Alkany – charakterystyka, reakcje i otrzymywanie

Alkany to grupa związków organicznych – węglowodorów nasyconych. Ich wzór ogólny to CnH2n+2. Są słabo rozpuszczalne w wodzie i bezwonne. Najprostszym alkanem jest metan o wzorze sumarycznym CH4. Kolejny związek z tej grupy to etan (C2H6). Każdy następny przedstawiciel alkanów różni się od poprzedniego o grupę atomów -CH2-, a w ten sposób uszeregowane związki określa się mianem szeregu homologicznego. Cechą tak uporządkowanych związków jest stopniowa zmienność ich właściwości fizycznych. I tak pierwsze 4 alkany są gazami w temperaturze pokojowej, te zawierające pomiędzy 5 a 15 atomów węgla to ciecze, a kolejne – ciała stałe. Wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej alkanu obserwuje się wzrost temperatury wrzenia.

Otrzymywanie alkanów:

Znanych jest kilka reakcji prowadzących do powstania związków z grupy alkanów. Poniżej przedstawione zostały najważniejsze z nich.

  1. Katalityczne uwodornienie alkenów/alkinów

CH3CH=CH2 + H2 CH3CH2CH3

(propen)                             (propan)

  1. Reakcja Wurtza – reakcja metalicznego sodu z chlorowcoalkanem

2CH3Cl+2Na→C2H6+2NaCl

  1. Termiczny rozkład soli kwasów karboksylowych

CH3COONa+NaOH → CH4+Na2CO3

  1. Katalityczna redukcja halogenków alkilowych

CH3Cl + H2 → CH4 + HCl

Warto też podkreślić, że istnieją naturalne źródła tych węglowodorów, takie jak gaz ziemny, ropa naftowa czy parafina.

Reakcje charakterystyczne dla alkanów:

Alkany są mało reaktywne chemiczne. Najważniejsze reakcje, którym ulegają to spalanie, reakcja podstawiania (substytucji) i piroliza.

1. Reakcja spalania alkanów:

Spalanie całkowite – przy pełnym dostępie tlenu, z wytworzeniem dwutlenku węgla i wody

2 CnH2n+2 + (3n+1) O2 → 2n CO2 + (2n+2) H2O

CH4 + 3O2 → CO2 + 2H2O

półspalnie – przy ograniczonym dostępie tlenu, w wyniku reakcji powstaje tlenek węgla (II) i woda

2 CnH2n+2 + (2n+1) O2 → 2n CO + (2n+2) H2O

2CH4 + 3O2 → 2CO + 4H2O

Spalanie niecałkowite – przy ograniczonym dostępie tlenu, produktami reakcji są węgiel i woda

2 CnH2n+2 + (n+1) O2 → 2n C + (2n+2) H2O

CH4 + O2 → C + 2H2O

2. Reakcja podstawiania – zastępowanie atomu wodoru przez atom halogenu (chloru, bromu, jodu lub fluoru), zachodzi w warunkach dostępu do światła

CH4 + Cl2  →  CH3Cl + HCl

(metan)       (chlorometan)

Możliwe jest dalsze zastępowanie kolejnych atomów wodoru atomami chloru z wytworzeniem di-, tri- i tetrachlorometanu.

3. Piroliza:

alkan →  H2 + alkany o mniejszej liczbie C + alkeny