Alkan – Wikipedia tiếng Việt

Đối với hydrocarbon no chứa một hay nhiều mạch vòng, xem Cycloankan.

Công thức cấu trúc của methan, akan đơn thuần nhất

Alkan (tiếng Anh: alkane /ˈæl.keɪn/) trong hóa hữu cơ là hydrocarbon no không tạo mạch vòng. Điều đó có nghĩa là chúng là các hydrocarbon không tạo mạch vòng, trong đó mỗi phân tử chứa số nguyên tử hydro cực đại và không chứa các liên kết đôi.[1]

Alkan còn được biết đến như là parafin, hoặc nói một cách tổng thể là dãy parafin; tuy nhiên các thuật ngữ này chỉ được sử dụng để chỉ tới các alkan mà các nguyên tử cacbon của nó tạo thành mạch đơn không phân nhánh; trong trường hợp đó, các alkan mạch nhánh được gọi là isoparafin.

Công thức tổng quát của alkan là CnH2n+2 (với n là số nguyên dương); do đó alkan đơn giản nhất là methan, CH4. Tiếp theo là êtan, C2H6; dãy này có thể kéo dài vô tận. Mỗi một nguyên tử cacbon trong alkan có cặp lai quỹ đạo sp3.

Các nguyên tử cacbon trong những alkan ( có chứa hơn 3 nguyên tử cacbon ) hoàn toàn có thể sắp xếp theo nhiều cách khác nhau, tạo ra những đồng phân khác nhau. Alkan ” thường thì ” có cấu trúc thẳng, không phân nhánh. Số lượng những đồng phân tăng nhanh theo số lượng nguyên tử cacbon ; so với những alkan có từ 1 đến 12 nguyên tử cacbon thì số những đồng phân lần lượt là 1, 1, 1, 2, 3, 5, 9, 18, 35, 75, 159, 355 .

Danh pháp khoa học[sửa|sửa mã nguồn]

Trong tiếng Việt, tên gọi của các alkan kết thúc bằng -an.

Các alkan mạch thẳng[sửa|sửa mã nguồn]

Mười phân tử tiên phong của dãy ( theo số lượng nguyên tử cacbon ) được đặt tên như sau :

metan, CH4
etan, C2H6
propan, C3H8
butan, C4H10
pentan, C5H12
hexan, C6H14
heptan, C7H16
octan, C8H18
nonan, C9H20
đecan, C10H22

Một alkan mạch thẳng

Các alkan chứa 5 hoặc nhiều hơn nguyên tử cacbon được đặt tên bằng cách bổ sung thêm hậu tố -an vào quy ước chính xác của IUPAC để đọc các số. Do đó, pentan, C5H12; hexan, C6H14; heptan, C7H16; octan, C8H18; etc. Để có danh sách hoàn chỉnh hơn, xem Danh sách các alkan.

Các alkan mạch không phân nhánh đôi khi được bổ sung thêm tiền tố n- (ám chỉ thông thường) để phân biệt chúng với các alkan mạch nhánh có cùng số nguyên tử cacbon. Mặc dù nó không phải là cần thiết một cách tuyệt đối, nhưng việc sử dụng nó vẫn là phổ biến trong các trường hợp mà ở đó có sự khác biệt quan trọng về thuộc tính giữa alkan mạch không phân nhánh và các đồng phân mạch nhánh: ví dụ n-hexan là một chất độc đối với hệ thần kinh trong khi các đồng phân mạch nhánh của nó thì lại không phải.

Các alkan mạch nhánh[sửa|sửa mã nguồn]

Các alkan mạch nhánh được đặt tên như sau :

  • Xác định mạch các nguyên tử cacbon dài nhất.
  • Đánh số các nguyên tử cacbon trong mạch này, bắt đầu từ 1 tại đầu gần nhánh hơn và tiếp tục đếm cho đến khi gặp nguyên tử cacbon cuối cùng của mạch đó ở đầu kia.
  • Kiểm tra các nhóm đính vào mạch theo trật tự và tạo ra tên gọi cho chúng.
  • Tạo ra tên bằng cách nhìn vào các nhóm đính vào khác nhau, và viết tên của chúng cho từng nhóm, theo trật tự sau:
    • Số hay các số của nguyên tử cacbon, hay các nguyên tử, mà ở đó nó đính vào.
    • Các tiền tố di-, tri-, tetra- v.v nếu nhóm đính vào 2, 3, 4 v.v vị trí trong mạch, hoặc không có gì nếu nó được đính vào chỉ một chỗ duy nhất.
    • Tên của nhóm đính vào.
  • Việc tạo ra tên gọi được kết thúc khi đã viết xong tên gọi của mạch cacbon dài nhất.

Để triển khai thuật toán này, người ta cần phải biết những nhóm sửa chữa thay thế được gọi như thế nào. Điều này được triển khai bằng cùng một cách, ngoại trừ là thay vì sử dụng mạch cacbon dài nhất thì người ta sử dụng mạch dài nhất khởi đầu từ điểm đính vào ; ngoài những, việc đánh số được thực thi sao cho nguyên tử cacbon tiếp theo điểm đính vào có giá trị số bằng 1 .Ví dụ, hợp chất ( CH3 ) 3 – CH là alkan chứa 4 nguyên tử cacbon duy nhất hoàn toàn có thể có đặc thù khác với butan CH3-CH2-CH2-CH3. Tên gọi hình thức của nó là 2 – metylpropan .Tuy nhiên, pentan có hai đồng phân mạch nhánh ngoài dạng mạch thẳng thường thì là : ( CH3 ) 4 – C hay 2,2 – đimetylpropan và ( CH3 ) 2 – CH-CH2-CH3 hay 2 – metylbutan .

Tên gọi thường thì[sửa|sửa mã nguồn]

Các tên gọi ngoài mạng lưới hệ thống vẫn được duy trì trong mạng lưới hệ thống của IUPAC :

isobutan cho 2-metylpropan
isopentan cho 2-metylbutan
neopentan cho 2,2-đimetylpropan

Tên gọi isooctan được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa dầu để chỉ 2,2,4-trimetylpentan.

Sự thông dụng[sửa|sửa mã nguồn]

Methan và êtan chiếm tỷ suất lớn trong khí quyển Mộc TinhAlkan có cả trên Trái Đất và trong hệ Mặt Trời, tuy nhiên chỉ có một tỷ suất không lớn và đa phần chỉ ở dạng ” có dấu vết “. Các hydrocarbon nhẹ, đặc biệt quan trọng là methan và etan là một phần quan trọng của những thiên thể khác : ví dụ, chúng được tìm thấy trong đuôi của sao chổi Hyakutake và trong một số ít thiên thạch ví dụ điển hình như những loại chondrit cacbon. Chúng cũng tạo thành một phần quan trọng của bầu khí quyển của những hành tinh khí ngoài xa của hệ Mặt Trời như Mộc Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vương Tinh và Hải Vương Tinh. Trên Titan, vệ tinh của Thổ Tinh, người ta tin rằng đã từng có một đại dương lớn chứa những alkan mạch dài, những biển nhỏ chứa etan lỏng được cho là vẫn còn sống sót .Dấu vết của methan ( khoảng chừng 0,0001 % hay 1 ppm ) có trong bầu khí quyển Trái Đất, được sản xuất hầu hết bởi những dạng khuẩn cổ. Hàm lượng trong nước biển là không đáng kể do độ hòa tan thấp trong nước : tuy nhiên, ở áp suất cao và nhiệt độ thấp, methan hoàn toàn có thể cùng kết tinh với nước để tạo ra methan hydrat rắn. Mặc dù chúng không hề được khai thác trong khoanh vùng phạm vi thương mại vào thời gian hiện tại nhưng giá trị về nguồn năng lượng của những mỏ methan hydrat đã biết vượt xa tổng giá trị nguồn năng lượng của tổng thể những mỏ khí thiên nhiên và dầu mỏ — methan thu được từ methan hydrat do đó được coi là ứng viên cho nguồn nguyên vật liệu trong tương lai .
Khai thác alkan ở OntarioNgày nay, những nguồn thương mại quan trọng nhất của alkan rõ ràng là khí vạn vật thiên nhiên và dầu mỏ, là những hợp chất hữu cơ duy nhất có ở dạng khoáng chất trong tự nhiên. Khí thiên nhiên đa phần chứa methan và etan, với một chút ít propan và butan. Dầu mỏ là hỗn hợp của những alkan lỏng và những hydrocarbon khác. Cả hai đều được hình thành khi những động vật hoang dã biển chết được bao trùm bằng trầm tích để vô hiệu sự xuất hiện của oxy và được chuyển hóa sau nhiều triệu năm ở nhiệt độ và áp suất cao thành những chất tự nhiên tương ứng. Ví dụ dưới đây miêu tả một phản ứng hình thành ra khí thiên nhiên :

C6H12O6 → 3CH4 + 3CO2

Chúng tự tập hợp lại trong những loại đá xốp, được bao trùm bởi những lớp không thấm nước phía trên. trái lại với methan là hợp chất được tạo ra với khối lượng lớn, những alkan mạch dài hơn ít được tạo ra để có một khối lượng đáng kể trong tự nhiên. Các mỏ dầu lúc bấy giờ sẽ không được tái tạo một khi chúng bị hết sạch .Các alkan rắn thu được như là cặn còn lại sau khi cho dầu mỏ bay hơi, được biết đến như là hắc ín. Một trong những mỏ tự nhiên lớn nhất của alkan rắn là trong hồ chứa bitum gọi là La Brea trên hòn đảo Trinidad vùng Caribe .

Làm tinh khiết và sử dụng[sửa|sửa mã nguồn]

Các alkan là nguyên vật liệu thô quan trọng cho công nghiệp hóa dầu và là nguồn nguyên vật liệu quan trọng nhất của kinh tế tài chính quốc tế .Các nguyên vật liệu bắt đầu cho gia công chế biến là khí thiên nhiên và dầu thô. Dầu thô được tách ra tại những nhà máy sản xuất lọc dầu bằng cách chưng cất phân đoạn và sau đó được chế biến thành những mẫu sản phẩm khác nhau, ví dụ xăng. Sự ” phân đoạn ” khác nhau của dầu thô có những điểm sôi khác nhau và hoàn toàn có thể cô lập và tách bóc rất thuận tiện : với những phân đoạn khác nhau thì những chất có điểm sôi gần nhau sẽ bay hơi cùng với nhau .Sử dụng hầu hết của một alkan nào đó hoàn toàn có thể xác lập trọn vẹn tương thích với số nguyên tử cacbon trong nó, mặc dầu sự phân loại ranh giới dưới đây là đã lý tưởng hóa và chưa thực sự tuyệt vời và hoàn hảo nhất. Bốn alkan tiên phong được sử dụng hầu hết để phân phối nhiệt cho những mục tiêu sưởi ấm và nấu ăn, và trong một số ít vương quốc còn để chạy máy phát điện. Methan và etan là những thành phần hầu hết của khí thiên nhiên ; chúng thường thì được tàng trữ như thể khí nén. Tuy nhiên, rất thuận tiện chuyển chúng sang dạng lỏng : điều này yên cầu đồng thời việc nén và làm lạnh khí .

Propan và butan có thể hóa lỏng ở áp suất tương đối thấp, và chúng được biết dưới tên gọi khí hóa lỏng (viết tắt trong tiếng Anh là LPG). Ví dụ, propan được sử dụng trong các lò nung khí propan còn butan thì trong các bật lửa sử dụng một lần (ở đây áp suất chỉ khoảng 2 barơ). Cả hai alkan này được sử dụng làm tác nhân đẩy trong các bình xịt.

Từ pentan tới octan thì alkan là các chất lỏng dễ bay hơi. Chúng được sử dụng làm nhiên liệu trong các động cơ đốt trong, do chúng dễ hóa hơi khi đi vào trong khoang đốt mà không tạo ra các giọt nhỏ có thể làm hư hại tính đồng nhất của sự cháy. Các alkan mạch nhánh được ưa chuộng hơn, do chúng có sự bắt cháy muộn hơn so với các alkan mạch thẳng tương ứng (sự bắt cháy sớm là nguyên nhân sinh ra các tiếng nổ lọc xọc trong động cơ và dễ làm hư hại động cơ). Xu hướng bắt cháy sớm được đo bằng chỉ số octan của nhiên liệu, trong đó 2,2,4-trimetylpentan (isooctan) có giá trị quy định ngẫu hứng là 100 còn heptan có giá trị bằng 0. Bên cạnh việc sử dụng như là nguồn nhiên liệu thì các alkan này còn là dung môi tốt cho các chất không phân cực.

Các alkan từ nonan tới ví dụ là hexadecan ( alkan với mạch chứa 16 nguyên tử cacbon ) là những chất lỏng có độ nhớt cao, ít tương thích cho mục tiêu sử dụng như là xăng. Ngược lại, chúng tạo ra thành phần đa phần của dầu diesel ( điêzen ) và nguyên vật liệu hàng không. Các nguyên vật liệu điêzen được nhìn nhận theo chỉ số cetan ( cetan là tên gọi cũ của hexađecan ). Tuy nhiên, điểm nóng chảy cao của những alkan này hoàn toàn có thể sinh ra những yếu tố ở nhiệt độ thấp và tại những vùng gần cực Trái Đất, khi đó nguyên vật liệu trở nên đặc quánh hơn và sự truyền dẫn của chúng không được bảo vệ chuẩn xác .Các alkan từ hexađecan trở lên tạo ra thành phần quan trọng nhất của những loại chất đốt trong những lò đốt và dầu bôi trơn. Ở công dụng sau thì chúng thao tác như thể những chất chống ghỉ sét do thực chất không ưa nước của chúng làm cho nước không hề tiếp xúc với mặt phẳng sắt kẽm kim loại. Nhiều alkan rắn được sử dụng như là sáp parafin, ví dụ trong những loại nến. Không nên nhầm lẫn sáp parafin với sáp thực sự ( ví dụ sáp ong ) hầu hết là hỗn hợp của những este .Các alkan với độ dài mạch cacbon khoảng chừng từ 35 trở lên được tìm thấy trong bitum, được sử dụng đa phần trong nhựa đường để rải đường. Tuy nhiên, những alkan có mạch cacbon lớn có ít giá trị thương mại và thường thì hay được tách ra thành những alkan mạch ngắn hơn trải qua chiêu thức cracking .

Ý nghĩa: Ngoài việc tổng hợp được các alkan cần cho Công nghiệp hay phòng thí nghiệm (Lab) thì việc tổng hợp này còn có một ý nghĩa khác đó là cho thấy cách chuyển hoá các bộ phận của phân tử (nhóm chức) thành các nhóm hydrocarbon no.

Phương pháp thứ nhất[sửa|sửa mã nguồn]

Khử R-X (X là các Halogen) trực tiếp:

R-X +2H –> R-H + H-X

Tác nhân khử co thể là Zn/HCl – Mg.Hg/HCl – H2/Pd, Pt, Ni.. – LiAlH4, NaBH4..- Na/EtOH…

Lưu ý: Một trong những tác nhân khử mạnh nữa là HI thường dùng để khử dẫn xuất Iod theo phản ứng sau: R-I + H-I –> R-H + I2 (Phản ứng xảy ra trong bình kín, nhiệt độ)

Phương pháp thứ hai[sửa|sửa mã nguồn]

Thủy phân hợp chất cơ kim (Thường là cơ Magnesi- Hợp chất Grignard)

R-X + Mg/ete khan —> R-MgX + H2O —> R-H + Mg(OH)X

Phương pháp thứ ba[sửa|sửa mã nguồn]

Hydro hoá các hợp chất hydrocarbon không no

Phương pháp thứ tư[sửa|sửa mã nguồn]

Hợp hai gốc hydrocarbon lại bằng cách tạo liên kết C-C (Có nhiều pp nhưng chủ yếu nhất vẫn là Wurtz và Corey – House)

1. Tổng hợp Wurtz (Vuyec-1854):

R-X + 2Na + R-X –> R-R + 2NaX

Một vài lưu ý về phản ứng:

• Phản ứng này đạt hiệu suất cao nhất khi 2 gốc hydrocacbon đem ghép là 2 gốc giống nhau.
• Khi 2 gốc hydrocacbon đem ghép là 2 gốc khác nhau, phản ứng cho hỗn hợp sản phẩm R-R, R-R’, R’-R’.
• Phản ứng xảy ra trong dung môi là ether khan.

2. Tổng hợp Corey- House: Sơ đồ phản ứng tạm biểu diễn như sau:

R-X + 2Li —> RLi + LiX
2RLi + CuX —> R2CuLi + LiX (R2CuLi: Lithi điAnkyl Cuprat)
R2CuLi + R’X —> R-R’ + R-Cu + LiX

Lưu ý : Phản ứng chỉ xảy ra khi R ‘ là dẫn xuất Halogen bậc 1 hay bậc 2. Phản ứng đạt hiệu suất cao nhất khi mà R và R ‘ đều là dẫn xuất Hal bậc 1 .

Cấu trúc phân tử[sửa|sửa mã nguồn]

3 trong Cặp lai sptrong methan

Cấu trúc phân tử của các alkan trực tiếp ảnh hưởng tới các thuộc tính hóa-lý của chúng. Nó thu được từ cấu hình điện tử của cacbon, do nó có bốn điện tử hóa trị. Nguyên tử cacbon trong các alkan luôn luôn cặp lai sp3, có nghĩa là các điện tử hóa trị có thể được coi là nằm trong 4 quỹ đạo (orbital) tương đương thu được từ tổ hợp của một quỹ đạo 2s và ba quỹ đạo 2p. Các quỹ đạo này, có các mức năng lượng đồng nhất, được sắp xếp trong không gian trong dạng của một hình tứ diện, các góc giữa chúng bằng 109,47°.

Độ dài và góc link[sửa|sửa mã nguồn]

Cấu trúc tứ diện của methan .Phân tử alkan chỉ có link đơn C – H và C – C. Liên kết đầu là hiệu quả của phần chồng lên của quỹ đạo sp3 của cacbon với quỹ đạo 1 s của hydro ; link sau là do phần chồng lên của hai quỹ đạo sp3 trên những nguyên tử cacbon khác nhau. Giá trị của những độ dài link là 1,09 × 10 − 10 m so với link C – H và 1,54 × 10 − 10 m so với link C – C .Sự phân chia khoảng trống của những link là tựa như như của bốn quỹ đạo sp3 — chúng phân chia theo dạng tứ diện, với góc giữa chúng là 109,47 °. Công thức cấu trúc trong đó bộc lộ những link như là vuông góc với nhau là thông dụng và hữu dụng, nhưng không tương thích với trong thực tiễn .
Công thức cấu trúc và những góc link không đủ để miêu tả vừa đủ dạng hình học của phân tử. Còn phải quan tâm tới độ tự do cho mỗi link C – C : góc xoắn giữa những nguyên tử hoặc những nhóm link tới những nguyên tử tại mỗi đầu của link. Sự phân chia khoảng trống được miêu tả bởi những góc xoắn của phân tử được gọi là thông số kỹ thuật của nó .

Etan ( hay còn gọi là Êtan )[sửa|sửa mã nguồn]

Các ánh xạ Newman của hai thông số kỹ thuật của etan : che khuất ở bên trái, so le ở bên phải .Etan là trường hợp đơn thuần nhất để nghiên cứu và điều tra thông số kỹ thuật của alkan, do nó chỉ có một link C – C. Nếu nhìn thẳng vào trục của link C – C khi đó có cái gọi là ánh xạ Newman : vòng tròn đại diện thay mặt cho hai nguyên tử cacbon, một nguyên tử nằm sau nguyên tử kia, và những link tới hydro được đại diện thay mặt bởi những đường thẳng. Các nguyên tử hydro trên những link tới nguyên tử cacbon trước hay sau đều có góc giữa chúng là 120 °, tạo ra do phép chiếu của hình tứ diện lên một mặt phẳng. Tuy nhiên góc xoắn giữa nguyên tử hydro nhất định gắn với nguyên tử cacbon trước và nguyên tử hydro nhất định gắn với nguyên tử cacbon sau hoàn toàn có thể giao động tự do trong khoảng chừng 0 ° và 360 °. Đây là hệ quả của sự tự quay tự do xung quanh link đơn C – C. Mặc dù có sự tự do biểu kiến này nhưng chỉ có hai thông số kỹ thuật số lượng giới hạn là quan trọng :

  • Trong cấu hình che lấp, tương ứng với góc xoắn 0°, 120° hay 240°, các nguyên tử hydro gắn với nguyên tử cacbon trước là nằm ngay phía trước và thẳng hàng trong phép ánh xạ đối với các nguyên tử hydro gắn với nguyên tử cacbon sau.
  • Trong cấu hình so le, tương ứng với các góc xoắn 60°, 180° hay 300°, các nguyên tử hydro gắn với nguyên tử cacbon trước trong phép ánh xạ là nằm chính xác ở giữa các nguyên tử hydro gắn với nguyên tử cacbon sau.

Hai thông số kỹ thuật này, còn được gọi là những rotomer là khác nhau về nguồn năng lượng : thông số kỹ thuật so le thấp nguồn năng lượng hơn là 12,6 kJ / mol ( không thay đổi hơn ) so với cầu hình che khuất. Sự lý giải cho sự độc lạ về nguồn năng lượng này là chủ đề gây tranh cãi, với hai thuyết chủ yếu chính là :

  • Trong cấu hình che khuất thì lực đẩy tĩnh điện giữa các điện tử trong các liên kết C–H là cực đại.
  • Trong cấu hình so le thì sự siêu kết hợp (một dạng của phi cục bộ hóa) của các điện tử hóa trị là cực đại.

Hai lý giải này không phải là xích míc hay loại trừ lẫn nhau ; giả thuyết sau được coi là quan trọng hơn so với etan .Sự độc lạ về nguồn năng lượng giữa hai thông số kỹ thuật, được biết đến như là nguồn năng lượng xoắn, là nhỏ so với nhiệt năng của phân tử etan ở nhiệt độ bao quanh nó. Ở đây có sự tự quay liên tục xung quanh link C – C, mặc dầu với những ” khoảng chừng dừng ” ngắn ở mỗi thông số kỹ thuật so le. Thời gian thiết yếu so với phân tử etan để chuyển từ một thông số kỹ thuật so le sang thông số kỹ thuật so le tiếp nối, tương tự với sự tự quay của một nhóm CH3 một góc 120 ° tương đối với những nhóm khác, là khoảng chừng 10 − 11 giây .

Các alkan cao hơn[sửa|sửa mã nguồn]

Bốn thông số kỹ thuật của butan. Từ trái qua phải : che khuất trọn vẹn, nghiêng, che khuất một phần, ngược chiều .Các trường hợp tương ứng với hai link C – C trong propan về mặt định tính là tương tự như như của etan. Tuy nhiên, nó là phức tạp hơn nhiều so với butan và những alkan mạch dài hơn .Nếu người ta lấy link C – C TT của butan như là trục tham chiếu chính, mỗi một nguyên tử cacbon trong số hai nguyên tử TT được kiên kết với hai nguyên tử hydro và một nhóm metyl. Bốn thông số kỹ thuật khác nhau hoàn toàn có thể phân biệt và xác lập theo góc xoắn giữa hai nhóm metyl và giống như trong trường hợp của etan, mỗi thông số kỹ thuật này đều có mức nguồn năng lượng đặc trưng của nó .

  • Cấu hình che khuất hoàn toàn hay cùng chiều có góc xoắn bằng 0°. Nó là cấu hình có mức năng lượng cao nhất.
  • Cấu hình nghiêng có góc xoắn 60° (hay 300°). Nó là cực tiểu về năng lượng cục bộ.
  • Cấu hình che khuất một phần có góc xoắn 120° (hay 240°). Nó là cực đại về năng lượng cục bộ.
  • Cấu hình ngược chiều có góc xoắn 180°. Hai nhóm metyl là xa nhau nhất ở mức có thể và cấu hình này có mức năng lượng thấp nhất.

Chênh lệch về nguồn năng lượng giữa hai thông số kỹ thuật ” che khuất trọn vẹn ” và ” ngược chiều ” là khoảng chừng 19 kJ / mol, và do đó vẫn là tương đối nhỏ ở nhiệt độ bao quanh nó .Trường hợp của những alkan mạch dài hơn là tương tự như : thông số kỹ thuật ngược chiều luôn luôn là thông số kỹ thuật ưa thích nhất xung quanh mỗi link C – C. Vì nguyên do này, những alkan thường được trình diễn dưới dạng phân chia chữ chi ( zigzag ) trong những giản đồ hay những quy mô. Cấu trúc thực sự luôn độc lạ một chút ít so với những dạng lý tưởng hóa này, do độc lạ về nguồn năng lượng giữa những thông số kỹ thuật là nhỏ so với nhiệt năng của phân tử : những phân tử alkan không có dạng cấu trúc cố định và thắt chặt giống như những gì mà những quy mô đề ra .Các thông số kỹ thuật của những phân tử chất hữu cơ dựa trên những đặc thù này của alkan và được xem xét trong những bài tương quan .

đều
Cấu trúc phân tử, cụ thể là diện tích bề mặt của phân tử, xác định điểm sôi của alkan: diện tích bề mặt càng nhỏ thì điểm sôi càng thấp, do các lực van der Waals giữa các phân tử là yếu hơn. Việc giảm diện tích bề mặt có thể thu được nhờ tạo nhánh hay là cấu trúc vòng. Điều này có nghĩa là trong thực tế các alkan có số nguyên tử cacbon nhiều hơn thông thường sẽ có điểm sôi cao hơn so với các alkan có số nguyên tử cacbon nhỏ hơn, và các alkan mạch nhánh và cycloankan có điểm sôi thấp hơn so với các dạng mạch thẳng của chúng. Ở điều kiện tiêu chuẩn, từ CH4 tới C4H10 thì các alkan có dạng khí; từ C5H12 tới C17H36 chúng là lỏng; và từ C18H38 thì chúng là rắn. Điểm sôi tăng khoảng 20 tới 30 °C cho một nhóm CH2.

Các điểm nóng chảy của những alkan cũng tăng theo chiều tăng của số nguyên tử cacbon ( ngoại lệ duy nhất là propan ). Tuy nhiên, điểm nóng chảy tăng chậm hơn nhiều so với sự tăng của điểm sôi, đơn cử là so với những alkan lớn. Ngoài ra, điểm nóng chảy của những alkan chứa lẻ số nguyên tử cacbon tăng nhanh hơn so với điểm nóng chảy của những alkan chứa chẵn số nguyên tử cacbon ( xem hình ) : nguyên do của hiện tượng kỳ lạ này là do ” tỷ lệ bao gói ” cao hơn của những alkan chứa chẵn số nguyên tử cacbon. Điểm nóng chảy của những alkan mạch nhánh hoàn toàn có thể cao hơn hoặc thấp hơn so với những alkan mạch thẳng tương ứng, nhờ vào vào hiệu suất cao của sự bao gói phân tử : nó là đúng phần nào với so với những isoankan ( những đồng phân 2 – metyl ), thường thì có điểm nóng chảy cao hơn so với những đồng phân mạch thẳng của nó .Các alkan không có tính dẫn điện và về cơ bản chúng cũng không bị phân cực bởi điện trường. Vì nguyên do này chúng không tạo ra những link hydro và thế cho nên không hòa tan trong những dung môi phân cực như nước. Do những link hydro giữa những phân tử nước riêng không liên quan gì đến nhau là tách biệt với những phân tử alkan, sự cùng sống sót của alkan và nước dẫn tới sự tăng trong trật tự phân tử ( giảm entropy ). Do không có link đáng kể giữa những phân tử nước và phân tử alkan, định luật hai nhiệt động lực học cho rằng việc giảm entropy này được giảm thiểu bằng cách giảm thiểu sự tiếp xúc giữa alkan và nước : những alkan được coi là không ưa nước và chúng là đẩy nước .Độ hòa tan của chúng trong những dung môi không phân cực là tương đối tốt, một thuộc tính gọi là ưa mỡ. Các alkan khác nhau là hoàn toàn có thể trộn lẫn nhau với tỷ suất bất kể .Tỷ trọng của những alkan thường thì tăng theo chiều tăng của số nguyên tử cacbon, nhưng vẫn thấp hơn tỷ trọng của nước. Vì thế, những alkan tạo thành lớp trên trong hỗn hợp alkan-nước .
Các alkan nói chung biểu lộ tính hoạt động hóa học tương đối yếu, do những link C – H và C – C của chúng là tương đối không thay đổi và không dễ phá vỡ. Không giống như những hợp chất hữu cơ khác, chúng không có những nhóm chức .

Chúng phản ứng rất kém với các chất có tính điện ly hay phân cực. Các giá trị pKa của tất cả các alkan là trên 60, vì thế trên thực tế chúng là trơ với các axít hay base. Tính trơ này là nguồn gốc của thuật ngữ parafin (tiếng Latinh para + affinis, với nghĩa là “thiếu ái lực”). Trong dầu thô các phân tử alkan giữ các thuộc tính hóa học không thay đổi trong hàng triệu năm.

Tuy nhiên những phản ứng oxy hóa-khử của những alkan, đơn cử là với oxy và những halogen, là hoàn toàn có thể do những nguyên tử cacbon là ở trong những điều kiện kèm theo khử mạnh ; trong trường hợp của methan, trạng thái oxy hóa thấp nhất so với cacbon ( − 4 ) đã đạt tới. Phản ứng với oxy dẫn tới sự cháy ; với những halogen là những phản ứng thế .Các gốc tự do và những phân tử với những điện tử không bắt cặp đóng vai trò quan trọng trong hầu hết những phản ứng của alkan, ví dụ điển hình như trong cracking và sửa đổi mà ở đó những alkan mạch dài bị chia cắt thành những alkan và anken mạch ngắn hay những alkan mạch thẳng bị chuyển thành những đồng phân mạch nhánh .Trong những alkan mạch nhánh lớn thì những góc link hoàn toàn có thể khác đáng kể so với giá trị tối ưu ( 109,5 ° ) để bảo vệ cho những nhóm khác có đủ khoảng trống thiết yếu. Điều này sinh ra sự căng trong phân tử, được biết đến như thể sự cản trở khoảng trống, và nó hoàn toàn có thể tắng độ hoạt động hóa học đáng kể .

Gần như mọi hợp chất hữu cơ đều chứa các liên kết C–C và C–H, và vì thế chúng thể hiện một số dặc trưng của alkan trong quang phổ của chúng. Các alkan đáng chú ý là do không có các nhóm khác và vì vậy chúng thiếu vắng các đặc trưng quang phổ khác.

Phổ hồng ngoại[sửa|sửa mã nguồn]

Kiểu kéo căng C – H tạo ra sự hấp thụ mạnh ở khoảng chừng 2850 và 2960 cm − 1, trong khi kiểu kéo căng C – C hấp thụ trong khoảng chừng giữa 800 và 1300 cm − 1. Kiểu link C – H phụ thuộc vào vào thực chất của nhóm : những nhóm metyl Open ở dải 1450 cm − 1 và 1375 cm − 1, trong khi những nhóm metylen Open ở dải 1465 cm − 1 và 1450 cm − 1. Các mạch cacbon với nhiều hơn 4 nguyên tử cacbon Open vạch hấp thụ yếu ở khoảng chừng 725 cm − 1 .
Sự cộng hưởng proton của những alkan thường thì tìm thấy ở δH = 0 – 1. Sự cộng hưởng cacbon-13 phụ thuộc vào vào số nguyên tử hydro đính vào cacbon : δC = 8 – 30 ( metyl ), 15 – 55 ( metylen ), 20 – 60 ( metyn ). Sự cộng hưởng cacbon-13 của nguyên tử cacbon trong nhóm bốn là rất yếu, do thiếu hiệu ứng tăng Overhauser hạt nhân và thời hạn dãn dài : nó hoàn toàn có thể bỏ lỡ trong quang phổ thông thường .

Phép đo phổ khối lượng[sửa|sửa mã nguồn]

Các alkan có nguồn năng lượng ion hóa cao, và những ion thường thì là rất yếu. Các kiểu phân loại rất khó diễn giải, nhưng trong trường hợp của những alkan mạch nhánh thì mạch cacbon có xu thế bị tách ra ở cacbon thứ ba hay thứ tư do tính không thay đổi tương đối của những gốc tự do tạo thành. Sự phân loại tạo ra do mất nhóm metyl đơn ( M − 15 ) thường thì không sống sót, và sự phân loại khác thường thì được dàn theo những khoảng chừng của 14 đơn vị chức năng khối lượng, tương ứng với sự mất liên tục những nhóm CH2 .
Tất cả những alkan phản ứng với oxy trong phản ứng cháy, mặc dầu chúng trở nên khó bắt lửa hơn khi số lượng nguyên tử cacbon tăng lên. Phương trình tổng quát của phản ứng cháy trọn vẹn là :

2CnH2n+2 + (3n+1)O2 → 2(n+1)H2O + 2nCO2

Khi không có đủ lượng oxy thiết yếu thì cacbon mônôxít hay thậm chí còn là muội than hoàn toàn có thể tạo ra, như được chỉ ra dưới đây cho methan :

2CH4 + 3O2 → 2CO + 4H2O
CH4 + O2 → C + 2H2O

Các alkan thường thì cháy với ngọn lửa không sáng và rất ít muội than được tạo ra .

Sự thay đổi enthalpy của sự cháy, ΔcHo, đối với các alkan tăng khoảng 650 kJ/mol cho một nhóm CH2. Các alkan mạch nhánh có giá trị ΔcHo thấp hơn so với các alkan mạch thẳng khi cùng một số nguyên tử cacbon, vì thế có thể coi là ổn định hơn về một số khía cạnh nào đó.

Với những halogen[sửa|sửa mã nguồn]

Các alkan phản ứng với những halogen trong phản ứng gọi là phản ứng halogen hóa. Các nguyên tử hydro trong alkan bị sửa chữa thay thế từ từ, hay bị thay thế sửa chữa bằng những nguyên tử halogen. Các gốc tự do là những dạng chất tham gia vào trong phản ứng, thường thì hay tạo ra hỗn hợp những loại sản phẩm. Các phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt cao và hoàn toàn có thể dẫn tới nổ .Chuỗi chính sách phản ứng như sau, với clo hóa methan là ví dụ nổi bật :

1. Khởi đầu: Chia cắt phân tử clo để tạo ra hai nguyên tử clo, được kích thích bằng bức xạ cực tím. Nguyên tử clo có điện tử không bắt cặp và phản ứng như là một gốc tự do.

Cl2 → 2Cl·
2. Lan truyền (2 bước): Nguyên tử hydro bị lôi ra khỏi methan sau đó gốc metyl kéo Cl· từ Cl2.

CH4 + Cl· → CH3· + HCl
CH3· + Cl2 → CH3Cl + Cl·
Điều này tạo ra sản phẩm mong muốn và gốc clo tự do khác. Gốc tự do này sau đó sẽ tham gia vào trong phản ứng lan truyền khác sinh ra một phản ứng dây chuyền. Nếu có đủ clo, các sản phẩm khác chẳng hạn như CH2Cl2 có thể tạo ra.
3. Kết thúc: Tái tổ hợp của hai gốc tự do:

Cl· + Cl· → Cl2; hay
CH3· + Cl· → CH3Cl; hoặc
CH3· + CH3· → C2H6.
Khả năng cuối cùng trong bước kết thúc sẽ tạo ra tạp chất trong hỗn hợp cuối cùng; chủ yếu là sự tạo ra các phân tử hữu cơ với mạch cacbon dài hơn thay vì tái tạo lại các chất tham gia phản ứng.

Trong trường hợp của methan hay etan, mọi nguyên tử hydro đều bình đẳng và có cơ hội nganh nhau để được thay thế. Điều này dẫn đến cái gọi là sự phân bổ sản phẩm thống kê. Đối với propan và các alkan lớn hơn thì các nguyên tử hydro tạo thành các nhóm CH2 (hay CH) được ưu tiên thay thế.

Phản ứng của những halogen khác nhau xê dịch đáng kể : tỷ suất tương đối là : flo ( 108 ) > clo ( 1 ) > brom ( 7 × 10 − 11 ) > iod ( 2 × 10 − 22 ). Vì thế phản ứng của alkan với flo là khó trấn áp nhất, với clo là nhanh vừa phải, với brom là chậm và yên cầu mức độ chiếu xạ tia cực tím cao còn với iod trên trong thực tiễn là không sống sót và không có lợi về mặt nhiệt động lực học .Các phản ứng này là quá trình công nghiệp quan trọng để halogen hóa những hydrocarbon .

Cracking và sửa đổi[sửa|sửa mã nguồn]

” Cracking ” phá vỡ những phân tử lớn thành những phân tử nhỏ hơn. Nó hoàn toàn có thể thực thi bằng những chiêu thức nhiệt hay sử dụng chất xúc tác. Quy trình cracking nhiệt tuân theo chính sách chia cắt link đối xứng, có nghĩa là những link bị phá vỡ đối xứng và cặp những gốc tự do được tạo ra. Quy trình cracking với chất xúc tác được diễn ra với sự tham gia của chất xúc tác axít ( thường thì là những axít rắn ) như silicat nhôm và zeolit ) có khuynh hướng phá vỡ bất đối xứng những link tạo ra những cặp ion ngược dấu điện tích, thường thì là cacbo cation và anion hydride rất không không thay đổi. Các gốc tự do cacbon-khu vực hóa và những cation là không không thay đổi và nhanh gọn tham gia vào quy trình tái tạo mạch, sự phân loại C-C tại vị trí beta ( có nghĩa là cracking ) và hydro nội phân tử và liên phân tử được vận động và di chuyển hoặc trong vận động và di chuyển hydride. Trong cả hai dạng tiến trình, những chất trung gian của phản ứng ( gốc tự do, ion ) được tái tạo liên tục, và vì thế chúng được tạo ra trong một chính sách tự Viral. Chuỗi những phản ứng sau cuối được kết thúc bằng sự tái tổng hợp những gốc tự do hay những ion .Ở đây là ví dụ về cracking butan CH3-CH2-CH2-CH3

  • Khả năng 1 (48%): việc phá vỡ thực hiện trên liên kết CH3-CH2.

CH3 * / * CH2-CH2-CH3sau một số ít bước người ta thu được alkan và anken : CH4 + CH2 = CH-CH3

  • Khả năng 2 (38%): việc phá vỡ thực hiện trên liên kết CH2-CH2.

CH3-CH2 * / * CH2-CH3sau một số ít bước người ta thu được alkan và anken dạng khác : CH3-CH3 + CH2 = CH2

  • Khả năng 3 (14%): phá vỡ liên kết C-H.

sau 1 số ít bước người ta thu được anken và hydro : CH2 = CH-CH2-CH3 + H2

Các phản ứng khác[sửa|sửa mã nguồn]

Các alkan sẽ phản ứng với hơi nước khi xuất hiện chất xúc tác niken để tạo ra hydro. Alkan hoàn toàn có thể clorosulfonat hóa và nitrat hóa, mặc dầu cả hai phản ứng đều yên cầu những điều kiện kèm theo đặc biệt quan trọng. Sự lên men hóa những alkan thành những axít cacboxylic có một tầm quan trọng kỹ thuật .
Đối với những ankan có số cacbon lớn ( parafin ), chúng hoàn toàn có thể phản ứng đựoc với hydro trong điều kiện kèm theo nhiệt độ, áp suất rất cao. Sản phẩm của quy trình này là những hydrocacbon nhẹ, mạch ngắn đến trung bình, hầu hết dùng làm xăng .

Methan là một chất nổ khi trộn với không khí (1–8% CH4) và là một chất khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh: các alkan thấp khác có thể là chất nổ khi trộn cùng không khí. Các alkan lỏng là những chất dễ bắt lửa, mặc dù rủi ro này giảm dần theo chiều dài mạch cacbon. Pentan, hexan và heptan được xếp loại là nguy hiểm cho môi trườngcó hại: octan cũng được phân loại là có hại. Hexan mạch thẳng là một chất độc cho hệ thần kinh và vì thế ít được sử dụng trong thương mại.

Trong tự nhiên[sửa|sửa mã nguồn]

Mặc dù những alkan có trong tự nhiên theo nhiều cách khác nhau, chúng không được nhìn nhận như là những chất thiết yếu xét về mặt sinh học. Các cycloankan với số nguyên tử cacbon từ 14 tới 18 có trong xạ hương, được chiết ra từ hươu xạ ( họ Moschidae ). Tất cả những thông tin dưới đây đều chỉ vận dụng cho những alkan không tạo vòng .

Vi khuẩn và khuẩn cổ[sửa|sửa mã nguồn]

Vi khuẩn cổ sản xuất methan trong dạ dày con bò này là nguyên nhân tạo ra một lượng nhỏ methan trong khí quyển Trái Đất.Một số loại vi trùng nhất định hoàn toàn có thể chuyển hóa những alkan : chúng ưa thích những alkan có mạch cacbon chẵn do chúng dễ bị phân hủy hơn so với alkan mạch cacbon lẻ .Mặt khác một số ít vi trùng cổ, như mêtanogen, sản sinh ra một lượng lớn methan bằng cách chuyển hóa cacbon dioxide hoặc oxy hóa những hợp chất hữu cơ khác. Năng lượng được giải phóng bằng sự oxy hóa hydro :

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

Mêtanogen cũng sản xuất ra khí đầm lầy trong những vùng đất lầy và giải phóng khoảng chừng 2 tỷ tấn methan mỗi năm — nồng độ methan trong khí quyển trên trong thực tiễn hầu hết là do chúng sản xuất. Công suất sản xuất methan của trâu, bò và những động vật hoang dã ăn cỏ khác hoàn toàn có thể tới 150 lít một ngày, cũng như của mối, đều là do mêtanogen. Chúng cũng sản xuất alkan đơn thuần nhất này trong ruột người. Các vi trùng cổ mêtanogen thế cho nên nằm ở cuối của quy trình cacbon, với cacbon được giải phóng ngược trở lại khí quyển sau khi đã được cố định và thắt chặt bởi quy trình quang hợp. Có lẽ là những mỏ khí vạn vật thiên nhiên lúc bấy giờ cũng đã được hình thành theo cách tựa như .

Nấm và thực vật[sửa|sửa mã nguồn]

Nước tạo thành những giọt nhỏ trên màng mỏng mảnh chứa sáp alkan phủ bên trên vỏ quả táo .

Các alkan cũng đóng vai trò nhỏ trong sinh học của ba nhóm eukaryot là: nấm, thực vật và động vật. Một số loại men đặc biệt, ví dụ Candida tropicale, các loài họ Pichia, Rhodotorula, có thể sử dụng alkan như là nguồn cacbon và/hoặc năng lượng. Loài nấm Amorphotheca resinae ưa thích các alkan mạch dài trong nhiên liệu hàng không, và có thể sinh ra các vấn đề nghiêm trọng cho máy bay trong các khu vực nhiệt đới.

Trong thực vật người ta cũng tìm thấy những alkan rắn mạch dài ; chúng tạo ra một lớp sáp rắn chắc-lớp cutin ( biểu bì ), trên những khu vực mà thực vật bị lột trần ra ngoài không khí. Nó bảo vệ thực vật chống lại sự mất nước, đồng thời ngăn cản sự thất thoát của những khoáng chất quan trọng do bị mưa. Nó cũng bảo vệ thực vật chống lại vi trùng, nấm và những côn trùng nhỏ có hại. Lớp vỏ sáng màu trên những loại quả như táo cũng chứa những alkan mạch dài. Mạch cacbon thường thì nằm giữa 20 và 30 nguyên tử cacbon và được thực vật sản xuất từ những axít béo. Thành phần đúng mực của lớp sáp không riêng gì phụ thuộc vào vào loài mà còn đổi khác theo mùa và những yếu tố môi trường tự nhiên như điều kiện kèm theo chiếu sáng, nhiệt độ và nhiệt độ .

Các alkan cũng được tìm thấy trong các sản phẩm của động vật, mặc dù chúng ít quan trọng hơn so với các hydrocarbon không no. Một ví dụ là dầu gan cá mập chứa khoảng 14% pristan (2,6,10,14-tetramêtylpentadecan, C19H40). Sự có mặt của chúng là quan trọng hơn trong các pheromon, loại hóa chất làm tín hiệu, mà gần như toàn bộ côn trùng đều cần khi liên lạc với nhau. Với một số loại, như được sử dụng bởi bọ cánh cứng Xylotrechus colonus, chủ yếu là pentacosan (C25H52), 3-mêtylpentaicosan (C26H54) và 9-mêtylpentaicosan (C26H54), chúng được chuyển giao bằng sự tiếp xúc cơ thể. Với các loài khác như muỗi xê xê Glossina morsitans morsitans, pheromon chứa 4 alkan là 2-mêtylheptadecan (C18H38), 17,21-đimêtylheptatriacontan (C39H80), 15,19-đimêtylheptatriacontan (C39H80) và 15,19,23-trimêtylheptatriacontan (C40H82), và chúng hoạt động bằng mùi với một khoảng cách lớn, một đặc trưng hữu ích để kiểm soát sâu bọ.

Quan hệ sinh thái[sửa|sửa mã nguồn]

Ophrys sphegodes)Lan hình nhện (

Một ví dụ về alkan mà cả trên động và thực vật đều có vai trò là quan hệ sinh thái giữa ong cát (Andrena nigroaenea) và lan hình nhện (Ophrys sphegodes); trong đó hoa lan phụ thuộc vào sự thụ phấn của ong. Ngoài ra, ong cát sử dụng các pheromon để xác định bạn tình của mình; trong trường hợp của A. nigroaenea, con cái sử dụng hỗn hợp của tricosan (C23H48), pentacosan (C25H52) và heptacosan (C27H56) với tỷ lệ 3:3:1, và con đực bị hấp dẫn bởi mùi đặc trưng này. Cây hoa lan đã nắm được ưu thế này— các phần trong hoa của nó không chỉ tương tự như bề ngoài của ong cát, mà nó còn sản xuất ra một lượng lớn cả ba alkan nói trên với cùng một tỷ lệ tương tự. Kết quả là hàng loạt ong đực bị quyến rũ bay đến và cố gắng giao hợp với bạn tình giả mạo của mình: mặc dù nỗ lực này không đem lại thành công cho ong, nhưng nó cho phép cây lan chuyển giao phấn hoa của nó, được gieo rắc sau khi con đực nản chí bay sang các bông hoa khác.

Một số Alkan[sửa|sửa mã nguồn]

  1. ^

    Lỗi chú thích: Thẻ sai; không có nội dung trong thẻ ref có tên GoldBook alkanes

ĐÁNH GIÁ post
Bài viết liên quan

Tư vấn miễn phí (24/7) 094 179 2255