham um papel, é a relação entre o ecológico abelha areia ( Andrena nigroaenea) eo orquídea aranha cedo ( Ophrys sphegodes); este último é dependente de polinização no anterior. Abelhas areia usar feromônios, a fim de identificar um companheiro; no caso de A. nigroaenea, as fêmeas emitem uma mistura de tricosane (C ₂₃ H _48), pentacosano (C ₂₅ H ₅₂₎ e heptacosane (C ₂₇ H ₅₆₎ na razão de 3: 3: 1, e os machos são atraídos pelo especificamente este odor. A orquídea leva vantagem deste arranjo de acasalamento para obter a abelha macho para recolher e disseminar seu pólen; partes do seu flor não só se assemelham a aparência de abelhas de areia, mas também produzem grandes quantidades das três alcanos na mesma proporção que a areia abelhas fêmeas. Como resultado numerosos machos são atraídos para as flores e tentam copular com seu parceiro imaginário: embora este esforço não é coroado de êxito para a abelha, ele permite que a orquídea para transferir seu pólen, que serão distribuídos após a saída do frustrado macho para diferentes flores.

Produção

Refino de petróleo

Uma refinaria de petróleo em Martinez, California .

Como afirmado anteriormente, a fonte mais importante de alcanos é gás natural e do petróleo bruto . Alcanos são separados em uma refinaria de petróleo por destilação fraccionada e transformados em muitos produtos diferentes

Fischer-Tropsch

O Processo de Fischer-Tropsch é um método para sintetizar os hidrocarbonetos líquidos, incluindo alcanos, a partir de monóxido de carbono e hidrogénio. Este método é utilizado para a produção de substitutos para destilados de petróleo.

Preparação Laboratório

Geralmente, há pouca necessidade de alcanos a ser sintetizado em laboratório, uma vez que estão geralmente disponíveis comercialmente. Além disso, os alcanos são geralmente não reactivo quimicamente ou biologicamente, e que não sofrem interconversões de grupos funcionais de forma limpa. Quando alcanos são produzidos em laboratório, é muitas vezes um produto secundário da reacção. Por exemplo, a utilização de n-butil-lítio como uma forte de base dá o ácido conjugado, n-butano como um produto secundário:

C ₄ H ₉ Li + _H2O → C ₄ H ₁₀ + LiOH

No entanto, por vezes, pode ser desejável para tornar uma porção de uma molécula para um alcano como funcionalidade ( alquilo grupo), utilizando os métodos acima referidos ou semelhantes. Por exemplo, uma grupo acetato é um grupo alquilo; quando este está ligado a um grupo hidroxi, dá- etanol , o que não é um alcano. Para fazer isso, os métodos mais conhecidos são hidrogenação de alcenos :

RCH = _CH2 + H ₂ → RCH ₂ CH ₃ (R = alquilo )

Alcanos ou grupos alquilo também podem ser preparados directamente a partir de haletos de alquilo na Reação Corey-House-Posner-Whitesides. O Barton-McCombie desoxigenação remove grupos hidroxilo de álcoois, por exemplo

e o Redução de Clemmensen remove grupos carbonilo de aldeídos e cetonas para formar alcanos ou substituído com alquilo por exemplo compostos:

Aplicações

As aplicações de um certo alcano pode ser determinado muito bem de acordo com o número de átomos de carbono. Os quatro primeiros alcanos são utilizados principalmente para fins de aquecimento e de cozinha, e em alguns países para a geração de eletricidade. O metano e etano são os principais componentes do gás natural; eles são normalmente armazenados como gases sob pressão. É, contudo, mais fácil para transportá-los como líquidos: Isto requer tanto a compressão e o arrefecimento do gás.

Propano e butano pode ser liquefeito a pressões relativamente baixas, e são bem conhecidos como gás de petróleo liquefeito (GPL). Propano, por exemplo, é usado no queimador de gás propano, butano em isqueiros descartáveis cigarro. Os dois alcanos são usadas como propulsores em aerossóis.

A partir de pentano para octano os alcanos são razoavelmente líquidos voláteis. Eles são utilizados como combustíveis em motores de combustão interna, como eles vaporizam facilmente à entrada na câmara de combustão sem a formação de gotículas, o que poderia prejudicar a unifomity da combustão. Alcanos de cadeia ramificada são preferidos, uma vez que são muito menos propensos a ignição prematura, o que faz com que bater do que o seu homólogo de cadeia linear. Esta propensão para a ignição prematura é medido pela o nível de octanas do combustível, onde 2,2,4-trimetilpentano (isooctano) tem um valor arbitrário de 100, e heptano tem um valor de zero. Para além da sua utilização como combustíveis, os alcanos de meia também são bons solventes para substâncias não polares.

Alcanos de nonano para, por exemplo, hexadecano (um alcano com dezasseis átomos de carbono) são líquidos de maior viscosidade, cada vez menos adequados para utilização em gasolina. Eles formam a maior parte, em vez de diesel e combustível de aviação. Os combustíveis diesel são caracterizados pela sua o índice de cetano, cetano sendo um antigo nome para hexadecano. No entanto, os pontos de fusão mais elevados destes alcanos pode causar problemas a baixas temperaturas e em regiões polares, em que o combustível se torna demasiado espessa flua correctamente.

Alcanos de hexadecano para cima formar os componentes mais importantes do óleo combustível e óleo lubrificante. Em última função, eles funcionam ao mesmo tempo como agentes anti-corrosivos, como a sua natureza hidrófoba significa que a água não pode atingir a superfície do metal. Muitos alcanos sólidos encontrar utilização como cera de parafina, por exemplo, em velas. Isso não deve ser confundido porém com verdadeira cera, que consiste principalmente de ésteres.

Alcanos com um comprimento de cadeia de cerca de 35 ou mais átomos de carbono encontram-se em betume, usados, por exemplo, na pavimentação de estradas. No entanto, os alcanos mais altas têm pouco valor e são geralmente divididos em alcanos inferiores por rachaduras.

Alguns sintético polímeros, tais como polietileno e polipropileno são alcanos com cadeias contendo centenas de milhares de átomos de carbono. Estes materiais são usados em inúmeras aplicações, e bilhões de quilos de estes materiais são feitos e usados a cada ano.

Propriedades físicas

Ponto de ebulição

Derretimento (azul) e pontos de ebulição (rosa) dos primeiros 14 n alcanos em ° C.

Alcanos experiência inter-moleculares forças de van der Waals . Mais fortes inter-molecular forças de van der Waals dar origem a maiores pontos de ebulição dos alcanos.

Existem dois factores determinantes para a resistência das forças de van der Waals:

• o número de electrões em torno da molécula, o que aumenta com o peso molecular do alcano
• a área de superfície da molécula

Sob condições padrão, a partir de CH ₄ a C ₄ H ₁₀ são alcanos gasosos; de C ₅ a C ₁₂ H ₁₇ H ₃₆ são líquidos; e depois de C ₁₈ H ₃₈ são sólidos. À medida que o ponto de ebulição de alcanos é determinada principalmente por peso, não deve ser uma surpresa que o ponto de ebulição tem quase uma relação linear com o tamanho ( peso molecular ) da molécula. Como regra geral, o ponto de ebulição sobe de 20 - 30 ° C por cada carbono adicionado à cadeia; esta regra aplica-se a outra série homóloga.

Um alcano de cadeia linear terá um ponto de ebulição superior a um alcano de cadeia ramificada, devido à maior área de superfície em contacto, assim, as forças de van der Waals maior, entre moléculas adjacentes. Por exemplo, compare e isobutano n-butano, que ferve a -12 e 0 ° C, e 2,2-dimetilbutano e 2,3-dimetilbutano que ferva a 50 e 58 ° C, respectivamente. Para este último caso, duas moléculas de 2,3-dimetilbutano pode "travar" um no outro melhor do que o 2,2-dimetilbutano em forma de cruz, portanto, as forças de van der Waals maior.

Por outro lado, cicloalcanos tendem a ter pontos de ebulição mais elevados do que as suas congéneres lineares devido às conformações das moléculas bloqueadas, que dão um plano de contacto intermolecular.

Ponto de fusão

Os pontos de fusão dos alcanos seguir uma tendência semelhante para os pontos de ebulição para a mesma razão como descrita acima. Ou seja, (todas as outras coisas sendo iguais) quanto maior a molécula mais elevado o ponto de fusão. Há uma diferença significativa entre os pontos de ebulição e os pontos de fusão. Sólidos tem estrutura mais ondulada e fixo do que os líquidos. Esta estrutura rígida requer energia para quebrar. Assim, as estruturas sólidas mais fortes melhor juntos vai exigir mais energia para quebrar. Para alcanos, isto pode ser visto a partir do gráfico de cima (isto é, a linha azul). Os alcanos ímpares têm uma tendência menor no derretimento pontos que, mesmo numeradas alcanos. Isto é porque até mesmo alcanos numeradas embalar bem na fase sólida, formando uma estrutura bem organizada, que requer mais energia para quebrar. Os alcanos impar-número embalar menos bem e por isso o "looser", organizada estrutura de embalagem sólido requer menos energia para quebrar.

Os pontos de alcanos de cadeia ramificada de fusão pode ser maior ou menor do que os dos correspondentes alcanos de cadeia linear, mais uma vez, dependendo da capacidade do alcano em questão a embalagem bem na fase sólida: Isto é particularmente verdadeiro para os isoalcanos (2 isómeros -metil), que têm frequentemente pontos de fusão mais elevados do que os dos análogos lineares.

Condutividade

Alcanos não conduzem eletricidade , nem são substancialmente polarizada por um campo eléctrico . Por esta razão, eles não formam ligações de hidrogénio e são insolúveis em solventes polares, tais como água. Uma vez que as ligações de hidrogénio entre as moléculas individuais de água estão alinhados de distância a partir de uma molécula de alcano, a coexistência de um alcano água e leva a um aumento da ordem molecular (uma redução na entropia ). Como não há nenhuma ligação significativa entre as moléculas de água e as moléculas de alcano, a segunda lei da termodinâmica sugere que esta redução na entropia deve ser minimizado minimizando o contacto entre o alcano e água: Os alcanos são referidos como sendo hidrofóbica em que repelem a água.

A sua solubilidade em solventes não polares é relativamente boa, uma propriedade que é chamada lipofilicidade. Diferentes são os alcanos, por exemplo, miscível em todas as proporções entre si.

A densidade dos alcanos geralmente aumenta com o aumento do número de átomos de carbono, mas continua a ser inferior à da água. Assim, alcanos formar a camada superior de uma mistura de alcano-água.

Geometria Molecular

sp ³ -hybridisation em metano .

A estrutura molecular dos alcanos afecta directamente as suas características físicas e químicas. É derivado do configuração electrónica de carbono , que tem quatro elétrons de valência. Os átomos de carbono em alcanos são sempre sp hibridado ^3, que é dizer que os electrões de valência são referidos como sendo em quatro orbitais equivalentes derivados a partir da combinação das orbitais 2s e os três 2p orbitais. Estas orbitais, que têm energias idênticos, estão dispostos espacialmente na forma de um tetraedro, o ângulo de cos ^-1 (-⅓) ≈ 109,47 ° entre eles.

Comprimentos de ligação e ângulos de ligação

Uma molécula de alcanos tem apenas C - H e C - ligações C individuais. O primeiro resultado da sobreposição de uma sp³-orbital de carbono com os 1s-orbital de um átomo de hidrogénio; este último pela sobreposição de dois orbitais-sp³ em diferentes átomos de carbono. O vínculo comprimentos montante a 1,09 × 10 ^-10 m para um C - ligação H e 1,54 × 10 ^-10 m para um C - ligação C.

A estrutura tetraédrica de metano.

O arranjo espacial das ligações é semelhante ao das quatro sp³ orbitais - eles estão dispostas tetraedricamente, com um ângulo de 109,47 ° entre eles. As fórmulas estruturais que representam os títulos como sendo em ângulo recto relativamente um ao outro, quando ambos comum e útil, não corresponde com a realidade.

Formação

A fórmula estrutural ea ângulos de ligação não são geralmente suficientes para descrever completamente a geometria de uma molécula. Existe uma outra grau de liberdade para cada carbono - ligação carbono: o ângulo de torção entre os átomos ou grupos ligados aos átomos em cada extremidade da ligação. O arranjo espacial descrito por os ângulos de torção da molécula é conhecida como o seu conformação.

Newman projecções das duas conformações de etano: eclipsada à esquerda, à direita escalonada.

Modelos bola-e-vara dos dois rotâmeros de etano

Etano constitui o caso mais simples para estudar a conformação de alcanos, como há apenas um C - ligação C. Se se olhar para baixo o eixo do C - ligação C, uma verá a chamada Projeção Newman. Os átomos de hidrogénio na parte dianteira e traseira átomos de carbono tem um ângulo de 120 ° entre eles, resultante da projecção da base do tetraedro sobre uma superfície plana. No entanto, o ângulo de torção entre um dado átomo de hidrogénio ligado ao carbono frente e um determinado átomo de hidrogénio ligado ao carbono traseira pode variar livremente entre 0 ° e 360 °. Esta é uma consequência da rotação livre sobre um carbono - carbono vínculo único. Apesar desta aparente liberdade, apenas duas conformações limitantes são importantes: conformação eclipsada e conformação escalonada.

As duas conformações, também conhecido como rot�eros, diferem em energia: A conformação escalonada é de 12,6 kJ / mol menor em energia (mais estável) do que a conformação eclipsada (a menos estável).

Esta diferença de energia entre as duas conformações, conhecido como o energia de torção, é baixa em comparação com a energia térmica de uma molécula de etano à temperatura ambiente. Há constante rotação em torno da ligação CC. O tempo necessário para que uma molécula de etano para passar de uma conformação escalonada para o outro, o equivalente a uma rotação de CH ₃ -group por 120 ° em relação à outra, é da ordem de 10 ^-11 segundos.

O caso de alcanos mais elevadas é mais complexa, mas com base em princípios similares, com a conformação antiperiplanar sempre sendo o mais preferido em torno de cada ligação carbono-carbono. Por esta razão, os alcanos são geralmente mostrado em um arranjo em ziguezague em diagramas ou em modelos. A estrutura real será sempre diferem um pouco destas formas idealizadas, como as diferenças de energia entre as conformações são pequenos em comparação com a energia térmica das moléculas: moléculas Alkane não têm forma estrutural fixo, quaisquer que sejam os modelos podem sugerir.

Propriedades espectroscópicas

Praticamente todos os compostos orgânicos contêm carbono - carbono e carbono - ligações de hidrogênio, e assim mostrar algumas das características de alcanos em seus espectros. Alcanos são notáveis por não ter outros grupos e, portanto, para a ausência de outras características espectroscópicas característicos.

A espectroscopia de infravermelho

O carbono - hidrogénio modo de alongamento dá uma forte absorção entre 2850 e 2960 nanômetros, enquanto o carbono - modo de alongamento de carbono absorve entre 800 e 1300 nm. Os modos de carbono - hidrogénio dobra depende da natureza do grupo de: grupos metilo mostra bandas a 1450 nm e 1375 nm, enquanto que os grupos metileno mostra bandas a 1465 nm e 1450 nm. Cadeias de carbono com mais de quatro átomos de carbono mostram uma fraca absorção em cerca de 725 nm.

Espectroscopia de RMN

As ressonâncias de protões de alcanos são geralmente encontradas em δ _H = 0,5-1,5. As ressonâncias de carbono-13 dependem do número de átomos de hidrogénio ligados ao carbono: δ _C = 8-30 (primária, metilo, -CH _3), 15 - 55 (secundária, metileno, -CH ₂ -), 20-60 (terciário, metino, CH) e quaternário. O carbono-13 de ressonância de átomos de carbono quaternário é caracteristicamente fraco, devido à falta de Efeito nuclear de Overhauser e a longo tempo de relaxamento, e pode ser desperdiçada em amostras fracos, ou amostra que não foram executados por um tempo suficientemente longo.

A espectrometria de massa

Alcanos tem um elevado energia de ionização, e o ião molecular é geralmente fraco. O padrão de fragmentação podem ser difíceis de interpretar, mas, no caso dos alcanos de cadeia ramificada, a cadeia de carbono é preferencialmente clivada em átomos de carbono terciário ou quaternário, devido à estabilidade relativa dos resultantes radicais livres. O fragmento resultante da perda de um único grupo metilo (M-15) é muitas vezes ausente, e outro fragmento são muitas vezes espaçadas por intervalos de catorze unidades de massa, correspondendo à perda sequencial de CH ₂ -Grupos.

Propriedades químicas

Em geral, os alcanos mostram uma reactividade relativamente baixa, porque as suas ligações C são relativamente estáveis ​​e não pode ser facilmente quebrada. Diferentemente da maioria dos outros compostos orgânicos, que não possuem grupos funcionais.

Eles reagem apenas muito mal com substâncias polares iónicos ou outros. O (PK dissociação ácido constantes _uma ) valores de todos os alcanos são acima de 60, portanto, eles são praticamente inerte aos ácidos e bases (ver: os ácidos de carbono). Esta inércia é a fonte do termo parafinas (com o significado aqui de "falta de afinidade"). Em petróleo bruto as moléculas de alcanos permaneceram quimicamente inalterado para milhões de anos.

No entanto reacções redox de alcanos, em especial com oxigénio e os átomos de halogénio, são possíveis como os átomos de carbono estão em condições fortemente reduzida; no caso do metano, o estado de oxidação mais baixo possível para o carbono (-4) é alcançado. Reação com o oxigênio leva a combustão sem fumaça; com halogéneos, substituição. Além disso, alcanos foram mostrados para interagir com, e ligar-se a, complexos de metais de transição em certo (Ver: Activação de ligações carbono-hidrogénio).

Os radicais livres, moléculas com elétrons desemparelhados, desempenhar um grande papel na maior parte das reacções de alcanos, como o craqueamento e reforma onde alcanos de cadeia longa são convertidos em alcanos de cadeia mais curta e alcanos de cadeia linear em isómeros de cadeia ramificada.

Em alcanos altamente ramificados, o ângulo de ligação podem diferir significativamente do valor óptimo (109,5 ° C), a fim de permitir que os diferentes grupos de espaço suficiente. Isto faz com que uma tensão na molécula, conhecida como impedimento estereoquímico, e pode aumentar substancialmente a reactividade.

Reações com oxigênio

Todos os alcanos reagem com o oxigênio em uma reacção de combustão, embora eles se tornam cada vez mais difícil de inflamar, como o número de átomos de carbono aumenta. A equação geral para a combustão completa é:

C_nH_2n2+ (1,5N0,5) O₂→ (N1) H₂O +NCO₂

Na ausência de oxigénio suficiente,monóxido de carbonoou mesmode fuligem pode ser formada, como mostrado abaixo:

C_nH_{(2n + 2)}+ ½ nO₂→ (n + 1)H₂+ nCO

por exemplometano:

2CH₄+ 3O₂→ 2CO + 4H₂O

CH₄+ O₂→ C + 2H₂O

Veja a alkane calor da tabela formação para os dados detalhados. O mudança padrão entalpia de combustão, Δ _c H ^o , por alcanos aumenta em cerca de 650 kJ / mol por CH ₂ grupo. Alcanos de cadeia ramificada ter menores valores de Δ _c H ^o que alcanos de cadeia linear com o mesmo número de átomos de carbono, e por isso pode ser visto a ser um pouco mais estável.

Reações com halogênios

Alcanos reagem com halogéneos numa chamada halogenação de radical livre de reacção. Os átomos de hidrogénio do alcano são progressivamente substituído por átomos de halogénio. Radicais livres são as espécies reactivas que participam na reacção, o que geralmente conduz a uma mistura de produtos. A reacção é altamente exotérmica, e pode levar a uma explosão.

Estas reacções são uma importante rota industrial para hidrocarbonetos halogenados. Existem três passos:

• Iniciação o halogéneo radicais formam por ruptura homolítica. Normalmente, a energia na forma de calor ou de luz é requerida.
• Reacção em cadeia , em seguida, realiza-se - os resumos radicais de halogénio um átomo de hidrogénio a partir do alcano para dar um radical alquilo. Este reage mais.
• "A terminação da cadeiaonde passo os radicais se recombinam.

As experiências têm demonstrado que a totalidade de halogenação produz uma mistura de todos os isómeros possíveis, indicando que todos os átomos de hidrogénio são sensíveis a reacção. A mistura produzida, no entanto, não é uma mistura estatística: átomos de hidrogénio secundárias e terciárias são preferencialmente substituídos, devido à maior estabilidade de radicais livres secundárias e terciárias. Um exemplo pode ser visto na monobromination de propano:

Cracking

Cracking breaks moléculas maiores em menores. Isto pode ser feito com um método térmico ou catalítico. O processo de craqueamento térmico segue um mecanismo homolítica com formação de radicais livres. O processo de craqueamento catalítico envolve a presença de ácidos catalisadores (ácidos normalmente sólidos, tais como sílica-alumina e zeólitos), que promovem uma heterolítica (assimétrica) quebra de ligações que produzam pares de iões de cargas opostas, geralmente um carbo catião e o muito instável hidreto anião . Localizada em carbono de radicais livres e cátions são altamente instáveis ​​e passam por processos de reorganização da cadeia, CC cisão na posição beta (ou seja, craqueamento) e intra e transferência de hidrogênio intermoleculares ou transferência de hidreto. Em ambos os tipos de processos, os correspondentes intermediários reactivos (radicais, iões) são permanentemente regenerado, e assim eles prosseguem por um mecanismo de corrente de auto-propagação. A cadeia de reações, eventualmente, é denunciado por recombinação radical ou íon.

Isomerization e reforma

Isomerização e reformação são processos em que os alcanos de cadeia linear são aquecidos na presença de uma platina catalisador. Em isomerização, os alcanos tornar-se isómeros de cadeia ramificada. Na reforma, os alcanos tornar cicloalcanos ou hidrocarbonetos aromáticos, emitindo hidrogênio como um subproduto. Ambos os processos de aumentar o número de octanas da substância.

Outras reacções

Alcanos reagem com vapor na presença de um níquel catalisador para dar hidrogénio . Os alcanos podem por clorossulfonado e nitrado, embora ambas as reacções necessitam de condições especiais. O fermentação de alcanos de ácidos carboxílicos é de alguma importância técnica. No reacção Reed, dióxido de enxofre, cloro e luz converter hidrocarbonetos de cloretos de sulfonilo.

Perigos

O metano é explosivo quando misturado com o ar (1-8% CH ₄ ) e é um forte gás de efeito estufa : Outros alcanos inferiores também podem formar misturas explosivas com o ar. Os alcanos líquidos mais leves são altamente inflamáveis, embora este risco diminui com o comprimento da cadeia de carbono. Pentano, hexano, heptano, octano e são classificadas como perigosas para o ambiente e prejudicial . O isómero de cadeia linear de hexano é uma neurotoxina, e portanto raramente usada comercialmente.