آلکان ها و خواص فیزیکی و شیمیایی انها

1. معرفی آلکان‌ها و فرمول عمومی
آلکان‌ها دسته‌ای از هیدروکربن‌ها هستند که در ساختار آن‌ها:
• تمام پیوندهای بین اتم‌های کربن-کربن (C-C) و کربن-هیدروژن (C-H) از نوع یگانه کووالانسی است.
• به دلیل نداشتن پیوند دوگانه یا سه‌گانه، به آن‌ها هیدروکربن‌های سیرشده (اشباع) می‌گویند؛ یعنی ظرفیت اتم‌های کربن به‌طور کامل با پیوندهای یگانه پر شده است.
• پسوند نام‌گذاری این ترکیبات «ان» (مانند متان، اتان، پروپان و ...) است.
• فرمول عمومی آلکان‌های زنجیری:
\[C_{n}H_{2n+2} \quad (n \geq 1)\]
نکته: به‌ازای هر اتم کربن (n)، تعداد اتم‌های هیدروژن برابر \(2n + 2\) خواهد بود. ساده‌ترین عضو این خانواده، متان (\(C_{4}H_{10}\)) با \(n=1\) است.
2. خواص فیزیکی آلکان‌ها
الف) قطبیت و انحلال‌پذیری

• پیوندهای H-C و C-C به دلیل اختلاف ناچیز الکترونگاتیوی (خصلت نافلزی)، ناقطبی در نظر گرفته می‌شوند؛ در نتیجه، مولکول‌های آلکان کاملاً ناقطبی هستند (تقارن دارند).
• نیروی بین‌مولکولی غالب در آلکان‌ها، نیروهای ضعیف وان‌دروالس (لندن) است.
• بر اساس قاعده «شبیه، شبیه را در خود حل می‌کند»، آلکان‌ها در آب (حلال قطبی) حل نمی‌شوند (آب‌گریز هستند) و روی آب شناور می‌مانند (به دلیل چگالی کمتر از آب). اما در حلال‌های ناقطبی مانند هگزان یا بنزن به‌خوبی حل می‌شوند.
ب) نقطه جوش و عوامل مؤثر بر آن
با افزایش تعداد اتم‌های کربن (جرم و حجم مولی)، ابر الکترونی مولکول بزرگ‌تر و قطبش‌پذیری آن بیشتر می‌شود؛ بنابراین، نیروهای جاذبه وان‌دروالس قوی‌تر شده و نقطه جوش افزایش می‌یابد.
• وضعیت فیزیکی در دمای اتاق (25°C) و فشار \(0\ atm\):

• \(C_{1}\) تا \(C_{4}\) (متان تا بوتان): گاز
  \(C_{5}\) تا \(C_{17}\) (پنتان تا هفتادکان): مایع
  \(C_{18}\) به بالا: جامد (موم‌شکل و پارافینی)
  • اثر شاخه فرعی بر نقطه جوش (در ایزومرها):
  در آلکان‌های هم‌فرمول (ایزومرها)، با افزایش تعداد شاخه‌های فرعی، شکل مولکول کروی‌تر و سطح تماس بین مولکول‌ها کمتر می‌شود؛ در نتیجه نیروهای بین‌مولکولی ضعیف‌تر شده و نقطه جوش کاهش می‌یابد:
  نقطه جوش :آلکان راست‌زنجیر > آلکان شاخه‌دار (با تعداد کربن برابر)
  ج) فراریت (Volatility)
  • فراریت تمایل یک مایع برای تبدیل شدن به بخار در دمای معین است.
  • هرچه نیروهای بین‌مولکولی ضعیف‌تر باشند (جرم مولی کمتر)، مایع آسان‌تر تبخیر شده و فرارتر است.

\(افزایش  تعداد  کربن  ⟹  افزایش  جرم  مولی  ⟹  افزایش  نقطه  جوش  ⟹  کاهش  فراریت\)

د) گرانروی یا ویسکوزیته (Viscosity)
• گرانروی به معنای «مقاومت یک مایع در برابر جاری شدن» است.
• هرچه نیروهای جاذبه بین مولکول‌ها قوی‌تر باشد و زنجیره کربنی بلندتر و درهم‌تنیده‌تر شود، مولکول‌ها سخت‌تر روی یکدیگر می‌لغزند؛ بنابراین گرانروی افزایش می‌یابد.
\[افزایش  تعداد  کربن  \implies  افزایش  گرانروی (روان‌روی  کمتر)\]
 3. خواص شیمیایی آلکان‌ها
آلکان‌ها به دلیل داشتن پیوندهای یگانه قوی و ناقطبی بودن، از نظر شیمیایی بسیار کم‌واکنش هستند (به همین دلیل در گذشته به آن‌ها پارافین به معنی میل ترکیبی کم می‌گفتند). با این حال، یکی از مهم‌ترین واکنش‌های آن‌ها واکنش سوختن در مجاورت اکسیژن است که با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی (گرماده) همراه است.
الف) سوختن کامل (در حضور اکسیژن کافی)
در صورتی که اکسیژن به مقدار کافی در دسترس باشد، هیدروکربن به‌طور کامل می‌سوزد و فراورده‌های آن تنها گاز کربن دی‌اکسید (\(CO_{2}\)) و بخار آب (\(H_{2}O\)) خواهند بود.
• معادله کلی موازنه شده سوختن کامل آلکان‌ها:

\(C_nH_{2n+2} + (\frac{3n + 1}{2}) O_2 → nCO_2 + (n + 1)H_2O + Q\)

مثال (سوختن کامل متان و پروپان):

\(CH_4 + 2O_2 → CO_2 + 2H_2O + q\)
\(C_3H_8 + 5O_2 → 3CO_2 + 4H_2O + q\)

ب) سوختن ناقص (در حضور اکسیژن ناکافی یا محدود)

اگر مقدار اکسیژن محیط محدود باشد، تمام کربن‌ها به \(CO_2 )\تبدیل نمی‌شوند. در این حالت، علاوه بر بخار آب، فراورده‌هایی چون گاز سمی کربن مونوکسید \((CO))\ و در حالت شدیدتر ذرات جامد کربن (دوده یا C) نیز تولید می‌شود و شعله به رنگ زرد و دودکننده درمی‌آید.

• نمونه‌هایی از واکنش‌های سوختن ناقص متان:

\(2CH_{4}+3O_{2} \to  2CO+4H_{2}O\)
\(CH_{4}+O_{2} \to  \text{دوده}+2H_{2}O\)
4. جدول جمعبندی تغییرات خواص با افزایش طول زنجیره کربنی