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 CnH2n+2. Syklisen alkaanin kaava on vastaavasti CnH2n.

Isomeria

Asyklisten alkaanien isomeria 

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:

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 C3-7 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:

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 

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.

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:

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.

Kemialliset reaktiot 

Alkaanit reagoivat yleensä vain harvojen aineiden kanssa, 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. Reaktiot hapen ja fluorin kanssa ovat niin kiivaita, että alkaanien molekyylit hajoavat täysin.

Alkaanien palaminen 

Tärkein alkaanien reaktio on niiden palaminen, joka on niiden ja hapen välinen reaktio. Tiettyä syttymispistettä korkeammissa lämpötiloissa ne reagoivat hapen kanssa varsin kiivaasti. 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:

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

Suuremmatkin alkaanit hajoavat palaessaan täysin eli kaikki niiden molekyyleissä olevat sidokset katkeavat. Esimerkiksi propaanin, nestekaasun pääaineksen palamisreaktio on:
H3C–CH2–CH3 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2       +2213kJ/mol

Jos happea ei ole riittävästi, osaan hiiliatomeista liittyy kuitenkin vain yksi happiatomi; tällöin syntyy hiilimonoksidia eli häkää.

Alkaanien substituutioreaktiot 

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:

 CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

muodostaen metyylikloridia (CH3Cl) ja suolahappoa. Jos klooria on riittävästi, metaanista syntyy myös dikloorimetaania (CH2Cl2), trikloorimetaania eli kloroformia (CHCl3) ja tetrakloorimetaania eli hiilitetrakloridia (CCl4).

Suurimolekyylisempien alkaanien reagoidessa kloorin kanssa eivät hiiliatomien väliset sidokset katkea. Niinpä esimerkiksi etaanista (C2H6) voi kloorattaessa syntyä useita kloorattuja hiilivetyjä, joiden molekyyleissä klooriatomien lukumäärä vaihtelee yhdestä (etyylikloridissa, ClCH2–CH3) kuuteen (heksakloorietaanissa, Cl3C–CCl3), 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:

 H3C–CH3 + 7 F2 → 2 CF4 + 6 HF

Alkaanien nitraus 
Korkeissa lämpötiloissa höyrytilassa alkaanit reagoivat myös typpihapon kanssa. Tämäkin on substituutio­reaktio ja tapahtuu seuraavasti (R merkitsee mielivaltaista hiili- ja vetyatomeista koostuvaa alkyyliryhmää):

 R–CH3 + HNO3 → R–CH2–NO2 + H2O
Tällöin kuitenkin vain yksi vetyatomi korvautuu nitroryhmällä (NO2), mutta hiiliatomien väliset sidokset saattavat samalla katketa. Reaktiotuotteita sanotaan nitroalkaaneiksi.

Krakkaus 

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.

Käyttö 

Eri alkaanien käyttö riippuu niissä olevien hiiliatomien lukumäärästä. Monia niistä käytetään etupäässä polttoaineina, mutta myös esimerkiksi voiteluöljyinä ja petrokemiallisen teollisuuden raaka-aineina. 

Maakaasu koostuu pääasiassa metaanista mutta sisältää yleensä jonkin verran myös etaania. Metaania ja etaania varastoidaan tavallisesti kaasuina paineen alaisina. Niitä on kuitenkin helpompi kuljettaa nesteytettyinä, mikä edellyttää sekä kaasun puristamista korkeassa paineessa, että sen nesteyttämistä.

Propaani ja butaani ovat tavallisessa ilmanpaineessa kaasuja, mutta ne voidaan helposti nesteyttää paineen avulla. Niiden nesteytettyä seosta sanotaan nestekaasuksi. Molempia käytetään myös ponnekaasuina suihkepulloissa.

Alkaanit pentaanista oktaaniin ovat hyvin herkästi haihtuvia nesteitä. Niiden seosta, bensiiniä, käytetään polttomoottorien polttoaineena, ja ne höyrystyvät herkästi saapuessaan moottorin sylintereihin muodostamatta tiivistyneitä pisaroita, jotka haittaisivat palamisen tasaisuutta. Haarautuneita alkaaneja pidetään parempina, koska ne ovat suoraketjuisia paljon vähemmän alttiina syttymään ennen aikojaan, mikä aiheuttaisi nakutusta. Tätä taipumusta ennenaikaiseen syttymiseen mitataan oktaaniluvulla, joka on määritelty antamalla 2,2,4-trimetyylipentaanille (iso-oktaanille) arvo 100 ja heptaanille arvo 0. Paitsi polttoaineina, käytetään näitä alkaaneja myös liuottimina, joihin ei-polaariset aineet herkästi liukenevat.

Alkaanit nonaanista suunnilleen heksadekaaniin saakka ovat nesteitä, joilla on edellisiä suurempi viskositeetti. Ne ovat pääaineksena dieselöljyissä. Dieselöljyjen laatua mitataan setaaniluvulla, joka on saanut nimensä heksadekaanin vanhasta nimestä setaani. Näiden alkaanien korkeammat sulamispisteet voivat kuitenkin aiheuttaa ongelmia alhaisissa lämpötiloissa ja napaseuduilla, missä polttoaine tulee liian paksuksi virratakseen kunnolla.

Alkaanit heksadekaanista eteenpäin ovat polttoöljyn ja voiteluöljyjen pääaineksia. Jälkimmäisessä tehtävässään ne toimivat samalla korroosion estoaineina, sillä niiden hydrofobinen luonne estää veden pääsyä metallin pinnalle. Monia kiinteitä alkaaneja käytetään paraffiinivahassa, esimerkiksi kynttilöissä. Ne ovat kuitenkin eri ainetta kuin oikea vaha, joka koostuu pääasiassa estereistä.

Alkaaneja, joiden molekyylissä on noin 35 hiiliatomia tai hieman enemmän, esiintyy bitumissa, jota käytetään muun muassa teiden päällystämiseen. 

Useimpia alkaaneja saadaan pääasiassa maaöljystä. Öljynjalostuksessa ne erotetaan toisistaan tislaamalla. Bensiinin kysyntä on kuitenkin paljon suurempi kuin kaikkien muiden öljytuotteiden yhteensä, minkä vuoksi suuri osa maaöljyssä olevista suurimolekyylisemmistä alkaaneista hajotetaan bensiiniin kuuluviksi hiilivedyiksi krakkaamalla.

Muutamat paljon käytetyt synteettiset muovit ja muut polymeerit kuten polyetyleeni ja polypropyleeni ovat alkaaneja, joiden ketjuissa on satoja tai jopa tuhansia hiiliatomeja. Näitä aineita käytetään lukemattomiin tarkoituksiin, ja niitä valmistetaan miljardeja tonneja vuosittain. Näin suurimolekyylisiä alkaaneja ei maaöljyssä kuitenkaan ole valmiina, vaan niitä valmistetaan polymeroimalla eräitä pienimolekyylisiä tyydyttymättömiä hiilivetyjä.

Katso myös 

alkyylit, jotka ovat kuin alkaaneja, mutta joista puuttuu vetyatomi.
alkeenit, jotka sisältävät yhden tai useamman kovalenttisen kaksoissidoksen.
alkyynit, jotka sisältävät kolmoissidoksen.

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 

IUPAC: Rule A-1. Saturated Unbranched-chain Compounds and Univalent Radicals 
Virtual Institute of Applied Science (VIAS), Hans Lohninger: List of Alkanes 

Seulonnan keskeiset artikkelit