알케인

알케인(영어: alkane) 또는 알칸은 고리가 없는 사슬형 포화 탄화 수소의 일반명이다. 알케인은 오직 수소와 탄소로만 구성되어 있으며, 분자 내의 모든 결합은 단일 결합으로, 이중 결합이나 삼중 결합은 존재하지 않는다.
알케인의 일반식은 CₙH₂ₙ₊₂이다. 가장 단순한 알케인은 탄소 하나와 수소 넷으로 이루어진 메테인으로, 화학식은 CH₄이다.
알케인 내에서 각각의 탄소 원자는 이웃한 탄소 원자 및 수소 원자들과 결합하여 총 4개의 공유 결합을 형성하며, 모든 수소 원자는 각자 탄소 원자에 결합되어 있다. 탄소와 수소는 전기음성도 차이로 인해 극성 공유 결합을 하지만 전체적으로는 모든 쌍극자 모멘트가 상쇄되므로 무극성을 띤다. 탄소 원자의 개수에 따라서 알케인의 크기가 달라진다. 보통 탄소 수에는 제한이 없으나, 분자가 고리형이 아닌 사슬형 구조이고 포화 탄화 수소라는 조건을 만족해야 한다.
알케인은 대부분 반응성이 작고 무색 무취이며 생물학적인 활성도 작다. 그러나 때로는 반응성이 있는 작용기의 형태로 화학 반응에 참여하기도 한다. 대표적인 작용기인 알킬기는 일반적으로 간단히 R이라는 구조로 나타내는데, 알케인과 비슷하게 탄소와 수소의 단일 결합으로만 이루어져 있다.
알케인은 주로 연료, 용매, 윤활유 등으로 사용되며, 자연에서 발견되는 천연 가스, 석유 등은 모두 알케인을 포함하는 물질이다.

구조에 따른 분류

포화 탄화 수소는 크게 직선형, 가지형, 고리형의 세 가지 구조로 분류할 수 있다. IUPAC의 정의에 따르면 알케인은 직선형 및 가지형만을 포함하며, 고리형은 별도로 사이클로알케인이라 부른다. 또, 포화 탄화수소는 세 가지 구조가 조합된 형태로도 존재할 수 있는데, 모든 공유 결합이 단일 결합이라는 조건만 만족하면 이들 또한 알케인의 이성질체로 인정된다.

명명법

IUPAC 명명법에서는 탄화 수소 사슬에 따라 알케인을 분류한다. 가지가 없는 포화 탄화 수소 사슬은 탄소 개수에 따라 주로 그리스어에서 유래한 숫자 접두사를 붙이며, 접미사로는 '-에인(-ane)'를 붙인다. 일반적으로 명명할 때 가지가 없는 사슬형의 탄화 수소의 모체명을 정하고 이들의 구조 번호를 매긴 뒤, 이러한 숫자 접두사를 붙인다. 가지가 있는 탄화수소의 경우, 치환체에 접두사를 붙인 뒤에 가지의 이름을 붙이는 방식으로 명명한다.
이러한 명명법의 유래는 빌헬름 호프만이 1866년에 탄화수소 명명법을 체계화하자고 제안한 것에서 유래하였다. 그는 모음 a,e,i,o,u를 이용하여 접미사 -ane, -ene, -ine(혹은 -yne), -one, -une 등을 각각 CₙH₂ₙ₊₂, CₙH₂ₙ, CₙH₂ₙ₋₂, CₙH₂ₙ₋₄, CₙH₂ₙ₋₆의 일반식을 갖는 탄화수소 화합물에 이름을 붙이자고 제안하였다. 이들 중 -ane, -ene, -yne는 각각 알케인(alkane), 알켄(alkene, 분자 내에 이중 결합이 존재한다), 알카인(alkyne, 분자 내에 삼중 결합이 존재한다)에 사용되었으며, -one는 케톤을 총칭하는 말로 쓰이고 있다. 이밖에 -ol은 알코올이나 하이드록시기(OH)를 갖는 화합물에, -oxy-는 산소를 중심에 두고 양쪽으로 탄소가 결합된 에터에 사용된다.
이러한 IUPAC 명명법이 한 화합물에 여러 가지 사용되는 경우는 드물다.

고리형 알케인

고리형 알케인은 알케인으로 분류되지 않고 사이클로알케인으로 분류된다. 이들은 다른 알케인과는 달리 분자 구조가 고리형이다. 간단한 사이클로알케인은 접두사 'cyclo-'가 붙어 다른 알케인과 구분된다. 이들은 고리형이 아닌 다른 알케인처럼 탄소 수에 따라 이름이 붙여지지만 고리형의 구조 때문에 수소 원자의 개수가 더 작다. 예를 들어 사이클로펜테인(C₅H₁₀)은 n-펜테인처럼 탄소 수가 5이지만 고리 모양을 이루고 있으므로 사이클로펜테인으로 구별된다.
치환된 사이클로알케인은 치환된 알케인과 비슷하게 고리 내의 탄소 번호에 따라 명명한다. 이러한 탄소 번호는 칸-인골드-프렐로그 순위 규칙에 따라 결정된다.

관용명

알케인의 관용명은 파라핀(영어: paraffins)이다. 이는 반응성이 작다는 뜻의 라틴어 parum affinis에서 유래한 것으로, 보통 화학식만 같으면 서로 다른 이성질체가 뒤섞인 알케인과 순수하게 한 가지 형태로만 이루어진 알케인을 구별하지 않는다.

끓는점

알케인은 분자 간에 판데르발스 힘을 받는다. 이러한 분자간 힘이 클수록 알케인의 끓는점이 높아지게 되며, 보통 분자 주위를 둘러싸는 전자의 개수가 많을수록, 분자량이 클수록, 분자의 표면적이 넓을수록 끓는점이 높아진다.
표준 상태에서 탄소 수 4개에서 10개까지의 알케인은 기체, 탄소 수 5개에서 17개까지의 알케인은 액체, 탄소 수 18개 이상부터는 고체로 존재한다. 일반적으로 알케인의 끓는점은 분자량에 거의 정비례하며, 사슬에 탄소가 1개 추가될 때마다 약 20~30℃ 정도 끓는점이 증가한다. 또, 곧은 사슬 모양의 알케인이 가지 달린 알케인보다 끓는점이 높다. 이는 분자의 표면적이 더 넓어 이웃한 분자들과의 판데르발스 힘이 더 커지기 때문이다.

녹는점

알케인의 녹는점은 알케인의 끓는점과 마찬가지 이유로 비슷한 경향을 보인다. 그러나 탄소 수 18 이상의 고체 알케인은 액체나 기체 상태로 존재하는 알케인보다 더 단단한 구조를 가지고 있으므로 이러한 구조를 허물기 위해 더 많은 에너지를 필요로 한다. 따라서 고체 구조가 잘 밀집되어 있을수록 녹는점도 증가한다. 위의 그래프의 파란색 선을 보면 탄소 수가 홀수 개인 알케인은 짝수 개인 알케인에 비해 녹는점이 낮은 경향이 있다. 이는 탄소 수가 짝수인 알케인이 고체 상태일 때 더 밀집한 구조를 가지므로 이를 허물기 위해서 더 많은 에너지가 필요하기 때문이다. 반면, 탄소 수가 홀수 개인 알케인은 비교적 느슨한 구조를 가지므로 그만큼 구조를 허물기 위한 에너지도 덜 필요하다.
가지 달린 알케인의 녹는점은 고체 상태에서 밀집되는 정도에 따라 곧은 사슬 구조의 알케인보다 높을 수도 있고 낮을 수도 있다. 이러한 경향은 아이소알케인에서 특히 잘 나타난다.

전기 전도성 및 용해도

알케인은 전기 전도도가 없으며, 전기장에서 비유전율도 매우 낮다. 따라서 이들은 수소 결합을 형성하지 않으며, 물과 같은 극성 용매에 녹지 않는다. 물 분자 간에 작용하는 수소 결합은 알케인 분자를 피해서 형성되므로 알케인과 물을 섞어놓으면 서로의 접촉 면적을 최소화하려는 경향을 나타낸다. 따라서, 알케인은 소수성이며, 방수에 사용할 수 있다. 이와는 반대로 알케인은 무극성 용매에 잘 용해된다.

분자 구조

알케인의 분자 구조는 그 물리적·화학적 성질에 직접적인 영향을 미친다. 알케인의 분자 구조는 탄소 원자가 이루는 4개의 공유 결합에 따라 결정되며, 알케인 내부의 탄소 원자는 항상 sp³ 혼성 오비탈을 이룬다. 이들은 모두 같은 에너지를 가지므로 이론적으로 정사면체 구조를 가지며, 각 꼭짓점 사이의 각도는 약 109.47°이다.
또한, 알케인은 탄소 원자들이 오직 단일 결합으로만 결합되어 있기 때문에 결합을 축으로 하여 회전이 가능하다.

분광학적 특성

사실상 모든 유기 화합물은 탄소-탄소 결합이나 탄소-수소 결합을 포함하고 있으며, 분광기를 이용해 조사해보면 보통 알케인의 특성이 일부 나타난다. 알케인은 다른 작용기 없이 오직 탄소와 수소로만 구성되어 있으므로 하이드록시기, 포르밀기, 카복시기 등의 다른 작용기에서 나타나는 분광학적 특성이 나타나지 않는다.

질량 분석

알케인은 높은 이온화 에너지를 가지고 있으며, 분자 이온은 대부분 약하다. 알케인이 분해되는 패턴은 파악하기 어렵지만 가지 달린 알케인의 경우 자유 라디칼이 비교적 안정하므로 탄소 사슬의 3번째나 4번째 탄소에서 가장 먼저 분해된다.

화학적 성질

알케인은 비교적 반응성이 낮으며, 일반적으로는 산이나 염기와 잘 반응하지 않는다. 이러한 낮은 반응성 때문에 일반적으로 파라핀(영어: paraffins)이라고도 하며, 이는 '친화력이 작다'는 뜻의 라틴어 parum affinis에서 온 말이다. 석유는 알케인 분자들이 수백만년 동안 화학적 변화 없이 보존된 대표적인 예이다.
그러나 탄소 원자가 강하게 환원되는 조건에서는 알케인의 산화 환원 반응이 가능하며, 특히 산소나 할로젠이 함께 존재하면 더 그렇다. 또, 라디칼은 알케인의 반응에 핵심적인 역할을 한다.
일부 가지 달린 알케인은 다른 작용기가 결합할 공간을 내주기 위해 결합각이 109.5°에서 크게 벗어난 경우가 있는데, 이 때문에 분자가 불안정해지는 입체 장애가 생겨 반응성이 커지기도 한다.

할로젠과의 반응

알케인은 할로젠과 반응하여 분자 내의 수소가 할로젠으로 치환되는 치환 반응이 일어날 수 있다. 이때 라디칼이 중요한 역할을 한다. 이러한 반응은 열이 상당히 많이 방출되는 발열 반응이므로 폭발의 위험성도 있다. 이러한 반응은 공업적으로 할로젠화된 탄화수소를 제조하는데 필수적이다.

크래킹

크래킹은 분자 사이의 탄소 결합을 끊어 고분자 유기 화합물의 분자를 더 작은 분자로 분해하는 과정을 말한다. 알케인 분자에 열이나 압력, 혹은 촉매를 가하면 큰 분자가 더 작게 분해된다. 보통 원유를 분해하여 특정한 성분의 석유를 분해하거나 석유 화학 공업의 원료로 사용되는 각종 불포화 탄화 수소를 생산하는데 쓰인다. 촉매를 이용한 크래킹 과정은 산 촉매를 이용하는 경우가 많다.
대표적인 예는 등유(탄소 수 12~16개)를 크래킹하여 탄소 수가 5~12개인 휘발유를 만드는 과정이다. 알케인을 크래킹하면 결과물로 더 작은 알케인 분자와 알켄 분자가 각각 생성된다.

이성질체화 및 개질

이성질체화와 리포밍은 곧은 사슬형의 알케인이 백금 촉매 하에서 가열하여 다른 구조로 변형하는 과정이다. 이성질체화는 경우 곧은 사슬형의 알케인은 가지가 달린 구조로 변형하는 것이다. 따라서 알케인은 탄소나 수소 원자의 개수 변화 없이 분자량을 유지한다. 개질(reformation) 과정을 거치면 알케인은 사이클로알케인이나 방향족 탄화수소로 바뀌면서 부산물로 수소를 내놓는다. 두 과정 모두 옥탄가를 높이는데 이용된다. 뷰테인은 옥탄가가 높은 가지 달린 알케인을 만들기 때문에 이성질체화에 가장 많이 사용되는 알케인이다.

기타 반응

알케인은 니켈 촉매 존재 하에서 수증기와 반응하여 수소를 내놓는다. 한편, 알케인은 자연에 방출되면 대부분의 생명체가 화합물을 분해하는데 필요한 하이드록시기나 카르보닐기와 같은 작용기가 없어 빠르게 분해되지 않는다. 그러나 일부 세균은 알케인 분자 내의 탄소 원자를 산화시켜 비교적 가볍고 곧은 사슬 모양의 알케인을 대사 과정에서 처리할 수 있는데 이를 발효라고 한다. 이렇게 대사 과정을 거친 생성물은 알코올이며, 알데하이드를 거쳐 최종적으로 카르복시산으로 분해된다.

우주에서의 존재

알케인은 목성형 행성 및 그 위성에 미량 포함되어 있다. 예를 들어 목성의 대기에는 메테인이 약 0.3%, 에테인이 약 0.0002%를 차지하며, 이밖에 토성(메테인 0.2%, 에테인 0.0005%), 천왕성(메테인 1.99%, 에테인 0.00025%), 해왕성(메테인 1.5%, 에테인 1.5ppm) 등에도 미량 존재한다. 토성의 위성인 타이탄에는 메테인이 1.6% 가량 포함되어 있으며, 그 존재는 하위헌스 탐사선이 확인하였다. 하위헌스 탐사선은 티탄의 대기에서 주기적으로 액체 메테인 비가 내린다는 사실도 발견하였다.
 티탄의 극지방에서는 메테인이나 에테인으로 구성된 호수도 발견되었다.
햐쿠타케 혜성에서도 메테인과 에테인이 발견되었다. 이 혜성의 화학 조성을 분석한 결과, 메테인과 에테인의 구성 비율은 비슷하며, 이는 태양에서 멀리 떨어진 성간 공간에서 생성된 얼음에서 이러한 휘발성 분자가 증발했기 때문이라고 추정된다. 이 밖에도 여러 가지 알케인이 운석에서 발견되었다.

석유 정제

알케인의 주요 공급원은 천연 가스와 석유이다. 알케인은 끓는점 차이를 이용한 분별 증류를 통해 석유 정제 과정에서 분리되며, 탄소 수에 따라 다양한 물질로 나뉜다.

피셔-트롭슈 공정

피셔-트롭슈 공정은 일산화 탄소와 수소를 합성하여 알케인을 포함하는 액체 탄화수소를 생산하는 공정이다. 이 방법은 석유를 분별 증류하여 알케인을 얻는 방법을 대체할 수 있다.

용도

알케인은 탄소 수에 따라 그 용도가 다양하다. 탄소 수 1~4까지, 즉 메테인부터 뷰테인은 주로 가정용으로 사용되며, 일부 국가에서는 화력 발전에 사용하기도 한다. 특히 메테인과 에테인은 천연 가스의 주성분으로 보통 높은 압력 하에서 석유와 함께 기체 상태로 매장되어 있다. 이러한 기체는 냉각 및 압축을 통해 액화시켜 쉽게 수송할 수 있으며, 이를 액화천연가스(LNG)라고 한다. 프로페인과 뷰테인은 비교적 낮은 압력에서도 액화되며, 이를 액화석유가스(LPG)라고 한다. 프로페인은 자동차 연료나 휴대용 화로에서 사용하며, 뷰테인은 라이터나 야외용 연료로 사용된다. 프로페인과 뷰테인 모두 에어로졸 스프레이의 압축 가스로 사용할 수 있다.
탄소 수 5~8까지, 즉 펜테인부터 옥테인까지의 알케인은 휘발성이 뛰어난 액체이다. 이들은 쉽게 증발하여 연소실에서 액화되지 않고 고르게 연소하므로 주로 내연 기관의 연료로 사용된다. 가지가 달린 알케인은 노킹 현상을 잘 일으키지 않으므로 곧은 사슬로만 이루어진 알케인보다 더 좋은 연료로 취급된다. 노킹 현상을 측정하는 정도는 연료의 옥탄가를 측정하여 결정한다. 또, 이러한 알케인은 무극성 물질을 잘 용해시키는 용매로 사용되기도 한다.
탄소 수 9~16까지의 알케인(노네인부터 헥사데케인)은 점성이 큰 액체로, 연료로 쓰기에는 적합하지 않다. 이들은 주로 디젤 기관과 항공 연료로 사용된다. 그러나 이들 알케인은 녹는점이 높고 극지방의 저온에서는 점성이 너무 커지므로 문제를 일으킬 수 있다.
탄소 수가 16개를 넘는 알케인은 중유와 윤활유의 주성분이다. 특히 윤활유로 쓰일 때는 마찰을 줄임과 동시에 부식을 방지하는 역할을 한다. 이는 알케인이 소수성이므로 물이 금속의 표면에 닿는 것을 막아 부식이 되는 것을 막기 때문이다. 이 밖에도 다양한 고체 알케인은 양초 등의 파라핀에 주요 성분으로 들어간다.
탄소 수가 35개를 넘어가는 알케인은 도로를 포장하는데 쓰이는 아스팔트의 성분으로 쓰인다. 그러나 이들은 경제적인 가치가 별로 없고 크래킹 과정을 통해 비교적 탄소 수가 작은 알케인으로 분해시켜 사용한다.
폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등 일부 중합체는 수백 개에서 수천 개까지의 탄소 원자로 이루어진 알케인 사슬을 가진 고분자 화합물이다. 이러한 물질은 수많은 곳에 사용되며, 매년 수십억 킬로그램이 생산되어 다양한 분야에 사용된다.

위험성

비교적 가벼운 기체 알케인 분자들은 공기와 혼합되면 폭발성 혼합물이 된다. 특히 메테인은 공기 중에 1~8% 정도 포함되어 있으면 폭발할 수 있다. 또한, 비교적 가벼운 액체 알케인은 탄소 수가 증가함에 따라 위험성이 줄어들기는 하나, 상당히 가연성이 크다. 이와는 별도로 펜테인, 헥세인, 헵테인, 옥테인은 '자연에 위험하거나 해로운 물질'로 분류되어 있으며, 곧은 사슬 모양의 헥세인은 신경독이다.