Węglowodory nasycone (alkany) i nienasycone (alkeny, alkiny)

Podstawowym składnikiem wszystkich cząsteczek związków organicznych jest szkielet zbudowany z atomów węgla. Atomy węgla są powiązane z atomami wodoru lub grupami zawierającymi atomy innych pierwiastków, np. tlenu, azotu, siarki. Takie grupy noszą nazwę grup funkcyjnych i stanowią zawsze centrum reaktywności cząsteczek i decydują o charakterze związku. W cząsteczkach złożonych wyłącznie z atomów węgla, a także wodoru centra aktywności stanowią podwójne i potrójne wiązania między atomami. Wiązania pojedyncze są zasadniczo niereaktywne. Węglowodorami nazywamy wszystkie związki zbudowane właśnie z węgla i wodoru. Węglowodory dzieli się zwykle na dwie grupy: węglowodory alifatyczne i węglowodory aromatyczne. Wśród węglowodorów alifatycznych rozróżnia się z kolei – w zależności od typu wiązań między atomami węgla węglowodory nasycone (alkany) i nienasycone (alkeny i alkiny). Węglowodory są nierozpuszczalne w wodzie.

Węglowodory nasycone to takie, w których pomiędzy atomami węgla występują tylko wiązania pojedyncze i które tworzą szereg homologiczny o wzorze ogólnym CnH2n+2, gdzie n to liczba atomów węgla w cząsteczce. Wzór ten nie jest prawdziwy jedynie dla takich węglowodorów nasyconych, których łańcuch zamyka się w pierścień. Źródłem wszystkich węglowodorów nasyconych jest gaz ziemny i ropa naftowa. Czyste związki mogą być otrzymywane np. poprzez syntezę chemiczną. Największym naturalnym źródłem węglowodorów nasyconych są pokłady ropy naftowej, w których oprócz homologów płynnych znajdują się związki gazowe i stałe. Węglowodory nasycone otrzymujemy również podczas destylacji rozkładowej drewna, torfu, węgla, łupków bitumicznych.
Do najprostszych węglowodorów nasyconych należy metan, którego cząsteczka ma wzór CH4. Metan jest gazem lżejszym od powietrza, bezwonnym, bezbarwnym i palnym, który z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową. Jednym z produktów spalania metanu jest woda. W wodzie metan rozpuszcza się trudno, natomiast łatwo w węglowodorach. W przyrodzie metan występuje w złożach gazu ziemnego. Jest również głównym składnikiem tzw. gazu błotnego, tworzącego się podczas beztlenowego rozkładu szczątków organicznych na bagnach. Metan jest też składnikiem gazów występujących w pobliżu złóż węgla kamiennego, co dodatkowo zwiększa ryzyko pracy górników. Metan jako gaz lżejszy od powietrza zbiera się pod sklepieniem wyrobisk kopalnianych. Około 15% metanu występującego w powietrzu pochodzi od krów i innych przeżuwaczy. Metan powoduje 38% ogrzania kuli ziemskiej, znanego jako efekt cieplarniany. Węglowodorem o dwóch atomach węgla jest etan (C2H6), a węglowodorami o trzech i czterech atomach węgla są propan (C3H8)i butan (C4H10). Etan występuje w małych ilościach w gazie ziemnym. Jest to gaz bezbarwny i bezwonny. Propan i butan, które wykazują podobne do etanu właściwości mają zastosowanie w życiu codziennym. Mieszaniną tych gazów po ich skropleniu napełnia się butle turystyczne, a samym butanem napełnia się zapalniczki.

Węglowodory nasycone nazywa się alkanami (nazwy wszystkich alkanów mają końcówkę -an). Pierwsze cztery wymienione węglowodory noszą nazwy zwyczajowe. Natomiast nazwy węglowodorów o większej liczbie atomów węgla w cząsteczce wyprowadza się od greckich lub łacińskich liczebników oznaczających właśnie tę liczbę atomów – i tak np. węglowodór o ośmiu atomach węgla nazywa się oktanem. Węglowodory nasycone, mające od jednego do czterech atomów węgla w cząsteczce są w temperaturze pokojowej gazami. Przy czym metan (C1) i etan (C2) są gazami trudno skraplalnymi. Natomiast propan (C3) i butan (C4) mają wyższą temperaturę wrzenia i są znacznie łatwiej skraplalne. Węglowodory nasycone, mające od pięciu do szesnastu atomów węgla w cząsteczce są w temperaturze pokojowej cieczami o coraz wyższej temperaturze wrzenia. Węglowodory o jeszcze większych cząsteczkach są już ciałami stałymi.
Chemiczne właściwości alkanów polegają głównie na odporności na działanie utleniaczy i reduktorów, ale w wysokiej temperaturze spalają się, dając CO2 i H2O. Alkany podlegają charakterystycznej reakcji chemicznej zwanej reakcją podstawienia. Nazwa reakcji podstawienia pochodzi stąd, że jeden z atomów wodoru zostaje podstawiony atomem bromu. Alkany, np. metan naświetlony dłużej światłem słonecznym lub ogrzewany w temperaturze powyżej 473 K, reaguje z chlorem wybuchowo. W świetle rozproszonym reakcja podstawiania atomów wodoru atomami chloru zachodzi znacznie wolniej i stopniowo. W szeregu homologicznym węglowodorów nasyconych zmieniają się stopniowo ich własności fizyczne. W miarę wydłużania się łańcucha wzrasta temperatura wrzenia, temperatura topnienia i ciężar właściwy. Alkany są mniej reaktywne od innych związków chemicznych, reagują tylko z bardzo energicznymi odczynnikami w podwyższonej temperaturze albo pod zwiększonym ciśnieniem. Jedynie chlorowce działają dość energicznie.

Tabela 1, Niektóre właściwości fizyczne węglowodorów nasyconych (alkanów)
Nazwa węglowodoru Wzór sumaryczny Temperatura topnienia oC Temperatura wrzenia oC Gęstość w 20oC
g/cm3
Metan CH4 -182, 5 -161, 6 0, 424*
Etan C2H6 -182, 2 -88, 6 0, 546*
Propan C3H8 -187, 6 -42, 2 0, 585*
Butan C4H10 -138, 3 -0, 5 0, 579*
Pentan C5H12 -129, 7 +36, 1 0, 626
Heksan C6H14 -95, 3 68, 8 0, 659
Heptan C7H16 -90, 6 98, 4 0, 684
Dekan C10H22 -30, 3 173, 0 0, 730
Tetradekan C14H30 +5, 5 252, 5 0, 764
Heksadekan C16H34 18, 1 287 0, 755
Oktadekan C18H38 28, 0 317 0, 777
Eikosan C20H42 36, 5 344 0, 778

Węglowodory, które w cząsteczce zawierają wiązania podwójne lub potrójne to z kolei węglowodory nienasycone. Pod nazwą związków nienasyconych rozumiemy połączenia łańcuchowe, które zawierają podwójne lub potrójne wiązania międzywęglowe – atomy węgla nie osiągają tu granicy maksymalnego wysycenia wodorem Reakcją charakterystyczną dla węglowodorów nasyconych jest reakcja przyłączenia i to nie tylko wodoru, ale szeregu różnych podstawników.
Węglowodory, w których atomy węgla połączone są wiązaniami podwójnymi nazywa się alkenami (dawniej nazywano je olefinami). Mają one ogólny wzór CnH2n. Alkeny (C2–C4) są gazami, cieczami (C5–C10) i ciałami stałymi (>C10). Związki te nie rozpuszczają się w wodzie, palą się kopcącym płomieniem. Alkeny łatwo przyłączają chlorowce, chlorowcowodory, a w obecności katalizatorów przyłączają też wodór, tworząc alkany. Nazwy alkenów tworzy się analogicznie do nazw alkanów, zmieniając jedynie końcówkę -an na końcówkę -en. Alkeny są również palne. Obecność podwójnego wiązania powoduje, że alkeny odznaczają się większą aktywnością chemiczną niż alkany. Mają też inną reakcję charakterystyczną – jest nią reakcja przyłączenia.

Najprostszy węglowodór tego typu to eten, którego dawna nazwa brzmi etylen – ostatnie zmiany w nazewnictwie chemicznym są w tym przypadku rygorystyczne i dlatego najprostszy z alkenów powinien być nazywany wyłącznie etenem. Eten otrzymuje się z gazu ziemnego, z gazu węglowego albo poprzez dehydratację etanolu. Powstaje również podczas metabolizmu roślin i zalicza się go do hormonów roślinnych. Eten (C2H4) jest palnym gazem bezbarwnym, nierozpuszczalnym w wodzie, który z tlenem tworzy mieszaniny wybuchowe. Węglowodór ten jest cennym surowcem dla przemysłu chemicznego. Z etenu otrzymujemy alkohol etylowy, różne rozpuszczalniki organiczne, środki wybuchowe, tworzywa sztuczne, gazy bojowe, kauczuk syntetyczny. Małe ilości etenu w przechowalniach owoców przyspieszają dojrzewanie. W wyniku polimeryzacji etenu otrzymujemy polimery o różnych własnościach fizycznych, np. polietylen wysokociśnieniowy stosowany jest głównie do wyrobu opakowań, folii izolacji elektrycznej, natomiast niskociśnieniowy stosowany jest do celów konstrukcyjnych.

Tabela 2, Własności fizyczne alkenów
Nazwa Temperatura topnienia (oC) Temperatura wrzenia (oC) Gęstość
Etylen -169, 4 -103, 8 0, 566
Propylen -185, 2 -47 0, 609
Buten-1 (α-butylen) – -6, 3 0, 625
Buten-2 (β-butylen) -127 +1, 4 0, 630
Metylopropylen (izobutylen) -104, 7 -6, 9 0, 594
Penten-1 (α-amylen) -138 30, 1 0, 641
Heksen-1 -141 64, 1 0, 673,
Hepten-1 -120 93 0, 697
Okten-1 -102, 1 123 0, 722
Nonen-1 -88 145 0, 731
Decen-1 -66, 3 172 0, 739

Alkeny znajdują się w gazie ziemnym, w gazie świetlnym, w ropie naftowej. Pod względem fizycznym alkeny są podobne do alkanów. Jak już zostało powiedziane, najniższe homologi tego szeregu są gazami, wyższe cieczami, a dalsze człony szeregu są ciałami stałymi. Związki te nie rozpuszczają się w wodzie, natomiast dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych. Odczynnikami na alkeny są nadmanganian potasu i woda bromowa. W obecności wiązań podwójnych zachodzi ich redukcja i zanika charakterystyczna barwa tych związków. Alkeny spalają się jasnym, kopcącym płomieniem. W drodze syntezy można je otrzymać różnymi sposobami:
• przez odwodnienie alkoholi w obecności katalizatora, którym najczęściej jest kwas;
• poprzez odszczepienie chlorowcowodoru z chlorowcoalkilów;
• ze względu na olbrzymie zastosowanie węglowodorów nienasyconych we współczesnym przemyśle chemicznym związki te są otrzymywane w wielkich ilościach w kombinatach petrochemicznych na drodze różnych przemian, np. na drodze pirolizy lub krakingu (rozkładu w wysokiej temperaturze).
Pod względem chemicznym alkeny różnią się od węglowodorów nasyconych przede wszystkim tym, że bardzo łatwo wchodzą w reakcje. Tu ujawnia się ich indywidualność chemiczna, której przyczyną jest obecność w cząsteczce wiązania podwójnego. W miejscu podwójnego wiązania jest zwiększona podatność cząsteczki na działanie czynników chemicznych. Wiązanie to jest mniej trwałe aniżeli wiązanie pojedyncze. Ponadto alkeny ulegają reakcji polimeryzacji. Zjawisko to polega na wytwarzaniu nowego związku, będącego wielokrotnością związku wyjściowego. Własności takie wykazują przede wszystkim węglowodory mające podwójne lub potrójne wiązanie.
W rodzinie węglowodorów istnieją i takie, z których między atomami węgla znajduje się wiązanie potrójne. Są to alkiny (dawniej zwane acetylenami). Wzór ogólny alkinów ma postać CnH2n-2, gdzie n to liczba atomów węgla w cząsteczce. Alkiny są związkami słabo polarnymi i dlatego wykazują podobne właściwości fizyczne jak alkeny. Nazwy systematyczne węglowodorów nienasyconych o potrójnym wiązaniu tworzymy od nazw odpowiednich alkanów, zastępując końcówkę -an końcówką -in po spółgłoskach ch, f, g, l lub -yn po pozostałych spółgłoskach. Stąd ogólna nazwa tych węglowodorów – alkiny, a poszczególnych przedstawicieli tego szeregu: etyn, propyn, butyn, pentyn itd.

Najprostszym przedstawicielem alkinów jest acetylen (C2H2), który jest bezbarwnym gazem palnym, nierozpuszczalnym w wodzie o gęstości nieco mniejszej niż gęstość powietrza. Acetylen spala się świecącym i kopcącym płomieniem. Acetylen spalany w tlenie daje bardzo wysoką temperaturę i dlatego stosowany jest przy spawaniu, cięciu i topieniu stali. Acetylen jest ważnym surowcem w produkcji niektórych tworzyw sztucznych, włókien syntetycznych oraz pewnych półproduktów przemysłu chemicznego. Fabryki acetylenu stanowią bazę dla wielu gałęzi przemysłu chemicznego w zakresie produkcji różnorodnych rozpuszczalników, tworzyw i włókien sztucznych jak również syntetycznego kauczuku. Wysokie ciśnienie w zbiorniku z acetylenem może spowodować zmiany w budowie cząsteczki, w następstwie czego powstaje eksplozja.
Alkiny pod względem cech fizycznych przypominają alkany i alkeny. Niższe są gazami, butyn i wyższe są cieczami, a łańcuchy powyżej szesnastu atomów są ciałami stałymi. Ponieważ wiązania potrójne są bardziej nietrwałe niż podwójne, alkiny wykazują dużą aktywność chemiczną. Własności chemiczne związków alkinowych są zależne przede wszystkim od wiązania potrójnego, które ujawnia wybitne zdolności addycyjne. Inny typ reakcji wynika z kwasowego charakteru tych członów szeregu homologicznego, w których przy węglu związanym potrójnym wiązaniem jest umieszczony wodór. Dlatego atomy wodoru w cząsteczce acetylenu wykazują do pewnego stopnia własności jonowe i mogą być podstawione atomami metali.

Związki chemiczne, których cząsteczki zawierają tylko atomy węgla i wodoru nazywamy węglowodorami. W zależności od liczby atomów węgla tworzących łańcuch w cząsteczce węglowodoru są one gazami (1-4 atomy węgla w łańcuchu), cieczami (5-15 atomów węgla w łańcuchu) lub ciałami stałymi (16 i więcej atomów węgla w cząsteczce). Węglowodory, w których cząsteczkach występuje jedno podwójne wiązanie nazywamy alkenami. Alkany należą do węglowodorów nasyconych. Nazwy węglowodorów nasyconych mają końcówkę –an. Charakterystyczna dla tych węglowodorów jest reakcja polimeryzacji, polegająca na łączeniu się wielu cząsteczek alkenu w jedną cząsteczkę o bardzo długim łańcuchu węglowym. Cząsteczki alkanów są zbudowane z węgla i wodoru. Maja postać łańcuchów prostych lub rozgałęzionych, zawierających wyłącznie wiązania pojedyncze. Ich skład wyraża się ogólnym wzorem CnH2n+2. Alkany wykazują szczególny brak reaktywności wobec innych reagentów, takich jak tlen, woda, kwasy i zasady. W wyjątkowo sprzyjających warunkach alkany podlegają reakcji podstawienia.

Węglowodory, w których cząsteczkach występuje jedno podwójne wiązanie nazywamy alkenami. Właściwości fizyczne alkenów są podobne do właściwości alkanów. W temperaturze pokojowej związki C1 do C4 są gazami, C5 do C18 są cieczami, a wyższe – ciałami stałymi. Alkeny należą do węglowodorów nienasyconych. Z kolei węglowodory, w których cząsteczkach występuje jedno potrójne wiązanie nazywamy alkinami, które należą również do węglowodorów nienasyconych. Alkiny mają zazwyczaj wyższe temperatury wrzenia od odpowiednich alkanów i alkenów. Nazwy węglowodorów nienasyconych pochodzą od nazw macierzystych węglowodorów nasyconych z końcówką odpowiednio –en (węglowodory nienasycone z jednym podwójnym wiązaniem) lub –in, względnie –yn (węglowodory nienasycone z jednym potrójnym wiązaniem). Charakterystyczna cechą alkenów i alkinów jest obecność wiązania wielokrotnego między atomami węgla. Alkeny mają ogólny wzór postać CnH2n, natomiast alkiny są opisywane wzorem CnH2n-2. Podstawowa różnica we właściwościach chemicznych między węglowodanami nasyconymi i nienasyconymi polega na zdolności węglowodorów nienasyconych do reakcji przyłączenie, czyli addycji. Reakcją addycji jest np. bromowanie etanu.

BIBLIOGRAFIA:
1. Barycka I., Skudlarski K., Podstawy chemii. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe 1986.
2. Danikiewicz W., Zmiany w nazewnictwie związków organicznych. Chemia w Szkole 1997 nr 3, s. 153-167.
3. Gałaman T., Chemia ogólna dla studentów medycyny i stomatologii. Warszawa: Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich 1988.
4. Hutchinson, Współczesna encyklopedia świata. Nauka i technika. T. 1-4. Warszawa 1995-1997.
5. Nyrek S., Chemia organiczna. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe 1974.

Dodaj komentarz