Alkánok forrásának megtekintése

[[Fájl:Methane-3D-space-filling.svg|bélyegkép|balra|150px|A legegyszerűbb alkán, a [[metán]]]]
[[Fájl:Isobutane-n-butane.png|bélyegkép|jobbra|Az elágazó szénláncú [[izobután]] és az el nem ágazó szénláncú [[bután]] szerkezete]]

Az '''alkánok''' a telített [[szénhidrogének]] egyik csoportját alkotják (a másik csoport a gyűrűt tartalmazó [[cikloalkánok]]). Nyílt láncú vegyületek; lehetnek elágazó és el nem ágazó szénláncúak. A [[szén]]atomok bennük csak [[szigma-kötés|σ-&nbsp;(szigma)-kötésekkel]] kapcsolódnak egymáshoz; hozzájuk [[hidrogén]]atomok kapcsolódnak, ezek telítik a szénatomok fennmaradó vegyértékeit. Reakciókészségük kicsi, innen származik a '''[[paraffin]]''' nevük (''parum affinis'' = kevéssé reakcióképes). Egy paraffinnál az eggyel nagyobb szénatomszámú paraffin a szénatomon kívül két hidrogénatommal tartalmaz több atomot. Egymástól csak egy -[[szén|C]][[hidrogén|H]]<sub>2</sub>- ([[metilén]]-) csoportban különböznek; az alkánok [[homológ sor]]t alkotnak. Általános képletük: [[szén|C]]<sub>n</sub>[[hidrogén|H]]<sub>2n+2</sub>. A háromnál nagyobb szénatomszámú alkánoknál fellép az [[izoméria]] jelensége.

Az alkán elnevezést [[Johannes Wislicenus]] az [[alkoholok|alkohol]] szóból kiindulva vezette be.<ref>{{CitLib|aut=Fülöp József|tit=Rövid kémiai értelmező és etimológiai szótár|red=Pauz–Westermann Könyvkiadó Kft.|loc=Celldömölk|ann=1998|isbn=963 8334 96 7|pag=13}}</ref>

== Téralkatuk (konformáció) ==
Az alkánokban a szénatomok a köztük lévő σ-kötés körül elfordulhatnak (rotálhatnak). Emiatt térszerkezetbeli, konformációs különbségek alakulhatnak ki az alkánmolekulákban.
[[Fájl:Newman projection ethane.png|bélyegkép|jobbra|180px|Az etán fedő- (balra) és nyitott állásának (jobbra) [[Newman-projekció]]ja]]
Az [[etán]]molekulában a rotáció miatt végtelen sok konformáció alakulhat ki. A két szélső helyzet neve: fedőállás és nyitott állás. A nyitott állás a legkedvezőbb, a fedőállás a legkedvezőtlenebb. A nyitott állás alacsonyabb [[energia]]tartalmú, mint a fedőállás, amelynek az energiatartalma körülbelül 12 kJ/mollal nagyobb. Az energiakülönbség oka az elektronok egymással való kölcsönhatása. Az energiakülönbség kicsi, a nyitott és a fedőállású molekulák közbülső helyzeteken keresztül állandóan átalakulnak egymásba. A rotáció igen gyors, a kétféle etánmolekula nem különíthető el.

Nyitott és fedőállás hosszabb szénláncok esetén is létrejöhet, ilyen szénláncok akkor a legstabilabbak, ha zegzugos elrendeződésűek. A zegzugos elrendeződés jelenti a nyitott állást.

== Szerkezeti izoméria ==
{| cellpadding="3" cellspacing="0" align="left" rules="all" style="margin: 0em 1em 0em 1em; background: #ffffff; border: 2px solid #aaa;"
|- bgcolor="#d0d0f0"
!Név || Izomerek száma
|----
| <small> [[Metán]] </small> || <small>1</small>
|----
| <small>[[Etán]]</small> || <small>1 </small>
|----
| <small>[[Propán]]</small> || <small>1 </small>
|----
| <small>[[Bután]]</small> || <small>2 </small>
|----
|<small>[[Pentán]]</small> || <small>3 </small>
|----
|<small>[[Hexán]]</small> || <small>5 </small>
|----
|<small>[[Heptán]]</small> || <small>9 </small>
|----
|<small>[[Oktán]]</small> || <small>18 </small>
|----
|<small>[[Nonán]]</small> || <small>35 </small>
|----
|<small>[[Dekán]]</small> || <small>75 </small>
|----
|}
Az elágazás nélküli szénláncú alkánokban egy szénatomhoz legfeljebb két másik kapcsolódik. Az ilyen alkánok normál alkánok, jelölésük n-. A háromnál nagyobb szénatomszámú alkánoknál fellép az [[izoméria]] jelensége, tehát egy adott összegképletű alkán szerkezete többféle lehet. Az ilyen alkánok lehetnek nyílt és elágazó szénláncúak is, bennük vannak olyan szénatomok, amelyekhez három vagy négy másik kapcsolódik. Csak az atomok és az atomcsoportok kapcsolódási sorrendje tér el bennük, ez az izoméria szerkezeti vagy [[konstitúciós izoméria]]. Az alkánok izomerjeinek száma a szénatomszámmal gyorsan nő.

== Fizikai tulajdonságaik ==
[[Fájl:Alkanschmelzundsiedepunkt.svg|bélyegkép|jobbra|350px|Az első 14 n-alkán olvadáspontja (kék) és forráspontja (bordó) [[Celsius-fok|°C]]-ban a szénatomszám függvényében.]]

Az alkánok apoláris vegyületek, [[víz]]zel nem elegyednek. Szerves oldószerekben és egymásban jól [[oldódás|oldódnak]]. A folyadék halmazállapotú alkánok úsznak a víz tetején, mivel [[sűrűség]]ük kisebb a vízénél (0,8 g/cm³ alatti). [[Olvadáspont|Olvadás]]- és [[forráspont]]juk a szénatomszámmal növekszik. A nyílt láncú alkánoknál az olvadáspont növekedése nem egyenletes, egyenletes növekedés csak akkor tapasztalható, ha külön vizsgáljuk a páros és a páratlan szénatomszámú alkánokat. Ennek az az oka, hogy a páros, illetve a páratlan szénatomszámú homológok különböző szerkezetű rácsban kristályosodnak. (A páros rendszámúak [[monoklin]], a páratlan rendszámúak [[rombos]] szerkezetű rácsban). Az elágazó szénláncú alkánok illékonyabbak, mint a nyílt szénláncúak, és alacsonyabb a forráspontjuk. Ez azzal magyarázható, hogy az elágazó szénláncú alkánoknál a molekulák közt kisebb az érintkezési felület, és emiatt gyengébbek a molekulák közti másodlagos kölcsönhatások. Az el nem ágazó alkánok homológ sorának első négy tagja [[gáz]] halmazállapotú, a sorozat 5–17. tagja [[folyadék|cseppfolyós]], a 17-nél nagyobb szénatomszámú alkánok [[szilárd halmazállapot|szilárdak]].

== Kémiai tulajdonságaik ==
Az alkánok reakciókészsége kicsi, erre utal paraffin elnevezésük is, mely a [[latin nyelv|latin]] ''parum'' (= kevéssé) + ''affinis'' (=ebben az értelemben reakcióképesség) szavak összetételéből származik. Tömény szervetlen savakkal és lúgokkal nem reagálnak. Ellenállóak más erélyes reagensekkel szemben is, például sok erős oxidálószernek (például [[kálium-permanganát]], [[kálium-dikromát]]) ellenállnak. [[Oxigén]] jelenlétében elégnek, [[szén-dioxid]] és [[víz]] keletkezik. Ez a reakció nagy hőfelszabadulással jár. Égésük általános reakcióegyenlete:

:<math>\mathrm{C_nH_{2n+2} + (1,5n+0,5) O_2 \rightarrow n \ CO_2 +  (n+1) \ H_2O}</math>

=== Halogénezés ===
A legegyszerűbb alkán, a metán kis reakciókészsége miatt szobahőmérsékleten és sötétben nem reagál az egyébként reakcióképes [[klór]]ral. Megvilágítás hatására szobahőmérsékleten vagy 300&nbsp;°C feletti hőmérsékleten sötétben azonban a reakció végbemegy, [[klórmetán]], [[diklórmetán]], [[kloroform|triklórmetán]] és [[szén-tetraklorid|tetraklórmetán]] képződik a következő reakcióegyenletek szerint:

:<math>\mathrm{CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl}</math>

:<math>\mathrm{CH_3Cl + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl_2 + HCl}</math>

:<math>\mathrm{CH_2Cl_2 + Cl_2 \rightarrow CHCl_3 + HCl}</math>

:<math>\mathrm{CHCl_3 + Cl_2 \rightarrow CCl_4 + HCl}</math>

A reakció [[szubsztitúció]]. A keletkező származékok aránya függ a kiindulási klórmetán aránytól, metánfelesleg esetén klórmetán, klórfelesleg esetén tetraklórmetán keletkezik a legnagyobb mennyiségben. A metán klórozási reakciója exoterm folyamat, [[termodinamika]]ilag kedvező. Annak, hogy a klórozási reakció nem játszódik le szobahőmérsékleten és sötétben, nem termodinamikai, hanem [[reakciókinetika]]i oka van: nagy a reakció aktiválási energiája.

A reakció gyökös mechanizmus szerint játszódik le. Először a klórmolekula [[homolízis]]e történik meg, két klóratom (szabad gyök) keletkezik. A klóratomok reagálnak a metánnal, metilgyök és hidrogén-klorid keletkezik. A metilgyök klórmolekulákkal is reakcióba léphet, klórmetán és klóratom jön létre. A keletkező klóratom reakcióképes, ez biztosítja, hogy folytatódjon a reakció. A klóratomok klórmolekulává, a metilgyökök etánná kapcsolódnak össze, ez okozhatja a reakció leállását. A reakció [[fluor]]ral nagyon heves. A [[bróm]]ozás is könnyen lejátszódik, viszont a [[jód]]ozás csak nehezen megy végbe.

A metánnál nagyobb szénatomszámú alkánok klórozása is gyökös mechanizmus szerint játszódik le. A reakció során többféle termék is képződik, ezek vagy a klóratomok számában, vagy azok helyzetében különböznek. A több, illetve a kevesebb halogént tartalmazó termékek aránya a kiindulási gázelegy összetételétől függ. A szénhidrogén nagy feleslege esetén főként monoklór-származék keletkezik.

[[Fájl:Isopentane-numbered-3D-balls.png|bélyegkép|jobbra|200px|Az izopentán szerkezete. A szénatomok számozva vannak.]]
Az [[izopentán]] 300&nbsp;°C-on végzett klórozásakor például négyféle monoklór származék is keletkezhet. Ha az izopentánmolekulában bármelyik hidrogénatom azonos valószínűséggel cserélődne ki klórra, akkor a termékösszetétel meghatározható lenne az alapján, hogy az adott származék hány hidrogénatom kicserélődésével keletkezhet. A kísérleti termékösszetétel azonban eltér az így számítható statisztikus termékösszetételtől, tehát a hidrogénatomok nem azonos valószínűséggel szubsztituálódnak, irányító hatás lép fel. A különböző termékek azonos mechanizmusú párhuzamos reakciókban keletkeznek, a reakciók sebessége azonban különbözik. A szubsztitúció sebessége a szénatom rendűségével növekszik, leglassabb a primer, leggyorsabb a tercier szénatomokon. A reakciósebességek különbsége a szubsztitúció során keletkező alkilgyökök stabilitásával függ össze. Az izopentán brómozásakor a reakciókörülmények megválasztásával az is elérhető, hogy szinte csak 2-bróm származék keletkezzen. Tehát brómozásnál erősebb az irányító hatás, mint a klórozásnál, a bróm szelektivitása nagyobb, mint a klóré.

=== Nitrálás ===
A [[nitrálás]] szintén szubsztitúciós reakció, nitráláskor egy hidrogénatom [[nitrovegyületek|nitrocsoportra]] cserélődik ki. A nitráláshoz általában használt nitráló elegy (ami tömény [[kénsav]] és tömény [[salétromsav]] [[elegy]]e) illetve a tömény salétromsav alkánok esetében nem alkalmazható, mert ezek hatására főként [[oxidáció]], és nem nitrálás megy végbe. Viszont az alkánok gázfázisban, magasabb hőmérsékleten és nyomás alatt salétromsavval nitrálhatók. A reakció egyenlete:

:<math>\mathrm{R{-}H + HNO_3 \rightarrow  R{-}NO_2 + H_2O}</math>

Az alkánok nitrálása a halogénezéshez hasonlóan gyökös mechanizmus szerint és több lépésben játszódik le. A reakció több párhuzamos ágon fut. Elsősorban a kisebb szénatomszámú paraffinok nitrálásának van nagy gyakorlati jelentősége.

=== Szulfonálás és szulfoklórozás ===
A [[szulfonálás]] olyan szubsztitúciós reakció, amelyben egy hidrogénatom [[szulfonsav]]csoportra (-SO<sub>2</sub>OH) cserélődik ki. Az alkánok tömény kénsavval nem lépnek reakcióba, ezért a szulfonálást füstölgő kénsavval, [[óleum]]mal végzik. A keletkező szulfonsavak erős [[sav]]ak, stabil [[só]]kat képeznek.

:<math>\mathrm{R{-}H + H_2SO_4 \rightarrow R{-}SO_2OH + H_2O}</math>

[[Kén-dioxid]] és klór segítségével az alkánok egyik hidrogénatomja -SO<sub>2</sub>Cl csoportra cserélhető ki. A folyamat szobahőmérsékleten, ultraibolya fény hatására játszódik le. Ennek a reakciónak a neve szulfoklórozás vagy klórszulfonálás, a reakcióban alkilszulfokloridok keletkeznek.

:<math>\mathrm{R{-}H + SO_2 + Cl_2 \rightarrow R{-}SO_2Cl + HCl}</math>

A reakció szintén gyökös mechanizmus szerint lejátszódó szubsztitúció. Az alkilszulfoklorid mellett klórozott alkánszármazék is képződhet (mellékreakcióként klórozás játszódik le). A szulfonálásnak és a szulfoklórozásnak a tisztító- és mosószerek gyártásánál van jelentősége.

=== Hőbontás ===
Az alkánok 500-600&nbsp;°C körüli hőmérsékleten hőbomlást szenvednek. A hőbomlás iránya a körülményektől függ (hőmérséklet, nyomás, katalizátor). A magasabb forráspontú frakcióinak krakklepárlását 500&nbsp;°C-on és nyomás alatt végzik. A krakkolás során a hosszabb szénláncú alkánokból rövidebb szénláncú telített és telítetlen szénhidrogének keletkeznek. Így a [[kőolaj]]ból nagyobb mennyiségű [[benzin]] nyerhető.

:<math>\mathrm{R{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_2{-}R' \rightarrow R{-}CH_2{-}CH_3 + R'{-}CH{=} CH_2}</math>

A hőbontást gyakran [[izoméria|izomerizáció]] kíséri, az izomerizáció során normál szénláncú alkánokból elágazó szénláncú izomerek keletkeznek. Ezt a reakciót leginkább az [[alumínium-klorid]] katalizálja. A hőbontás gyakran dehidrogéneződéssel jár, az alkánokból telítetlen szénhidrogének, vagy gyűrűvé záródással [[aromás vegyületek]] is keletkezhetnek. Az aromás vegyületek képződésével járó reakció neve: dehidroaromatizáció. Például n-[[hexán]]ból [[benzol]] keletkezik. A dehidroaromatizációt finom eloszlású [[platina]] vagy molibdén-oxid és króm-oxid katalizátorok katalizálják.

== Előállításuk ==
A kőolaj nagyon sokféle szénhidrogén elegye, általában nem alkalmas egy-egy vegyület kinyerésére, mert a komponensek egymástól való elválasztása bonyolult és drága. Ezért szükség van olyan szintézisekre, amelyek egy-egy adott szerkezetű alkán előállítását lehetővé teszik.

Az alkánok előállíthatók alkil-halogenidek, főként alkil-jodidok reduktív dehalogénezésével. A reakció naszcensz hidrogén (ami például [[cink]] és sósav reakciójával fejleszthető) hatására játszódik le. A reduktív dehalogénezést gyakran tömény [[hidrogén-jodid]]dal végzik.

:<math>\mathrm{R{-}I + HI \rightarrow R{-}H + I_2}</math>

A reakcióban képződő jód [[foszfor|vörösfoszfor]] jelenlétében visszaalakul hidrogén-jodiddá. (A foszfor a jóddal [[foszfor-trijodid]] képződése közben reagál, a foszfor-trijodid pedig [[víz]] hatására elbomlik).

Alkil-halogenidből [[Grignard-reagens]]en keresztül lejátszódó szintézissel is keletkezhet paraffin. A Grignard-reagens víz hatására könnyen hidrolizál alkánná, az alkán mellett bázisos magnézium-halogenid képződik.

:<math>\mathrm{R{-}Mg{-}X + H_2O \rightarrow R{-}H + Mg(OH)X}</math>

A [[Wurtz-szintézis]] során szintén alkil-halogenidekből képződik alkán. A Wurtz-szintézist indifferens oldószerben (benzolban, petroléterben) végzik.

:<math>\mathrm{2 \ R{-}I + 2\ Na \rightarrow R{-}R + 2\ NaI}</math>

A Corey–House-szintézis során különböző alkil-halogenidek kapcsolhatók alkánná lítium- és rézorganikus vegyületeken keresztül:<ref>{{cite book|author=Max Fogiel|title=The organic chemistry problem solver|publisher=Research and Education Association|year=1978|edition=Edition 2, revised, illustrated|id={{ISBN|0-87891-512-5}}, 9780878915125|pages=76}}</ref>

:<math>\mathrm{2\ R{-}X + 4\ Li \rightarrow 2\ R{-}Li + 2\ LiX}</math>
:<math>\mathrm{2\ R{-}Li + CuI \rightarrow R_2CuLi + LiI}</math>
:<math>\mathrm{R_2CuLi + R'X \rightarrow \ R{-}R' + LiX + R{-}Cu}</math>

Az oxovegyületek, például a ketonok [[amalgám]]ozott [[cink]] jelenlétében sósavval melegítve alkánokká redukálódnak. A cink és a sósav reakciójában keletkező naszcensz hidrogén redukálja az oxovegyületet. Ezt a módszert [[Clemmensen]] dolgozta ki [[1913]]-ban.

:<math>\mathrm{R{-}CO{-}R' + 4 \ H \rightarrow R{-}CH_2{-}R' + H_2O}</math>

A [[Krizsnyer-Wolff-redukció]] során az oxovegyület [[hidrazin]] hatására redukálódik alkánná:

:<math>\mathrm{R{-}CO{-}R' + N_2H_4 \rightarrow R{-}CH_2{-}R' + N_2 + H_2O}</math>

A karbonsavak dekarboxilezésekor, [[szén-dioxid]] kilépésével szénhidrogének keletkeznek. A telített monokarbonsavak (más néven zsírsavak) nátriumsói [[nátrium-hidroxid]] jelenlétében melegítve dekarboxileződnek, a reakcióban alkán keletkezik.

:<math>\mathrm{R{-}COONa + NaOH \rightarrow R{-}H + Na_2CO_3}</math>

[[Alkének]] vagy [[alkinek]] katalitikus hidrogénezésekor szintén paraffinok (alkánok) képződnek.

:<math>\mathrm{R{-}CH{=}CH{-}R' + 2 \ H \rightarrow R{-}CH_2{-}CH_2{-}R'}</math>

:<math>\mathrm{R{-}C{\equiv}C{-}R' + 4 \ H \rightarrow R{-}CH_2{-}CH_2{-}R'}</math>

== Jegyzetek ==
{{jegyzetek}}

== Források ==
* Bot György: A szerves kémia alapjai
* Furka Árpád: Szerves kémia
* Kovács Kálmán, Halmos Miklós: A szerves kémia alapjai
* Bruckner Győző: Szerves kémia, I/1-es kötet.

{{Szénhidrogének}}
{{Nemzetközi katalógusok}}
{{Portál|Kémia}}

[[Kategória:Alkánok| ]]