Alkaanid

Alkaanid on süsiniku ja vesiniku ühendid, mille molekulides süsiniku aatomid on omavahel seotud kovalentse üksiksidemega. Mõnikord nimetatakse alkaane ka parafiinideks.
Leidumine ja saamine.
Kõige lihtsam alkaan – metaan (CH4) on looduslike gaaside (maagaas, kaevandusgaas, soogaas) peamine koostisosa. Kõrvuti metaaniga sisaldavad nad etaani, propaani, butaani, isobutaani ja teisi alkaane.
Sünteetiliselt võib metaani saada, juhtides vesinikku kõrgel temperatuuril läbi hõõguvate süte: C + 2H2 → CH4
Keemilised omadused.
Metaani homoloogilise rea liikmete keemilised omadused on ühesugused. Üldiselt nad keemilistesse reaktsioonidesse kergesti ei astu ning tavaliseks reaktsioonitüübiks on asendusreaktsioon.
Põlemine.
Kõik alkaanid põlevad. Madalamad alkaanid põlevad vähemärgatava, kahvatu leegiga ning põlemissaadusteks on süsinikdioksiid ja veeaur:
&lt;chem&gt;CH4 + 2O2 -&gt; CO2 + 2H2O&lt;/chem&gt; 
Õhuga segatuna moodustavad nad väga plahvatusohtliku segu.
Oksüdeerijate toime.
Tavalisel temperatuuril alkaanid oksüdeerijate (nt KMnO4 ja K2Cr2O7) toimel ei reageeri.
Autooksüdeerumine.
Alkaanide oksüdatsioon vedelas faasis toimub vabade radikaalide mehhanismi kaudu, mille tulemusena moodustuvad hüdroperoksiidid ja muud ühendid.
&lt;chem&gt;RH + O2 -&gt;R* + HOO*&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;R* + O2 -&gt; ROO*&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;ROO* + RH -&gt; ROOH + R*&lt;/chem&gt;
Katalüütiline oksüdeerumine.
Katalüütilise oksüdatsiooni reaktsioonides võivad alkaanidest moodustuda alkoholid, aldehüüdid ja karboksüülhapped.
Metaani (CH₄) puhul võib pehmel oksüdatsioonil hapniku juuresolekul katalüsaatoriga temperatuuril 200 °C moodustuda järgmised produktid:
&lt;chem&gt;2CH4 + O2 -&gt; 2CH3OH&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;CH4 + O2 -&gt; HCHO + H2O&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;2CH4 + 3O2 -&gt; 2HCOOH + 2H2O&lt;/chem&gt;
Dehüdrogeenimine.
Kui süsinikuskeletis on 2 või 3 süsinikuaatomit, saadakse (terminaalseid) alkeene, kuna antud juhul ei saa moodustuda teistsuguseid ühendeid; protsessis eraldub vesinik.
Toimub temperatuuri 400–600 °C juures, katalüsaatoriteks Pt, Ni, Al2O3, Cr2O3.
&lt;chem&gt;CH3CH3 -&gt; CH2=CH2 + H2&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;CH3CH2CH3 -&gt; CH3CH=CH2 + H2&lt;/chem&gt;
Kui süsinikuskeletis on 4 (butaan, isobutaan) või 5 (pentaan, 2-metüülbutaan, neopentaan) süsinikuaatomit, saadakse alkadieene, kuid võimalik ka alküünide saamine. 
&lt;chem&gt;CH3CH2CH2CH3 -&gt; CH2=CHCH=CH2 + 2H2&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;CH3CH2CH2CH2CH3 -&gt; CH3C#CCH2CH3 + 2H2&lt;/chem&gt;
Kui süsinikuskeletis on 6 (heksaan) või rohkem süsinikuaatomeid, moodustuvad benseen ja selle derivaadid.
&lt;chem&gt;CH3(CH2)6CH3 -&gt; C6H5CH2CH3 + 4H2&lt;/chem&gt;
Lagunemine kõrgel temperatuuril.
Kõrgel temperatuuril alkaanid lagunevad. Reaktsioonisaadused sõltuvad temperatuurist, reaktsiooniajast ja katalüsaatorist:
&lt;chem&gt;CH4 -&gt; 2H2 + C &lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;C2H6 -&gt; 3H2 + 2C&lt;/chem&gt;
Krakkimine.
Kuumutamisel üle 500 °C alkaanid pürolüüsitakse, mille käigus moodustub keeruline produktide segu, mille koostis ja suhe sõltuvad temperatuurist ja reaktsiooni kestusest. Pürolüüsis lõhustuvad C-C sidemed, mille tulemuseks on alküülradikaalid, kuid võimalik ka C-H sidemete lõhustamine.
Tänapäeval on termiline krakkimine tööstuses täielikult asendatud katalüütilise krakkimisega, mida viiakse läbi gaasifaasis madalamatel temperatuuridel – 400–450 °C – ja madalal rõhul – 10–15 atm – alumiiniumsilikaatkatalüsaatoril. Katalüsaator regenereeritakse pidevalt, põletades selle peal tekkinud koks õhuvoolus. Katalüütilise krekkingu käigus suureneb saadud bensiinis oluliselt hargnenud struktuuriga alkaanide sisaldus.
Metaani jaoks:
&lt;chem&gt;2CH4 -&gt; HC#CH + 3H2&lt;/chem&gt;
Temperatuuril umbes 1500 °C on reaktsiooni saaduseks tavaliselt etüün.
Vaatleme krakkimise protsesse propaani näitel. Alguses toimub C-C sideme lõhkumine, pärast seda võib juhtuda kolm protsessi.
&lt;chem&gt;CH3CH2CH3 -&gt; CH3CH2* + CH3*&lt;/chem&gt;
1) Rekombinatsioon:
&lt;chem&gt;2CH3CH2* -&gt; CH3CH2CH2CH3&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;CH3* + CH3CH2* -&gt; CH3CH2CH3&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;2CH3* -&gt; CH3CH3&lt;/chem&gt;
2) Disproportsioneerumine:
&lt;chem&gt;CH3* + CH3CH2* -&gt; CH4 + CH2=CH2&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;2CH3CH2* -&gt; CH3CH3 + CH2=CH2&lt;/chem&gt;
3) β-lagunemine
&lt;chem&gt;CH3CH2* -&gt; CH2=CH2 + H*&lt;/chem&gt;
Konversioon veeauruga.
Suurel temperatuuril 1000 °C ja nikkelkatalüsaatori manulusel reageerib metaan veeauruga. Reaktsioonisaaduste koostis sõltub metaani ja veeauru vahekorrast:
&lt;chem&gt;CH4 + H2O -&gt; CO + 3H2&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;CH4 + 2H2O -&gt; CO2 + 4H2&lt;/chem&gt;
Ammoniaagi sünteesiks vajalik vesinik saadakse peamiselt metaani konversioonireaktsioonil veeauruga. H2 ja CO kasutatakse ka metanooli sünteesiks.
Asendusreaktsioon halogeenidega.
Valguse toimel toimub astmeline asendusreaktsioon, mille käigus vesiniku aatomid asenduvad halogeeni aatomitega. Halogeen liitub suvaliselt, seega tegemist mittestereoselektiivse reaktsiooniga. Asendusreaktsioon halogeenidega kuulub ahelreaktsioonide hulka. Soojuse või valguse toimel laguneb halogeeni molekul radikaalideks: 
&lt;chem&gt;Hal2 -&gt; 2Hal*&lt;/chem&gt;
Seejärel reageerib kloori aatom valitud alkaaniga, näiteks metaaniga: 
&lt;chem&gt;CH4 + Hal* -&gt; CH3* + HHal&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;CH3* + Hal* -&gt; CH3Hal&lt;/chem&gt;
Reaktsioon võib kulgeda kuni kõik vesinikud asendatakse. 
Isomeerimine.
Isomerisatsioonireaktsioon toimub kõrgel temperatuuril ja rõhul katalüsaatorite, näiteks AlCl3, manusel. Alkaanidel esinevad isomeerid alates butaanist.
Konovalovi reaktsioon ehk alkaanide nitreerimine.
Alkaanid reageerivad 10-25% lämmastikhappe lahusega või lämmastikoksiidiga (NO2) gaasifaasis temperatuuril 140 °C ja vähese rõhu juures, moodustades nitroderivaate:
&lt;chem&gt;RH + HNO3 -&gt; RNO2 + H2O&lt;/chem&gt;
Reaktsioon kulgeb vabade radikaalide abil, seega tekib produktide segu. 
Sulfoonimine.
Alkaanid ei reageeri kontsentreeritud väävelhappega tavalisel temperatuuril.
Parafiinühendite, mille süsinikuaatomite arv on kuus või rohkem, sulfoonimine toimub ooleumiga (15% SO3) alkaani keemistemperatuuril kuumutamisel, moodustades vastavad sulfoonhapped.
&lt;chem&gt;C6H14 + H2SO4 -&gt; C6H13SO3H + H2O&lt;/chem&gt;
Parafiinide sulfoonimine elektrofiilse asendusreaktsiooni kaudu toimub raskesti, kuid alkaane on lihtne ja sujuv sulfoonida radikaalse asendusreaktsiooni abil (sulfooksüdatsioon ja sulfohalogeenimine).
Kui tsükloheksaan või kõrgemad parafiinühendid puutuvad kokku vääveldioksiidi ja hapniku ligikaudu ekvimolaarses vahekorras seguga temperatuuril 20–30 °C ning ultraviolettvalguse kiirguse all, tekivad sulfoonhapped. 
&lt;chem&gt;2RH + 2SO2 + O2 -&gt; 2RSO3H &lt;/chem&gt;
Sulfooksüdatsioon kulgeb ahelradikaalse mehhanismi kaudu, moodustades vaheühendina peroksüsulfoonhappe, mis muundub seejärel sulfoonhappeks.
&lt;chem&gt;R* + SO2 -&gt; RSO2* &lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;RSO2* + O2 -&gt; R-SO2OO*&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;RSO2OO* + R'H -&gt; RSO2OOH + R'*&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;RSO2OOH + 2R"H -&gt; 2R" + RSO2OH + H2O&lt;/chem&gt;
Sulfohalogeenimine on alkaanide reaktsiooni vääveldioksiidi ja kloori seguga ultraviolettkiirguse tingimustes või vabade radikaalide teket soodustavate ainete juuresolekul.
&lt;chem&gt;RH + SO2 + Hal2 -&gt; RSO2Hal + HHal&lt;/chem&gt;
Tööstuses kasutatakse seda reaktsiooni kogasiini (sünteetilise bensiini) sulfohalogeenimisel. Protsess on tüüpiline radikaalne ahelreaktsioon.
&lt;chem&gt;Cl2 -&gt; 2Cl*&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;Cl* + RH -&gt; R* + HCl&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;R* + SO2 -&gt; RSO2*&lt;/chem&gt;
&lt;chem&gt;RSO2* + Cl* -&gt; RSO2Cl &lt;/chem&gt;
Vesiniku aatomite reaktsioonivõime erinevates asendites sulfohalogeenimise korral muutub järgmiselt:
sekundaarne &gt; primaarne &gt; tertsiaarne.
Ühendid ja nende kasutusalad.
Gaasilisi alkaane kasutatakse kütte- ja majapidamisgaasina ning veeldatult, näiteks vedelgaasina. Vedelad alkaanid kuuluvad ka bensiini, nafta ja petrooleumi koostisse. Tahked alkaanid moodustavad parafiini. 
Alkaanide halogeenderivaate tarvitatakse õlide, vaikude, rasvade ja plastmasside lahustitena. Triklorometaani (CHCl3) tuntakse ka kloroformi nime all ja kasutatakse narkoosivahendina. Tetraklorometaani (CCl4) kasutatakse tulekustutusvedelikuna. Difluorodiklorometaani (CF2Cl2) rakendatakse külmutusseadmetes, aerosoolpakendis lakkide, mürkkemikaalide, parfüümide jms juures pihustusainena.