Alkaanit

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Metaani on yksinkertaisin alkaani

Alkaani on hiilivety, jossa hiiliatomien välillä on vain yksinkertaisia kovalenttisia sidoksia. Niitä kutsutaan myös tyydyttyneiksi hiilivedyiksi, sillä ne sisältävät suurimman mahdollisen määrän vetyä hiiliatomia kohden. Jos alkaanissa ei ole rengasta eli se on asyklinen, sen yleinen molekyylikaava on CnH2n+2. Syklisen alkaanin kaava on vastaavasti CnH2n.

Isomeria[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Asyklisten alkaanien isomeria[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yksinkertaisin alkaani on metaani (CH4). Se on ainoa alkaani, joka muodostuu yhdestä hiiliatomista. Samaan tapaan etaani (CH3CH3) on ainoa kahdesta ja propaani (CH3CH2CH3) kolmesta hiiliatomista muodostuva suoraketjuinen alkaani. Neljästä hiiliatomista on kuitenkin mahdollista muodostaa kaksi erilaista asyklistä alkaania: butaani ja 2-metyylipropaani eli isobutaani. Butaanin ja isobutaanin molekyylikaava on sama C4H10, mutta niiden rakenne on erilainen – ne ovat toistensa rakenteellisia isomeereja. Asyklisten alkaanien isomeerien määrä kasvaa merkittävästi yhdisteen atomimäärän kasvaessa:

2 etaanimolekyyliä akselin suunnasta katsottuna. Niiden vetyatomit voivat vaihtaa geometrista suhdettaan kiertymällä hiili-hiili-sidoksen varassa. Molemmat kuvatut tapaukset ovat mahdollisia, mutta jälkimmäinen on paljon todennäköisempi.
Asyklisten alkaanien isomeerit
Molekyylikaava Isomeerien lkm.
C5H12 3
C6H14 5
C7H16 9
C8H18 18
C9H20 35
C10H22 75
C15H32 4 347
C20H42 366 319
C30H62 4 111 846 763

Asyklinen alkaani voi kiertyä hiili-hiili-sidostensa kautta. Tämän vuoksi se on konformaatioisomerialtaan hyvin monipuolinen. Positiivisen osittaisvarauksen omaavat vetyatomit kuitenkin pääsääntöisesti ovat mahdollisimman kaukana toisistaan minimienergiaperiaatteen mukaisesti.

Sykloalkaanien isomeria[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sykloalkaanit ovat konformaatioisomerialtaan asyklisiin alkaaneihin verrattuna jäykempiä. Esimerkiksi syklopropaanin hiili-hiili-sidosten on mahdotonta kiertyä rengasrakenteen särkymättä. Kiertyminen mahdollistuu vasta riittävän isoilla sykloalkaaneilla – C25 ja sitä suurempien sykloalkaanien vetyatomien kiertyminen ei juurikaan eroa enää suoraketjuisien alkaanien kiertymisestä. Yleisimmillä sykloalkaaneilla C3-7 kiertyminen on kuitenkin äärimmäisen rajoittunutta.

Muotonsa vuoksi alkyyliryhmiä sisältävillä sykloalkaaneilla voi esiintyä cis-trans-isomeriaa. Tällöin alkyyliryhmät ovat renkaan samalla tai eri puolella.

Nimeäminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suoraketjuisten alkaanien nimeäminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suoraketjuiset alkaanit eli n-alkaanit nimetään niiden sisältämien hiiliatomien mukaan seuraavasti:

N-alkaanien nimeäminen
Hiiliatomien
määrä
Rakennekaava Nimi
1 CH4 Metaani
2 CH3CH3 Etaani
3 CH3CH2CH3 Propaani
4 CH3CH2CH2CH3 Butaani
5 CH3(CH2)3CH3 Pentaani
6 CH3(CH2)4CH3 Heksaani
7 CH3(CH2)5CH3 Heptaani
8 CH3(CH2)6CH3 Oktaani
9 CH3(CH2)7CH3 Nonaani
10 CH3(CH2)8CH3 Dekaani
11 CH3(CH2)9CH3 Undekaani
12 CH3(CH2)10CH3 Dodekaani
13 CH3(CH2)11CH3 Tridekaani
14 CH3(CH2)12CH3 Tetradekaani
15 CH3(CH2)13CH3 Pentadekaani
16 CH3(CH2)14CH3 Heksadekaani
17 CH3(CH2)15CH3 Heptadekaani
18 CH3(CH2)16CH3 Oktadekaani
19 CH3(CH2)17CH3 Nonadekaani
20 CH3(CH2)18CH3 Eikosaani
21 CH3(CH2)19CH3 Heneikosaani
30 CH3(CH2)28CH3 Triakontaani

Alkaanien nimeäminen perustuu neljää ensimmäistä lukuun ottamatta kreikankielisiin lukusanoihin, joihin on lisätty -aani pääte. Orgaanisten yhdisteiden IUPAC:n mukainen nimeämiskäytäntö, jonka mukaan alkaanitkin nimetään, perustuu nimen jakamiseen kolmeen osaan: alku-, keski- ja loppuosaan.

Alkuosasta käy ilmi yhdisteen sisältämän funktionaalisen ryhmän tai alkyyliryhmän paikka. Alkuosaa ei kuitenkaan merkitä, jos ryhmällä on vain yksi mahdollinen paikka tai, kuten n-alkaanien tapauksessa, sitä ei ole.

Nimen keskiosasta käy ilmi sen sisältämän pisimmän yhtenäisen hiiliketjun hiiliatomien lukumäärä, n-alkaanien tapauksessa se tarkoittaa koko yhdisteen sisältämien hiiliatomien lukumäärä. Esimerkiksi keskiosa "pent" tarkoittaa siten viiden hiiliatomin yhtenäistä ketjua.

Yhdisteen nimen loppuosa kuvaa mihin luokkaan yhdiste kuuluu. Alkaaneilla pääte on -aani. Siten viidestä hiiliatomista koostuva n-alkaani on nimeltään pentaani.

Haaraketjuisten alkaanien nimeäminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

2-metyylibutaanin viivakaava. Hiiliketjua ilmaisevia numeroita ei normaalisti merkitä.

Haaraketjuisten eli iso-alkaanien nimen keskiosa määräytyy pisimmän yhtenäisen hiiliketjun mukaan. Ketjun haarat ilmaistaan tällöin tiettyinä funktionaalisina ryhminä, alkyyleinä. Alkyylit ovat yksinkertaisesti alkaaneja, joista puuttuu yksi vetyatomi. Alkyyliryhmä ja sen paikka ilmaistaan yhdisteen nimen alkuosassa. Esimerkiksi butaani, jonka toiseen (2.) hiileen on liittynyt metyyli, on nimeltään 2-metyylibutaani. Pisimmän hiiliketjun laskeminen aloitetaan sieltä, mistä funktionaaliseen ryhmään on lyhyin matka. Jos funktionaalisia ryhmiä on useita ja kummastakin päästä ensimmäisiin ryhmiin on yhtä pitkä matka, laskeminen aloitetaan sieltä, mistä myös matka seuraavaan funktionaaliseen ryhmään on lyhyempi.

Sykloalkaanien nimeäminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sykloalkaanit nimetään liittämällä hiilivedyn nimeen syklo-etuliite.

Sykloalkaanien nimeäminen
Hiiliatomien
määrä
Rakennekaava Nimi
3 (CH2)3 Syklopropaani
4 (CH2)4 Syklobutaani
5 (CH2)5 Syklopentaani
6 (CH2)6 Sykloheksaani

Mikäli sykloalkaaniin on liittynyt hiiliketju, jonka sisältämien hiiliatomien lukumäärä on pienempi tai yhtä suuri kuin sykloalkaani-renkaan sisältämien hiiliatomien lukumäärä, yhdiste nimetään alkyylisubstituutin sisältävänä sykloalkaanina. Vastaavasti, jos sykloalkaanirenkaaseen on liittynyt hiiliketjultaan pidempi alkaani, yhdiste nimetään sykloalkaanisubstituutin sisältävänä alkaanina.

Sykloalkaanin hiiliketjun laskeminen aloitetaan substituentin sisältävästä hiiliatomista, josta toisen substituentin sisältävään hiiliatomiin on lyhyempi matka. Mikäli vaihtoehtoja on useita, pyritään lyhyimpään matkaan myös seuraavaan substituentin sisältävään hiiliatomiin (kolmas, neljäs...), kunnes eroavaisuus tietyn vaihtoehdon eduksi mahdollisesti löytyy. Mikäli lyhyimpien matkojen mukainen nimeämistyö johtaa useisiin vaihtoehtoihin, nimi valitaan aakkosjärjestyksen mukaan siten, että yhdisteessä ennemmin tuleva substituentti saa pienemmän numeron: esimerkiksi 1-etyyli-2-metyylisyklopentaani eikä 2-etyyli-1-metyylisyklopentaani. Tämä menettely pätee alkyyliryhmien lisäksi halogeeneihin.

Fysikaaliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaikki alkaanit ovat poolittomia. Alkaanit ovat lisäksi vettä kevyempiä, eivätkä liukene siihen käytännössä ollenkaan.

Asyklisten alkaanien ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Olomuodot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Haaroittumattomien alkaanien sulamis- ja kiehumispisteet suurenevat hiiliketjun pituuden kasvaessa:

N-alkaanien sulamis- ja kiehumispisteita.svg
N-alkaanien sulamis- ja kiehumispisteitä
Nimi Rakennekaava Sulamispiste (°C) Kiehumispiste (°C)
Metaani CH4 −182 −162
Etaani CH3CH3 −183 −89
Propaani CH3CH2CH3 −188 −42
Butaani CH3CH2CH2CH3 −138 −0,5
Pentaani CH3(CH2)3CH3 −130 36
Heksaani CH3(CH2)4CH3 −95 69
Heptaani CH3(CH2)5CH3 −91 98
Oktaani CH3(CH2)6CH3 −57 126
Nonaani CH3(CH2)7CH3 −54 151
Dekaani CH3(CH2)8CH3 −30 174
Undekaani CH3(CH2)9CH3 −26 196
Dodekaani CH3(CH2)10CH3 −10 216
Sykloalkaanien sulamis- ja kiehumispisteita.svg

Sulamis- ja kiehumispisteiden kasvu n-alkaanin molekyylimassan kasvaessa johtuu molekyylien välisten van der Waalsin voimien eli dispersiovoimien kasvusta. Molekyylin koon kasvaessa elektronien paikkakohtaisen jakautumisen volatiliteetti kasvaa ja siten molekyylien saamat väliaikaiset dipolimomentit ovat suurempia.

Haaroittuneisuus alentaa alkaanin kiehumispistettä. Esimerkiksi n-pentaanin kiehumispiste on normaalipaineessa 36,1°C, yhden haaran sisältävän isopentaanin (2-metyylibutaanin) 27,85°C ja kaksihaaraisen neopentaanin (2,2-dimetyylipropaanin) 9,5°C. Haaroittuneiden alkaanien alemmat kiehumispisteet selittyvät niiden muodoilla – pyöreämpinä niiden pinta-ala ja siten elektronien paikkakohtaisen jakautumisen volatiliteetti on pienempi, mikä heikentää niiden dispersiovoimia.

Huoneenlämpötilassa ja normaalipaineessa suoraketjuiset alkaanit metaanista butaaniin ovat kaasuja, pentaanista C17H36:een nesteitä ja siitä eteenpäin kiinteitä aineita.

Sykloalkaanien ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Olomuodot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sykloalkaanien kiehumispisteet kasvavat suoraketjuisten alkaanien tapaan molekyylimassan kasvaessa. Sulamispisteet kuitenkin vaihtelevat suuresti eri yhdisteillä sykloalkaanien erilaisten muotojen vuoksi.

Kemialliset reaktiot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Alkaanit eivät yleisesti reagoi kovin voimakkaasti, koska niiden hiili-hiili- ja hiili-vety-sidokset ovat vahvoja kovalenttisia sidoksia. Muutamien aineiden kuten hapen, halogeenien ja typpihapon kanssa ne kuitenkin reagoivat sopivissa olosuhteissa varsin herkästi.

Alkaanien substituutioreaktiot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Substituutioreaktiossa yksi tai useampi alkaanin vetyatomeista korvautuu toisella atomilla tai atomiryhmällä. Halogeeneja liitettäessä reaktiota kutsutaan halogenoinniksi. Alkaanit reagoivat muun muassa kloorin kanssa säteilytettäessä ultraviolettivalolla. Tällöin syntyy eri määrin klooria sisältäviä yhdisteitä sekä suolahappoa. Esimerkiksi metaani reagoi kloorin kanssa seuraavasti:

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

muodostaen metyylikloridia (CH3Cl) ja suolahappoa. Jos klooria on riittävästi, metaanista syntyy myös dikloorimetaania (CH2Cl2), trikloorimetaania eli kloroformia (CHCl3) ja tetrakloorimetaania eli hiilitetrakloridia (CCl4).[1]

Suurimolekyylisempien alkaanien reagoidessa kloorin kanssa eivät hiiliatomien väliset sidokset katkea. Niinpä esimerkiksi etaanista (C2H6) voi kloorattaessa syntyä useita kloorattuja hiilivetyjä, joiden molekyyleissä klooriatomien lukumäärä vaihtelee yhdestä (etyylikloridissa, ClCH2–CH3) kuuteen (heksakloorietaanissa, Cl3C–CCl3), mutta joissa kaikissa on edelleen kaksi hiiliatomia.[1]

Bromi reagoi joidenkin alkaanien kanssa samaan tapaan kuin kloorikin, mutta hitaammin. Se syrjäyttää kuitenkin vedyn vain sellaisista hiiliatomeista, jotka ovat sitoutuneet kolmeen muuhun hiiliatomiin ja vain yhteen vetyatomiin.[1]

Fluorin kanssa alkaanit reagoivat niin kiivasti, että niiden molekyylit hajoavat täysin. Kaikki niissä olevat hiiliatomien väliset sidokset katkeavat, ja useampikin hiiliatomeja sisältävistä alkaaneista syntyy vain tetrafluorimetaania ja vetyfluoridia, esimerkiksi:[1]

H3C–CH3 + 7 F2 → 2 CF4 + 6 HF

Alkaanien nitraus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Korkeissa lämpötiloissa höyrytilassa alkaanit reagoivat myös typpihapon kanssa. Tämäkin on substituutio­reaktio ja tapahtuu seuraavasti (R merkitsee mielivaltaista hiili- ja vetyatomeista koostuvaa alkyyliryhmää):

R–CH3 + HNO3 → R–CH2–NO3 + H2O

Tällöin kuitenkin vain yksi vetyatomi korvautuu nitraattiryhmällä (NO3), mutta hiiliatomien väliset sidokset saattavat samalla katketa. Reaktiotuotteita sanotaan nitroalkaaneiksi.[1]

Alkaanien palaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Korotetussa lämpötilassa alkaanit reagoivat tiettyä syttymispistettä korkeammissa lämpötiloissa erityisen herkästi hapen kanssa; ne palavat. Reaktiotuotteina syntyy hiilidioksidia ja vettä, ja samalla vapautuu runsaasti energiaa lämpönä.[1] Tähän perustuu hiilivetyseosten bensiinin, raskaan ja kevyen polttoölhjn sekä maakaasun käyttö polttoaineina moottereissa ja lämmityslaitteissa. Energiaa vapauttavaa reaktiota kutsutaan eksotermiseksi. Esimerkiksi metaanin, jota muun muassa maakaasu pääosin on, palamisreaktio:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O        +890kJ/mol

Suuremmatkin alkaanit hajoavat palaessaan täysin eli kaikki niiden molekyyleissä olevat sidokset katkeavat. Esimerkiksi propaanin, nestekaasun pääaineksen palamisreaktio on:[1]

H3C–CH2–CH3 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2       +2213kJ/mol

Jos happea ei ole riittävästi, osaan hiiliatomeista liittyy kuitenkin vain yksi happiatomi; tällöin syntyy hiilimonoksidia eli häkää.[1]

Krakkaus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Korkeassa lämpötilassa ja paineessa saattavat hiiliatomien väliset sidokset katketa. Reaktiota sanotaan krakkaukseksi. Tällöin syntyy välivaiheena erittäin reaktioherkkiä vapaa radikaaleja, jotka ovat lyhytikäisiä ja reagoivat keskenään muodostaen uusia, yleensä alkuperäistä pienimolekyylisempiä hiilivetyjä. Krakkauksella on tärkeä merkitys öljynjalostuksessa.[1]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • alkyylit, jotka ovat kuin alkaaneja, mutta joista puuttuu vetyatomi.
  • alkeenit, jotka sisältävät yhden tai useamman kovalenttisen kaksoissidoksen.
  • alkyynit, jotka sisältävät kolmoissidoksen.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • John McMurry: ”3, Organic Compounds: Alkanes and Cycloalkanes”, Organic Chemistry (5th ed.), s. 74-111. , 1999. ISBN 0-534-37366-6. (englanniksi)

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c d e f g h i Pentti Mälkönen: Orgaaninen kemia, s. 22–27. Otava, 1979. ISBN 951-1-05378-7.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]