6.4. Alkaanid

Alkaanid on süsivesinikud, mille struktuuris esinevad ainult üksiksidemed.

Alkaanid on küllastunud süsivesinikud, mille struktuuris esinevad ainult üksiksidemed (st puuduvad kordsed sidemed). Alkaanid võivad olla nii sirge kui ka hargneva ahelaga. Lisaks võivad alkaanide molekulide ahelad moodustada tsükleid (tsükloalkaane). Alkaane kutsutakse "küllastunud süsivesinikeks" seetõttu, et need ei ole võimelised osalema liitumisreaktsioonides. Alkaanide, nende omaduste, nimetamise ja isomeeridega saad tutvuda järgnevas videos.

Allikas: https://youtu.be/F27sXv0K2Oo

Alkaanide nimetamine

Alkaanide nimetamisel kasutatakse järelliidet -aan. On väga oluline õppida pähe esimese kümne sirge ahelaga alkaani nimetused, sest nendel põhineb suurel määral ka teistesse aineklassidesse kuuluvate orgaaniliste ühendite nimetamine. Sirge ahelaga alkaanide nimetuste õppimise muudab lihtsamaks see, et alates viiesüsinikulistest ahelatest lähtub alkaani nimetus lihtsalt süsinike arvu märkivast tüvest (analoogiliselt eesliidetele oksiidide nimetamisel), mille lõppu on lisatud -aan.

Tabel 1. Sirge ahelaga alkaanide nimetused

Hargnenud ahelaga alkaanide nimetamisel tuleb molekuli kõige pikemale süsinikahelale vastava alkaani nimetus võtta tüviühendi nimetuseks, mille ette kirjutatakse asendusrühmade (põhiahelast hargnevate külgahelate) asukohta põhiahela suhtes märkivad numbrid ja rühmade nimetused. Põhiahela süsinikuaatomid peab nummerdama nii, et rühmade asendeid kirjeldavad numbrid tuleksid võimalikult väikesed.

Rühma nimetus on sarnane vastava alkaani nimetusele, ainult -aan liite asemel on -üül: metüül, etüül, propüül jne.

Asukoha nr + (vajadusel eesliide) + rühma nimetus + tüviühendi nimetus.

Kui ühesuguseid rühmi on mitu, siis kasutatakse nende arvu märkimiseks kreeka keelest pärit eesliidet.

• Mono - üks
• Di - kaks
• Tri – kolm
• Tetra – neli
• Penta – viis
• Heksa – kuus
• Hepta – seitse
• Okta – kaheksa
• Nona – üheksa
• Deka – kümme

Praktikas jäetakse eesliide "mono" enamasti ära.

Kui erinevat tüüpi asendusrühmi on mitu, siis märgitakse need tähestiku järjekorras (koos vastavate asukohanumbrite ja eesliidetega) tüviühendi ette. Seetõttu märgitakse alkaani nimetuses näiteks etüülrühm enne metüülrühma.

Joonis 1. Näiteid hargnenud alkaanide nimetamisest

Alkaanide füüsikalised omadused

Alkaanide füüsikalised omadused sõltuvad molekulide suurusest.

Kõigi ainete, ka alkaanide puhul kasvavad molekuli suuruse kasvuga ka molekulidevahelised jõud, mistõttu tõuseb ainete keemistemperatuur. Ühe- kuni neljasüsinikulised alkaanid on toatemperatuuril gaasid. Kui süsinikuaatomite arv alkaanis on 5–18, on nad enamasti vedelikud, suurema molekuliga alkaanid on tahked ained. Alkaanide sulamis- ja keemistemperatuurid sõltuvad ka nende ahelate kujust. Sirge ahelaga alkaanide sulamis- ja keemistemperatuurid on üldreeglina kõrgemad kui sama C- ja H-aatomite arvuga hargnenud alkaanidel. Mida hargnenum on alkaani struktuur, seda madalam on üldiselt tema sulamis- ja keemistemperatuur. Sirge ahelaga alkaanid paigutuvad paremini üksteise kõrvale ja omavad suuremat efektiivset kokkupuutepinda kui hargnenud ahelaga alkaanid. Seetõttu mõjuvad sirge ahelaga alkaanimolekulide vahel ka tugevamad molekulidevahelised jõud.

Joonis 2. Heksaani (vasakul) keemistemperatuur on 69 °C, 2,2-dimetüülbutaani (paremal) keemistemperatuur on aga 50 °C. Kuigi nende ühendite molekulivalem on sama, on 2,2-dimetüülbutaani molekulid kerakujulisemad ja neid ei saa nii efektiivselt üksteise kõrvale paigutada kui sirge ahelaga molekule, mistõttu on molekulidevahelised jõud nõrgemad

Alkaanid on mittepolaarsed ja hüdrofoobsed ühendid, mis ei anna vesiniksidemeid.

Alkaanid on mittepolaarsed ühendid, sest sisaldavad ainult praktiliselt mittepolaarseid C–H sidemeid ega saa moodustada vesiniksidemeid. Seetõttu lahustuvad alkaanid polaarsetes lahustites halvasti ja on vees praktiliselt mittelahustuvad. Alkaanid on hüdrofoobsed ehk vett-tõrjuvad ained. Vedelad ja tahked alkaanid on veest kergemad (väiksema tihedusega) ained.

Alkaanide keemilised omadused

Alkaanid on väga inertsed ning tavatingimustes ei reageeri praktiliselt millegagi. Kõrgemal temperatuuril alkaanid süttivad ning reageerivad hapnikuga ehk põlevad. Alkaanide põlemine on üks tähtsamaid reaktsioone, mille saadusteks on vesi ja süsihappegaas (täieliku põlemise korral ehk piisaval hapniku ligipääsul). Alkaanide põlemise käigus vabaneb palju ka energiat ning seetõttu kasutatakse alkaane kütusena. Näiteks propaan põleb järgneva võrrandi kohaselt:

Joonis 3. Propaani põlemine

Mugavam on sama reaktsiooni väljendada propaani molekulivalemit kasutades:

C₃H₈ + 5O₂→ 3CO₂ + 4H₂O

Alkaanidele on iseloomulikud asendusreaktsioonid halogeenidega. Asendusreaktsioon on reaktsioon, mille käigus molekulis asendatakse mingi aatom (või aatomite rühm) teise aatomi (või aatomite rühmaga). Need reaktsioonid on tööstuses väga olulised, sest võimaldavad saada alkaanidest reaktsioonivõimelisemaid ühendeid.

Alkaanidele on iseloomulikud asendusreaktsioonid.

Asendusreaktsioon halogeeniga vajab esmalt halogeenimolekulide lagundamist aatomiteks, mis on radikaalid – paardumata elektroniga osakesed. Reaktsiooni saadusteks on halogenoalkaan, kus üks või mitu vesinikku alkaanis on asendunud halogeeniaatomiga, ning vesinikhalogeniid. Mida hargnenum on süsinikahel C–H sideme juures, seda kiiremini sideme H-aatom halogeenimisreaktsioonis asendub. Samas pole need reaktsioonid väga selektiivsed ja seetõttu tekib sageli erinevate halogeeniühendite segu.

Joonis 4. Metaani kloorimine on lihtne näide alkaani halogeenimisest. Esimeses etapis tekib klorometaan

Joonis 5. Propaani broomimine

  Loe lisaks: Radikaalreaktsioonid.

Side halogeeniaatomite vahel on küllaltki nõrk ja selle lõhkumiseks on vaja suhteliselt vähe energiat. Seetõttu võib Hal-Hal side katkeda UV-kiirguse või kõrge temperatuuri mõjul:

Cl₂ $\xrightarrow{UV-kiirgus}$ 2 Cl∙

Kuna halogeeniaatomid tõmbavad kovalentse sideme elektrone enda poole võrdselt, jääb kovalentse sideme katkemisel antud juhul kummalegi halogeeniaatomile üks paardumata elektron, mida märgime võrrandis punktikesega. Moodustub radikaal, mis on  väga reaktsioonivõimeline, sest halogeeniaatom soovib saavutada elektronoktetti, kuid radikaalil on väliskihis ainult 7 elektroni. Halogeeniaatom võib võtta elektronokteti saavutamiseks omakorda süsivesinikult vesinikuaatomi:

Cl∙ +  CH₄→ HCl + ∙CH₃

Kuid selle käigus jääb paardumata elektron süsinikule ja süsivesinikust moodustub uus radikaal. Tekkinud radikaal võib analoogiliselt edasi reageerida:

∙CH₃ + Cl₂→ CH₃Cl + Cl∙

Nagu näeme, toimub radikaaliline asendus ahelreaktsioonina: ühest radikaalist tekib reaktsiooni käigus teine radikaal ning reaktsiooniahel võib veel pikalt jätkuda. Ahel saab katkeda siis, kui kokku satuvad kaks radikaali, mille paardumata elektronid saavad moodustada püsiva sideme:

2 Cl∙ → Cl₂
Cl∙ + ∙CH₃ → CH₃Cl
2 ∙CH₃ → CH₃CH₃

Alkaani asendusreaktsioon halogeeniga on ainult üks näide radikaalreaktsioonist. Radikaalreaktsioonide hulka kuuluvad näiteks ka süsivesinike põlemisprotsessid ning mitmed polümerisatsioonireaktsioonid. Ka osoonikihi hõrenemist põhjustavad teatud halogeeniühendite (freoonide) lagunemisel eralduvad klooriradikaalid, mille teket põhjustab kõrgemal atmosfääris esinev intensiivne UV-kiirgus. Radikaalid tekivad samuti elusolendites ning osalevad organismile olulistes bioloogilistes protsessides, kuid võivad ka rakke kahjustada.

 

Alkaanide kasutamine

Kergemad (lühema ahelaga) gaasilised alkaanid leiavad kasutust kütusena kodudes, liikluses ning tööstuses. Metaani (CH₄) tuntakse ka maagaasi nime all. Tavaline balloonigaas on propaani ja butaani segu (kolme- ja neljasüsinikulised alkaanid), mis rõhu all on vedelik, kuid rõhu alanedes aurustub kergesti. Erinevatest vedelatest alkaanidest koosnevad naftast saadud vedelkütused nagu bensiin ja diislikütus, aga ka mõned lahustid. Siiski on oluline meeles pidada, et bensiini ja diislikütuse koostises võib olla lisaks alkaanidele ka teiste aineklasside esindajaid. Pikkade ahelatega alkaane, mis on tahked, kohtame näiteks parafiini koostises. Parafiini levinuim kasutusala on olnud küünalde valmistamine. Veelgi pikemate süsinikuahelatega alkaane leidub polümeerides, kus ahelates võib olla isegi enam kui sada tuhat süsinikuaatomit. Alkaanide hulka kuuluvatest polümeeridest kõige levinumad on polüetüleen (polüeteen) ja polüpropüleen (polüpropeen), millest valmib suur osa igapäevases kasutuses olevatest kiledest ja plastikust