Alkany – podstawy

Definicja i podstawowe cechy

• Alkany (węglowodory nasycone) to związki organiczne, w których pomiędzy wszystkimi atomami węgla występują wyłącznie wiązania pojedyncze.
• Brak wiązań podwójnych i potrójnych oznacza nasycenie cząsteczki maksymalną liczbą atomów wodoru.

Wzór ogólny i znaczenie symboli

• Ogólny wzór sumaryczny szeregu alkanów: $C<em>nH</em>{2n+2}$ gdzie:
  • $n$ – liczba atomów węgla w cząsteczce,
  • $2n+2$ – liczba atomów wodoru wynikająca z nasycenia.
• Masa atomowa węgla: $m<em>C = 12\,u$; masa atomowa wodoru: $m</em>H = 1\,u$ (u – jednostka masy atomowej).

Szereg homologiczny

• Szereg homologiczny to uporządkowany zbiór związków organicznych mających:
  • podobną budowę (różnią się o stałą grupę homologiczną $!!!-CH_2!!!$),
  • zbliżone właściwości chemiczne,
  • regularnie rosnącą masę cząsteczkową wraz ze wzrostem $n$.

Nazwy i wzory pierwszych alkanów

• $CH_4$ – metan
• $C<em>2H</em>6$ – etan
• $C<em>3H</em>8$ – propan
• $C<em>4H</em>{10}$ – butan
• $C<em>5H</em>{12}$ – pentan
• $C<em>6H</em>{14}$ – heksan
• $C<em>7H</em>{16}$ – heptan
• $C<em>8H</em>{18}$ – oktan
• $C<em>9H</em>{20}$ – nonan
• $C<em>{10}H</em>{22}$ – dekan

Przykład obliczeniowy – wyznaczanie wzoru alkanu na podstawie masy molowej

Dane z transkryptu: masa cząsteczkowa nieznanego alkanu: $72\,u$.

1. Przyjmujemy wzór ogólny: $C<em>xH</em>{2x+2}$.
2. Zapisujemy równanie na masę cząsteczkową, korzystając z mas atomowych:
   $12x + 1\cdot(2x+2) = 72$
3. Porządkujemy równanie:
   $12x + 2x + 2 = 72$
   $14x + 2 = 72$
4. Rozwiązujemy:
   $14x = 70 \;\;\Rightarrow\;\; x = 5$
5. Podstawiamy $x = 5$ do wzoru ogólnego:
   $C<em>5H</em>{2\cdot5+2} = C<em>5H</em>{12}$
6. Wniosek: nieznany związek to pentan.

Kluczowe obserwacje i zależności

• Każdy kolejny alkan w szeregu homologicznym zawiera o $!!!-CH_2!!!$ więcej niż poprzedni.
• Wzrost liczby atomów węgla skutkuje:
  • wzrostem masy cząsteczkowej,
  • rosnącymi temperaturami wrzenia i topnienia,
  • zmianą stanu skupienia (metan–butan: gazy, pentan–dekan: ciecze w warunkach pokojowych).
• Ponieważ alkany mają tylko wiązania $\sigma$, są stosunkowo mało reaktywne chemicznie; główne reakcje to spalanie całkowite i niecałkowite, chlorowanie, kraking oraz izomeryzacja.

Podsumowanie

• Alkany to podstawowa rodzina węglowodorów nasyconych opisana wzorem $C<em>nH</em>{2n+2}$.
• Szereg homologiczny pozwala przewidywać właściwości kolejnych członków na podstawie wzoru i liczby atomów węgla.
• Znajomość mas atomowych umożliwia szybkie wyznaczanie wzoru sumarycznego nieznanego alkanu z jego masy molowej.