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:
pienoiskuva|oikea|2 etaanimolekyyliä akselin suunnasta katsottuna. Niiden vetyatomit voivat vaihtaa geometrista suhdettaan kiertymällä hiili-hiili-sidoksen varassa. Molemmat kuvatut tapaukset ovat mahdollisia, mutta jälkimmäinen on paljon todennäköisempi.
+ Asyklisten alkaanien isomeerit Molekyylikaava  Isomeerien lkm. C5H12 3 C6H14 5 C7H16 9 C8H18 18 C9H20 35 C10H22 75 C15H32 4 347 C20H42 366 319 C30H62 4 111 846 763
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:

+ N-alkaanien nimeäminen Hiiliatomien määrä  Rakennekaava  Nimi  CAS-numero 1 CH4 Metaani 74-82-8 2 CH3CH3 Etaani 74-84-0 3 CH3CH2CH3 Propaani 74-98-6 4 CH3CH2CH2CH3 Butaani 106-97-8 5 CH3(CH2)3CH3 Pentaani 109-66-0 6 CH3(CH2)4CH3 Heksaani 110-54-3 7 CH3(CH2)5CH3 Heptaani 142-82-5 8 CH3(CH2)6CH3 Oktaani 111-65-9 9 CH3(CH2)7CH3 Nonaani 111-84-2 10 CH3(CH2)8CH3 Dekaani 124-18-5 11 CH3(CH2)9CH3 Undekaani 1120-21-4 12 CH3(CH2)10CH3 Dodekaani 112-40-3 13 CH3(CH2)11CH3 Tridekaani 629-50-5 14 CH3(CH2)12CH3 Tetradekaani 629-59-4 15 CH3(CH2)13CH3 Pentadekaani 629-62-9 16 CH3(CH2)14CH3 Heksadekaani 544-76-3 17 CH3(CH2)15CH3 Heptadekaani 629-78-7 18 CH3(CH2)16CH3 Oktadekaani 593-45-3 19 CH3(CH2)17CH3 Nonadekaani 629-92-5 20 CH3(CH2)18CH3 Eikosaani 112-95-8 21 CH3(CH2)19CH3 Heneikosaani 629-94-7 22 CH3(CH2)20CH3 Dokosaani 629-97-0 23 CH3(CH2)21CH3 Trikosaani 638-67-5 24 CH3(CH2)22CH3 Tetrakosaani 646-31-1 25 CH3(CH2)23CH3 Pentakosaani 629-99-2 26 CH3(CH2)24CH3 Heksakosaani 630-01-3 27 CH3(CH2)25CH3 Heptakosaani 593-49-7 28 CH3(CH2)26CH3 Oktakosaani 630-02-4 29 CH3(CH2)27CH3 Nonakosaani 630-03-5 30 CH3(CH2)28CH3 Triakontaani 638-68-6 31 CH3(CH2)29CH3 Hentriakontaani 630-04-6 32 CH3(CH2)30CH3 Dotriakontaani 544-85-4 33 CH3(CH2)31CH3 Tritriakontaani 630-05-7 34 CH3(CH2)32CH3 Tetratriakontaani 14167-59-0 35 CH3(CH2)33CH3 Pentatriakontaani 630-07-9 36 CH3(CH2)34CH3 Heksatriakontaani 630-06-8 37 CH3(CH2)35CH3 Heptatriakontaani 7194-84-5 38 CH3(CH2)36CH3 Oktatriakontaani 7194-85-6 39 CH3(CH2)37CH3 Nonatriakontaani 7194-86-7 40 CH3(CH2)38CH3 Tetrakontaani 4181-95-7 41 CH3(CH2)39CH3 Hentetrakontaani 7194-87-8 42 CH3(CH2)40CH3 Dotetrakontaani 7098-20-6 43 CH3(CH2)41CH3 Tritetrakontaani 7098-21-7 44 CH3(CH2)42CH3 Tetratetrakontaani 7098-22-8 45 CH3(CH2)43CH3 Pentatetrakontaani 7098-23-9 46 CH3(CH2)44CH3 Heksatetrakontaani 7098-24-0 47 CH3(CH2)45CH3 Heptatetrakontaani 7098-25-1 48 CH3(CH2)46CH3 Oktatetrakontaani 7098-26-2 49 CH3(CH2)47CH3 Nonatetrakontaani 7098-27-3 50 CH3(CH2)48CH3 Pentakontaani 6596-40-3 60 CH3(CH2)58CH3 Heksakontaani 7667-80-3 61 CH3(CH2)59CH3 Henheksakontaani 7667-81-4 70 CH3(CH2)68CH3 Heptakontaani 7719-93-9 80 CH3(CH2)78CH3 Oktakontaani 7667-88-1 90 CH3(CH2)88CH3 Nonakontaani 7667-51-8 100 CH3(CH2)98CH3 Dekakontaani tai hektaani 6703-98-6

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 

pienoiskuva|2-metyylibutaanin viivakaava. Hiiliketjua ilmaisevia numeroita ei normaalisti merkitä.
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.

+ Sykloalkaanien nimeäminen Hiiliatomien määrä  Rakennekaava  Nimi 3 (CH2)3 Syklopropaani 4 (CH2)4 Syklobutaani 5 (CH2)5 Syklopentaani 6 (CH2)6 Sykloheksaani

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:
+ N-alkaanien sulamis- ja kiehumispisteitä Nimi  Rakennekaava  Sulamispiste (°C) Kiehumispiste (°C) Metaani CH4 −182 −162 Etaani CH3CH3 −183 −89 Propaani CH3CH2CH3 −188 −42 Butaani CH3CH2CH2CH3 −138 −0,5 Pentaani CH3(CH2)3CH3 −130 36 Heksaani CH3(CH2)4CH3 −95 69 Heptaani CH3(CH2)5CH3 −91 98 Oktaani CH3(CH2)6CH3 −57 126 Nonaani CH3(CH2)7CH3 −54 151 Dekaani CH3(CH2)8CH3 −30 174 Undekaani CH3(CH2)9CH3 −26 196 Dodekaani CH3(CH2)10CH3 −10 216
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 parafiinivahassa, 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 

*
Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit