Alkaanit

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 C_nH_2n+2. Syklisen alkaanin kaava on vastaavasti C_nH_2n.

Isomeria

Asyklisten alkaanien isometria

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

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 C_3-7 kiertyminen on kuitenkin äärimmäisen rajoittunutta.

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

Nimeäminen

Suoraketjuisten alkaanien nimeäminen

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

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

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

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

Asyklisten alkaanien ominaisuudet

Olomuodot

Haaroittumattomien alkaanien sulamis- ja kiehumispisteet suurenevat hiiliketjun pituuden kasvaessa:

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

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

Olomuodot

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

Reagointi

Alkaanit eivät yleisesti reagoi kovin voimakkaasti, koska niiden hiili-hiili- ja hiili-vety-sidokset ovat vahvoja kovalenttisia sidoksia. Sopivissa olosuhteissa alkaanit kuitenkin reagoivat hapen, kloorin ja muutamien muiden yhdisteiden kanssa.

Alkaanien substituutioreaktiot

Substituutioreaktiossa jokin alkaanin vetyatomi tai alkyyliryhmä 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.

Alkaanien palaminen

Alkaanien palaminen, esimerkiksi polttoaineena moottoreissa, vapauttaa hiilidioksidin ja veden lisäksi runsaasti energiaa. Energiaa vapauttavaa reaktiota kutsutaan eksotermiseksi. Esimerkiksi metaanin, jota muun muassa maakaasu pääosin on, palamisreaktio:

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

Katso myös

• alkyylit, jotka ovat kuin alkaaneja, mutta joista puuttuu vetyatomi.
• alkeenit, jotka sisältävät yhden tai useamman kovalenttisen kaksoissidoksen.
• alkyynit, jotka sisältävät kolmoissidoksen.
• krakkaus, joka on kemianteollisuudessa käytettävä menetelmä, jolla muun muassa alkaaneja voidaan pilkkoa pienemmiksi.

Lähteet

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

Hiilivedyt

Alkaanit	metaani etaani propaani butaani pentaani heksaani heptaani oktaani nonaani dekaani undekaani dodekaani CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 C11H24 C12H26
Alkeenit	eteeni propeeni buteeni penteeni hekseeni hepteeni okteeni noneeni dekeeni undekeeni dodekeeni   C2H4 C3H6 C4H8 C5H10 C6H12 C7H14 C8H16 C9H18 C10H20 C11H22 C12H24
Alkyynit	etyyni propyyni butyyni pentyyni heksyyni heptyyni oktyyni nonyyni dekyyni undekyyni dodekyyni   C2H2 C3H4 C4H6 C5H8 C6H10 C7H12 C8H14 C9H16 C10H18 C11H20 C12H22