Alkaanit
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 CH. Syklisen alkaanin kaava on vastaavasti CH.
Yksinkertaisin alkaani on metaani (CH). Se on ainoa alkaani, joka muodostuu yhdestä hiiliatomista. Samaan tapaan etaani (CHCH) on ainoa kahdesta ja propaani (CHCHCH) 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 CH, mutta niiden rakenne on erilainen – ne ovat toistensa rakenteellisia isomeereja. Asyklisten alkaanien isomeerien määrä kasvaa merkittävästi yhdisteen atomimäärän kasvaessa:
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.
Sykloalkaanit ovat konformaatioisomerialtaan asyklisiin alkaaneihin verrattuna jäykempiä. Esimerkiksi syklopropaanin hiili-hiili-sidosten on mahdotonta kiertyä rengasrakenteen särkymättä. Kiertyminen mahdollistuu vasta riittävän isoilla sykloalkaaneilla – C ja sitä suurempien sykloalkaanien vetyatomien kiertyminen ei juurikaan eroa enää suoraketjuisien alkaanien kiertymisestä. Yleisimmillä sykloalkaaneilla C kiertyminen on kuitenkin äärimmäisen rajoittunutta.
Muotonsa vuoksi alkyyliryhmiä sisältävillä sykloalkaaneilla voi esiintyä cis-trans-isomeriaa. Tällöin alkyyliryhmät ovat renkaan samalla tai eri puolella.
Suoraketjuiset alkaanit eli n-alkaanit nimetään niiden sisältämien hiiliatomien mukaan seuraavasti:
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 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.
Sykloalkaanit nimetään liittämällä hiilivedyn nimeen syklo-etuliite.
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.
Kaikki alkaanit ovat poolittomia. Alkaanit ovat lisäksi vettä kevyempiä, eivätkä liukene siihen käytännössä ollenkaan.
Haaroittumattomien alkaanien sulamis- ja kiehumispisteet suurenevat hiiliketjun pituuden kasvaessa:
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 CH:een nesteitä ja siitä eteenpäin kiinteitä aineita.
Sykloalkaanien kiehumispisteet kasvavat suoraketjuisten alkaanien tapaan molekyylimassan kasvaessa. Sulamispisteet kuitenkin vaihtelevat suuresti eri yhdisteillä sykloalkaanien erilaisten muotojen vuoksi.
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.
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:
muodostaen metyylikloridia (CHCl) ja suolahappoa. Jos klooria on riittävästi, metaanista syntyy myös dikloorimetaania (CHCl), trikloorimetaania eli kloroformia (CHCl) ja tetrakloorimetaania eli hiilitetrakloridia (CCl).
Suurimolekyylisempien alkaanien reagoidessa kloorin kanssa eivät hiiliatomien väliset sidokset katkea. Niinpä esimerkiksi etaanista (CH) voi kloorattaessa syntyä useita kloorattuja hiilivetyjä, joiden molekyyleissä klooriatomien lukumäärä vaihtelee yhdestä (etyylikloridissa, ClCH–CH) kuuteen (heksakloorietaanissa, ClC–CCl), mutta joissa kaikissa on edelleen kaksi hiiliatomia.
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.
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:
Korkeissa lämpötiloissa höyrytilassa alkaanit reagoivat myös typpihapon kanssa. Tämäkin on substituutio­reaktio ja tapahtuu seuraavasti (R merkitsee mielivaltaista hiili- ja vetyatomeista koostuvaa alkyyliryhmää):
Tällöin kuitenkin vain yksi vetyatomi korvautuu nitroryhmällä (NO), mutta hiiliatomien väliset sidokset saattavat samalla katketa. Reaktiotuotteita sanotaan nitroalkaaneiksi.
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. Tähän perustuu hiilivetyseosten bensiinin, raskaan ja kevyen polttoöljyn sekä maakaasun käyttö polttoaineina moottoreissa ja lämmityslaitteissa. Energiaa vapauttavaa reaktiota kutsutaan eksotermiseksi. Esimerkiksi metaanin, jota muun muassa maakaasu pääosin on, palamisreaktio:
Suuremmatkin alkaanit hajoavat palaessaan täysin eli kaikki niiden molekyyleissä olevat sidokset katkeavat. Esimerkiksi propaanin, nestekaasun pääaineksen palamisreaktio on:
Jos happea ei ole riittävästi, osaan hiiliatomeista liittyy kuitenkin vain yksi happiatomi; tällöin syntyy hiilimonoksidia eli häkää.
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 suuri merkitys öljynjalostuksessa.