Alcani

Hidrocarburile saturate aciclice, numite si alcani, denumire care tinde sa inlocuiasca denumirea uzuala de parafine, sunt formate din catene de atomi de carbon uniti intre ei prin legaturi simple, prin celelalte valente atomii de carbon fiind legati cu atomi de hidrogen. Prin urmare, in moleculele alcanilor apar numai legaturi sigma.

Structura

Cea mai simpla hidrocarbura aciclica, saturata este metanul, CH4. Celelalte hidrocarburi din aceasta clasa pot si considerate formal ca derivati ai metanului rezultati prin substituirea unuia sau mai multor atomi de hidrogen cu radicali de hidrocarburi. Astfel, daca in locul unui atom de hidrogen din metan se gaseste un radical metil, -CH3, hidrocarbura (imediat superioara metanului) are compozitia C2H6 si este etanul. Etanul poate fi considerat ca rezultat prin unirea a doi radicali -CH3.

Daca in molecula etanului unui din atomii de hidrogen este inlocuit formal cu un radical metil, -CH3 hidrocarbura saturata respectiva C3H8, este propanul: CH3-CH2-CH3. Propanul mai poate fi considerat format ca derivand din metan prin inlocuirea a doi atomi de hidrogen cu doi radicali metil, -CH3 (sau prin inlocuirea unui atom de hidrogen cu un radical etil, -C2H5).

Daca se continuia inlocuirea in mod succesiv a cate unui atom de hidrogen din hidrocarburi cu cate un radical -CH3 rezulta o serie de hidrocarburi fiecare deosebindu-se de cea precedenta printr-o gurpa CH2:

O serie de substante in care fiecare termen al seriei se deosebeste de cel precedent si de cel urmator printr-o grupare CH2 se numeste serie omoloaga. Fiecare termen al acestei serii este omologul superior al celui precedent. Structura chimica a catenei termenilor seriei omoloage, adica a omologilor este identica. Ca urmare, si proprietatile chimicie ale omologilor sunt foarte asemanatoare.

Alcanii pot fi: cu catena continua, daca toti atomii de carbon sunt legati de cel multi alti doi atomi de carbon si cu catena ramificata daca unul sau mai multi atomi de carbon din molecula sunt legati de mai mult decat doi alti atomi de carbon. O asemenea izomerie de catena este posibila incepand cu butanul. Numarul izomerilor hidrocarburilor saturate aciclice este foarte mare; el creste cu numarul atomilor de carbon din molecula. De exemplu carbura C10H22 are 75 de izomeri, hidrocarbura C20H42 (eicosan) poate avea 366.319 izomeri. In realitate insa nu s-au izolat toti izomerii posibili.

Nomenclatura

Primii patru alcani cu catena neramificata, adica normali (n-alcani) se numesc: metan, etan, propan, butan. Alcanii superiori au numele formate dintr-un prefix numeric (care arata in limba greaca, numarul atomilor de carbon din molecula) si terminatia an. De exemplu: pentan, hexan, heptan, octan. Pentru hidrocarburile cu doua grupe metil, -CH3, la sfarsitul unei catene liniare, se foloseste prefixul izo- la numele hidrocarburii, iar pentru acelea care contin trei grupe -CH3 la sfarsitul catenei se foloseste prefixuo neo- la numele hidrocarburii.

Radicalii monovalenti derivati din alcani normali prin indepartarea unui atom de hidrogen de la un atom de carbon terminal se numesc alchili normali. Numele lor se formeaza din numele hidrocarburii respective, prin inlocuirea terminatiei an cu terminatia il. De exemplu: CH3 - se numeste metil, CH3-CH2 - se numeste etil, CH3-CH2-CH2 - se numeste propil.

Alcanii cu catena ramificata au numele format din numele catenei laterale notat ca prefix la numele mai cele mai lungi catene prezente in formula. Pozitia catenei laterale se indica printr-un numar. Pentru aceasta, catena cea mai lunga se numeroteaza de la un capat la altul, cu numere arable, in acea directie in care catena laterala sa ocupe pozitia cu numarul cel mai mic. Prezenta ma multor catene laterale identice se indica prin prefixele di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-, hepta-, octa-, nona-, deca- .etc la numele radicalului.

Radicalii bivalenti si trivalenti derivati din alchili, prin indepartarea unui sau a doi atomi de hidrogen de la atomul de carbon care are valenta libera, au numele format prin adaugarea terminatiei -iden respectiv -idin la numele radicalului monovalent corespunzator. De exemplu CH3-CH= se numeste etiliden. Radicalul CH2= se numeste metilen, CH se numeste metilidin iar CH3-C se numeste etilidin.

Formula generala

Intr-o molecula de alcan la n atomi de carbon se gasesc 2n+2 atomi de hidrogen. Prin urmare, formula generala a alcanilor este CnH2n+2. Pe baza formulei generale se poate stabili formula moleculara a oricarui alcan daca i se cunoaste numarul atomilor de carbon. De exemplu, pentru o molecula care contine doi atomi de carbon (n=2), numarul atomilor de hidrogen este 2*2+2=6; formula hidrocarburii respective este deci C2H6 (etan).

Raspandirea in natura

Unii alcani se formeaza prin descompunerea lenta, in absenta aerului, a materiilor organice, mai ales din lemn, turba, lignit, huila. De aceea, ei se gasesc in gudroanele de distilare ale acestor substante. Cantitati mari de alcani se gasesc in petrol si gaze naturale. Astfel, parafina din petrol este un amestec de alcani superiori. Alcani cu numar de atomi de carbon se gasesc in unele plante. Extragerea alcanilor in stare pura din produsele naturale este anevoioasa, proprietatilor lor fiind foarte asemanatoare si punctele de fierbere foarte apropiate.

Metode de obtinere

1. Din clorura de aluminiu:

    Al4C3 + 12H20 3CH4 + 4Al(OH)3
    Al4C3 + 12HCl 3CH4 + 4AlCl3

2. Din hidrocarburi nesaturate (care contin legatura dubla sau tripla)

    alchena + H2 alcan (reactie de aditie) - se foloseste drept catalizator nichel

3. Din derivati halogenati

    a) Reactia Wurtz: R-X + R-X + 2Na 2NaX + R-R (alcanul care rezulta este un alcan simetric)
        X poate fi: Cl, Br, I

    b) R-X + Mg RMgX (conditii de reactie: eter <R-O-R>, anhidru)

4. Acizi carboxilici

    R-COOH + NaOH H2O + R-COONa (carboxilat de sodiu) Na2CO3 + R-H (topire alcalina)

5. Electroliza Kolbe a carboxilatilor de Na

    R-COONa RCOO + Na
    H20 H + OH
    catod(-) H + 1e H (reducere)
                   H20 H + OH
    anod(+) RCOO -1e RCOO R + CO2
                   R + R R-R (alcan simetric)
    2RCOONa + 2H20 R-R + 2CO2 + H2 + 2NaOH

Reactii chimice

1. Halogenare ( Cl2, Br2)

    R-X + X2 R-X + HX (produsul rezultat este un derivat halogenat)
    Exemple: CH4 + Cl2 CH3-Cl + HCl (clorura de metil sau clor metan)
                      CH4 + 2Cl2 CH2-Cl2 + 2HCl (clorura de metilen sau diclor metan)

2. Descompunerea termica ( < 650 grade - cracare; > 650 grade - piroliza)

    CnH2n+2 CmH2m+2 + CpH2p unde n=m+p iar p >= 2
    Piroliza metanului: 2CH4 CHCH + 3H2

3. Izomerizarea alcanilor (se face in prezenta de AlCl3 la temperaturi cuprinse intre 50 si 100 grade C)
    Reactia de izomerizare este o reactie reversibila.

4. Oxidarea

    a) Arderea : CnH2n+2 + O2 CO2 + H2O + Q - reactie exoterma dH < 0
    b) Oxidarea incompleta

       R-CH3 + O2 R-CH2-OH + R-CH=O + RCOOH
       Oxidarea CH4: CH4 + O2 CH3-O-H (alcool metilic)
                                   CH4 + 3/2 O2 CO + 2H20 (ardere incompleta)

5. Reactia de nitrare

      R-H + HNO3 R-NO2 + H2O (nitroderivat)
      CH4 + HNO3 CH3-NO2 + H2O (nitrometan)
      CH3-CH2-CH3 + HNO3 CH3-CH2-CH2-NO2 + H20 (1-nitropropan)

Utilizarile alcanilor

Alcanii pot fi folositi drept combustibili
Alcanii sunt folositi pentru obtinerea de compusi chimici cu diferite utilizari
Clorura de metil este un agent frigorific
Acidul cianhidric folosit la obtinerea fibrelor sintetice