Στα αλκάνια, κάθε άτομο άνθρακα έχει τέσσερεις (4)ομοιοπολικούςδεσμούς, είτε C-H, είτε C-C, και κάθε άτομο υδρογόνου έχει έναν (1) ομοιοπολικό δεσμό πάντα με ένα (1) άτομο άνθρακα. Μια σειρά από συνδεμένα με δεσμούς άτομα άνθρακα είναι γνωστή ως ανθρακική αλυσίδα ή «ανθρακικός σκελετός». Ο αριθμός των ατόμων του άνθρακα που χρησιμοποιήθηκε γιατην παραγωγή ενός μορίου αλκανίου ονομάζεται «μέγεθος» του αλκανίου.
Ένα αλκύλιο, που γενικά παριστάνεται διεθνώς σύμβολο μετο R[2]και είναι μιαλειτουργική ομάδα ή «διακλάδωση», που όπως τα αλκάνια, αποτελούνται μόνο από άτομα άνθρακα, συνδεμένα μεταξύ τους μόνο με απλούς δεσμούς, και άτομα υδρογόνου, αλλά διαφέρουν από τα αντίστοιχα αλκάνια, έχοντας ένα άτομο υδρογόνου λιγότερο, και άρα έχοντας ελεύθερο ένα δεσμικό ηλεκτρόνιο άνθρακα, που μπορεί να σχηματίσει άμεσα χημικό δεσμό. Παραδείγματα αλκυλίων αποτελούν τομεθύλιοκαιτοαιθύλιο.
Το απλούστερο αλκάνιο είναι τομεθάνιο (CH4) και αποκαλείται μερικές φορές «μητρική ένωση των αλκανίων». δεν υπάρχει κανένα όριο στον αριθμό ατόμων άνθρακα που μπορούν να συνδεθούν μαζί σε ένα μόριο. Ορισμένα έλαιακαικηροί (όσες από τις ενώσεις αυτές είναι αλκάνια) αποτελούν παραδείγματα μεγαλύτερων (και βαρύτερων) αλκανίων, όπου το μέγεθος ανθρακικής αλυσίδας πάνω από 10.
Όλα τα αλκάνια είναι άχρωμακαιάοσμα. Τα αλκάνια δεν είναι και πολύ δραστικά από χημικής άποψης κα έχουν μικρή βιολογική δραστηριότητα. Αλλά, τα αλκάνια μπορεί ναταδει κανείς ως ένα είδους μοριακού δέντρου, από τα οποία μπορούν να «κρεμαστούν», μετά την αφαίρεση ατόμων υδρογόνου, διάφορες χημικά ή και βιολογικά δραστικές λειτουργικές ομάδες, σχηματίζοντας νέα μόρια.
Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες στους οποίους τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν δακτύλιο ονομάζονται κυκλοαλκάνιακαι έχουν γενικό τύπο CnH2n. Πρόκειται για άλλη ομόλογη σειρά με βαθμό ακορεστότητας 1, που έχουν ως ισομερή θέσηςτααλκένια.
«Γραμμικά» ή «κανονικά»: Τα άτομα άνθρακα είναι ενωμένα στη σειρά, σεμια δομή που θυμίζει φίδι.
«Διακλαδισμένα»: Με βάση τον γενικό τύπο των αλκανίων, CnH2n+2, υπάρχουν για n > 3. Σε αυτά η «κύρια», δηλαδή η πολυπλοκότερη ή μεγαλύτερη ανθρακική αλυσίδα διακλαδίζεται τουλάχιστον μία φορά.
Όταν αποδίδουμε τη δομή ενός αλκανίου, μπορείτε να δείτε διαφορετικά επίπεδα σχεδίασης, που εξαρτώνται από τις επιθυμητές λεπτομέρειες καιτον διαθέσιμο χώρο και χρόνο. Για παράδειγμα, το πεντάνιο, με χημικό τύπο C5H12, μπορεί να αναπαρασταθεί με τους ακόλουθους τρόπους:
Τα αλκάνια που έχουν περισσότερα από τρία (3) άτομα άνθρακα μπορούν πλέον να συνδεθούν με διαφορετικούς καιμη ισοδύναμους τρόπους, σχηματίζοντας έτσι ισομερή θέσης. Τα απλούστερα ισομερή είναι πάντοτε τα γραμμικά ή κανονικά αλκάνια, πουδεν έχουν καμμία διακλάδωση. Μερικές φορές το γεγονός ότι πρόκειται γιατο κανονικό ισομερές επισημαίνεται μετο πρόθεμα n- (διεθνώς, από τηναγγλική λέξηnormal) ή κ- (σε ελληνικά συγγράμματα, από τηνελληνική λέξηκανονικός). Ωστόσο η ανθρακική αλυσίδα μπορεί να διακλαδιστεί σε ένα ή περισσότερα σημεία. Ο αριθμός των πιθανών ισομερών αυξάνει γρήγορα μετην αύξηση των ατόμων άνθρακα της ανθρακικής αλυσίδας των αλκανίων. Για παράδειγμα:
Επίσης, τα διακλαδισμένα αλκάνια, μπορεί να είναι χειρόμορφα. Για παράδειγμα, το3-μεθυλεξάνιο είναι χειρόμορφο, γιατί το άτομο άνθρακα #3 της ένωσης είναι ασυμμετρικό. Το γεγονός αυτό προσθέτει σε μερικά από τα ισομερή θέσης και στεροϊσομερή.
Επειδή τα ισομερή αυτά έχουν διαφορετικές δομές, έχουν και διαφορετικές ιδιότητες όπως φαίνεται για παράδειγμα στον παρακάτω πίνακα μετα ισομερή του πεντανίου:
Η κατά IUPACονοματολογίαγιατα αλκάνια βασίζεται στην ταυτοποίηση της υδρανθρακικής τους αλυσίδας. Γιαταμη διακλαδισμένα αλκάνια, οι υδρανθρακικές αλυσίδες ονομάζονται γενικά συστηματικά μετη χρήση ενός ελληνικού αριθμητικού πολλαπλασιαστικού προθέματος, που αναφέρεται στον αριθμό των ατόμων άνθρακα της αλυσίδας, και μιας σταθερής κατάληξης «-άνιο»[4]. Κατ' εξαίρεση, όμως, τα πρώτα τέσσερα μέλη της σειράς των αλκανίων ονομάζονται, αντίστοιχα μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιοκαιβουτάνιο. Τα προθέματα αυτά πρήλθαν από αντίστοιχα από τις ονομασίες των ενώσεων μεθανόλη, αιθέρας, προπιονικό οξύκαιβουτυρικό οξύ. Τα αλκάνια με πάνω από 5 άτομα άνθρακα ονοματίζονται κανονικά μετα ελληνικά αριθμητικά πολλαπλασιαστικά προθέματα («πεντ-», «εξ-», «επτ-», «οκτ-», κ.τ.λ.)[5]καιτη σταθερή κατάληξη «-άνιο». Στηναγγλόφωνη ονοματολογία χρησιμοποιείται το ίδιο σύστημα ονοματολογίας και αριθμητικών προθεμάτων, αλλά με κατάληξη «-ane». Επίσης ειδικά γιατοεννεάνιο, αντί του ελληνικού αριθμητικού πολλαπλασιαστικού «εννέα»-, χρησιμοποιούν το αντίστοιχο λατινικό «non-». Οπότε έχουμε «εννεάνιο» στα ελληνικά και «nonane», στα αγγλικά. Δείτε μερικά παραδείγματα (ελληνικής ονοματολογίας μόνο) αμέσως παρακάτω:
n
n
n
1
μεθάνιο
4
βουτάνιο
19
δεκαεννεάνιο
2
αιθάνιο
5
πεντάνιο
30
τριακοντάνιο
3
προπάνιο
10
δεκάνιο
70
εβδομηκοντάνιο
Οι μονοσθενείς ρίζες, που προκύπτουν από τα αλκάνια με αφαίρεση ενός ατόμου υδρογόνου από ακραίο άτομο άνθρακα, ονομάζονται όπως τα αντίστοιχα αλκάνια με αντικατάσταση της καταλήξεως «-άνιο» από την κατάληξη «-υλο-». Η αρίθμηση της ανθρακικής αλυσίδας αρχίζει από τον άνθρακα μετο ελεύθερο σθένος. Π.χ. μεθύλιο: CH3-, αιθύλιο: CH3CH2-, πεντύλιο: CH3CH2CH2CH2CH2-, κ.τ.λ..
Οι δισθενείς ρίζες, που προκύπτουν από τα αλκάνια με αφαίρεση ατόμων υδρογόνου από δύο ακραία άτομα άνθρακα, ονομάζονται «-υλενο-», προπυλενο-, βουτυλενο-, κ.ο.κ., ανάλογα μετον αριθμό ατόμων άνθρακα. Π.χ. αιθυλενο-: -CH2CH2-, προπυλενο-: -CH2CH2CH2-, κ.τ.λ..
Οι επόμενοι κανόνες κατά IUPAC εφαρμόζονται γιατην απόδοση ονομάτων σε αλκάνια με διακλαδισμένες αλυσίδες:
Προσδιορίζεται η μακρύτερη συνεχόμενη (όχι υποχρεωτικά ευθεία) αλυσίδα ατόμων άνθρακα στο μόριο. Το κύριο όνομα του αλκανίου διακλαδισμένης αλυσίδας είναι το όνομα του αλκανίου ευθύγραμμης αλυσίδας, το οποίο αντιστοιχεί στον αριθμό ατόμων άνθρακα αυτής της μακρύτερης αλυσίδας. Το πλήρες όνομα του αλκανίου περιλαμβάνει καιτο όνομα κάθε διακλαδισμένης αλυσίδας. Τα ονόματα αυτά τοποθετούνται μπροστά από το κύριο όνομα, όπως περιγράφουν οι επόμενοι κανόνες.
Κάθε αλυσίδα που εμφανίζεται ως διακλάδωση της μακρύτερης αλυσίδας παίρνει το όνομα μια αλκυλομάδας, δηλαδή της μονοσθενούς ρίζας του αντίστοιχου αλκανίου η οποία ονοματίζεται όπως περιγράφεται παραπάνω.
Το πλήρες όνομα της διακλάδωσης απαιτεί έναν αριθμό θέσης, ο οποίος εντοπίζει τη διακλάδωση πάνω στη μακρύτερη αλυσίδα. Γιατον σκοπό αυτό, αριθμείται κάθε άτομο άνθρακα της μακρύτερης αλυσίδας προς την κατεύθυνση που δίνει τους μικρότερους αριθμούς εντοπισμού (το μικρότερο άθροισμα αριθμών όταν είναι περισσότερες από μία) όλων των διακλαδώσεων.[6].
Όταν υπάρχουν περισσότερες από μία διακλαδώσεις αλκυλίων του ίδιο είδους, ο αριθμός τους υποδηλώνεται από ένα πρόθεμα, όπως δι-, τρι- ή τετρα-, το οποίο συνοδεύει το όνομα της διακλάδωσης. Η θέση κάθε ομάδας πάνω στη μακρύτερη αλυσίδα δίνεται από αριθμούς. Οι αριθμοί που υποδηλώνουν τη θέση διαχωρίζονται με κόμμα και ακολουθούνται από μία παύλα. Όταν υπάρχουν δύο ή περισσότερες διαφορετικές διακλαδώσεις αλκυλίων, το όνομα κάθε διακλάδωσης, μαζί μετον αριθμό θέσης προηγείται του βασικού ονόματος. Τα ονόματα των αλυσίδων τοποθετούνται είτε με αλφαβητική σειρά είτε με βάση την απλότητα των πλευρικών αλυσίδων.
Οι παραπάνω κανόνες παραβιάζονται μερικές φορές για λόγους απλοποίησης του τελικού ονόματος. Ηπιο συνηθισμένη παραβίαση είναι του 1ου κανόνα, δηλαδή η επιλογή όχι της μακρύτερης αλυσίδας, αλλά της πιο πολύπλοκης (δηλ. αυτή με τους περισσότερες ή πολυπλοκότερες διακλαδώσεις), γιανα αποφευχθεί η ανάγκη αναγραφής μεγάλου αριθμού διακλαδώσεων.
Το άτομο του άνθρακα στη θεμελιώδη του κατάσταση εμφανίζει μία ηλεκτρονική διαμόρφωση με τρία 2p τροχιακά και ένα 2s τροχιακό. Με βάση την ηλεκτρονική θεωρία του σθένους, κατά την οποία το αριθμητικό σθένος εξισώνεται μετον αριθμό των μονήρων ηλεκτρονίων σθένους, το άτομο του άνθρακα θα έπρεπε να εμφανίζεται ως δισθενές και όχι τετρασθενές. Γιανα εξηγήσει λοιπόν την τετρασθένειά τουκαιτην ισοτιμία των τεσσάρων σθενών, ο Αμερικανός χημικός Linus Pauling διατύπωσε τη θεωρία του υβριδισμού των ατομικών τροχιακών.
Σύμφωνα μετη θεωρία αυτή, η εξίσωση του αριθμητικού σθένους μετον αριθμό των μονήρων ηλεκτρονίων εξηγείται μετην παραδοχή ότι ένα ηλεκτρόνιο από την 2s τροχιά ανυψώνεται στην κενή 2pz τροχιά. Τα τέσσερα τροχιακά που δημιουργούνται με αυτόν τον τρόπο υβριδοποιούνται, οπότε δημιουργούνται τέσσερα ισότιμα υβριδοποιημένα τροχιακά που συμβολίζονται ως sp3. Οι δεσμοί που δημιουργούνται είναι ισότιμοι, ονομάζονται σ δεσμοί και έχουν τετραεδρική διάταξη με γωνία μεταξύ των δεσμών 109° 28'.
Τα αλκάνια απαντώνται τόσο στηΓη όσο καιστοηλιακό μας σύστημα, αλλά συνήθως μόνο τα περίπου εκατό πρώτα μέλη της ομόλογης σειράς και κυρίως σε ίχνη. Οι ελαφροί υδρογονάνθρακες, και κυρίως τομεθάνιοκαιτοαιθάνιο, έχουν εντοπιστεί σε ουρές κομητών αλλά καισεμετεωρίτες. Επίσης, αποτελούν ένα σημαντικό ποσοστό της ατμόσφαιρας των αέριων πλανητών Δία, Κρόνου, ΟυρανούκαιΠοσειδώνα. ΣτονΤιτάνα, δορυφόρο του Κρόνου, πιστεύεται ότι κάποτε υπήρχαν μεγάλοι ωκεανοί μικρών ή και μακρύτερων αλκανίων ενώ τώρα πιστεύεται ότι υπάρχουν μικρότερες θάλασσες υγρού αιθανίου.
ΣτηΓηοι κύριες πηγές των υδρογονανθράκων είναι τα ορυκτά καύσιμα (φυσικό αέριο, πετρέλαιοκαιγαιάνθρακες. Το φυσικό αέριο είναι κατά βάση μεθάνιο με μικρότερες ποσότητες άλλων αέριων αλκανίων (αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο), καθώς και ποσότητες διυδρογόνουκαιηλίου. Το πετρέλαιο είναι μείγμα αλκανίων καικυκλοαλκανίωνμε μικρότερες ποσότητες αρωματικών υδρογονανθράκων, αλλά και άλλων (κυρίως θειούχων) οργανικών ενώσεων (δηλαδή και άλλων κατηγοριών υδρογονανθράκων καιμη υδρογονανθράκων). Η δημιουργία των ορυκτών αυτών σχετίζεται μετη δημιουργία ιζηματογενών πετρωμάτων και αποτελεί προϊόν αποδόμησης των ζωικών και φυτικών ιστών οι οποίοι παγιδεύτηκαν μέσα στα πετρώματα στη διάρκεια της δημιουργίας τους. Η διεργασία αυτή έλαβε χώρα στη διάρκεια εκατομμυρίων ετών. Αρχικά μία ποσότητα του οργανικού υλικού υπό την επίδραση αερόβιων μικροοργανισμών μετατράπηκε σε αέριο το οποίο και απελευθερώθηκε, ενώ απομακρύνθηκε το υδατοδιαλυτό μέρος του υλικού. Το υπόλειμμα δεν αποδομήθηκε λόγω έλλειψης οξυγόνου. Υπό την επίδραση αναερόβιων μικροοργανισμών τα μεγάλα οργανικά μόρια διασπάστηκαν δίδοντας συστατικά πλούσια σε άνθρακα και υδρογόνο. Η αυξημένη πίεση από το βάρος των υπερκειμένων στρωμάτων του πετρώματος καιη υψηλή θερμοκρασία ολοκληρώνουν τη μετατροπή της οργανικής ύλης σε πετρέλαιο. Τα αρχαιότερα κοιτάσματα χρονολογούνται στα 600 εκατομμύρια χρόνια καιτα νεότερα σε 1 εκατομμύριο χρόνια.
Βιομηχανικό ενδιαφέρον συνθετικής παρασκευής αλκανίων δεν υπάρχει ακόμη, διότι όλες οι ανάγκες καλύπτονται άμεσα ή έμμεσα από φυσικές πηγές. Η γνώση όμως των μεθόδων συνθετικής παρασκευής αλκανίων παρουσιάζει ενδιαφέρον γιατη Συνθετική Οργανική Χημεία, εφόσον ουσιαστικά πρόκειται για μεθόδους παραγωγής δεσμών C-C ή C-H, τα μόνα είδη δεσμών που περιέχουν τα αλκάνια. Έτσι, οι σπουδαιότεροι τρόποι παραγωγής αλκανίων είναι οι ακόλουθοι[7]:
Ανοικοδόμηση: σύνθεση μεγαλύτερης αλυσίδας από μικρότερες
Αντο αλκύλιο είναι τριτοταγές η παραπάνω αντίδραση δεν πραγματοποιείται, λόγω στερεοχημικής παρεμπόδισης.
Ανκαιστην κλασική αντίδραση που χρησιμοποίησε ο Würtz χρησιμοποίησε νάτριο, αργότερα αποδείχθηκε ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ανάλογη αντίδραση επίσης τα ακόλουθα μέταλλα: Κάλιο (K), μαγνήσιο (Mg) καιψευδάργυρος (Zn).
Αν χρησιμοποιηθούν δυο διαφορετικά αλκυλαλογονίδια παράγονται μίγματα τωνδυο συμμετρικών και ενός μη συμμετρικού:
Η αντίδραση χρησιμοποιείται όταν τα διαφορετικά αλκάνια που παράγονται έχουν σημεία ζέσης με (σχετικά) μεγάλη διαφορά, γιατί τότε είναι σχετικά εύκολος ο διαχωρισμός τους μεκλασματική απόσταξη.
3. Ηλεκτρολυτική μέθοδος Kolbé: Κατά την ηλεκτρόλυση διαλυμάτων αλάτων καρβονικών οξέωνμε αλκάλια σχηματίζονται στην άνοδο «συμμετρικά» αλκάνια. Γιατην αντίδραση Kolbé έχουν προταθεί διάφοροι μηχανισμοί, με επικρατέστερο των μηχανισμό ελεύθερων ριζών[11]:.
Το μειονέκτημα και αυτής της μεθόδου είναι ο σχηματισμός παραπροϊόντων, ακόμη καιαν χρησιμοποιηθεί άλας ενός καρβονικού οξέος, γιατί συμπαράγονται παραπροϊόντα μεταθέσεων.
Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ο σχηματισμός όλων των πιθανών ισομερών, γιατί όλοι οι δεσμοί C-Η έχουν πρακτικά ίσες πιθανότητες παρεμβολής από το εξαιρετικά ασταθές και δραστικό καρβένιο (που λειτουργεί πρακτικά σαν ελεύθερη δίριζα) που παράγεται ενδιάμεσα.
1. Αναγωγή αλκυλαλογονιδίων (RX): Σ' αυτή τη μέθοδο χρησιμοποιούνται διάφορα αναγωγικά μέσα, η εκλογή του οποίου εξαρτάται κυρίως από τη φύση τουαλκυλαλογονιδίου (πρωτοταγές, δευτεροταγές, τριτοταγές, καθώς καιτουαλογόνουτου).
1. Αναγωγή με «υδρογόνοεντω γεννάσθαι» (μέταλλο + οξύ). Π.χ.[13]:
2. Καταλυτική υδρογόνωση ακόρεστων αλειφατικών υδρογονανθράκων, κυκλοπροπανίων ή καικυκλοβουτανίων: Η υδρογόνωση ακόρεστων υδρογονανθράκων οδηγεί σε αλκάνια, των οποίων οι αποδόσεις προσεγγίζουν το 100%, συνήθως παρουσία καταλυτών όπως Pt, PdκαιNi. Π.χ.:
3. Με αναγωγή αλδεΰδης - Αντίδραση Wolf-Kishner[13]:
Τα σημεία τήξης (μπλε) και σημεία ζέσεως (ροζ) των κανονικών αλκανίων μέχρι τα 14 άτομα άνθρακα σε °C
Τα μέλη της ομόλογης σειράς των αλκανίων έχουν φυσικές ιδιότητες οι οποίες μεταβάλλονται κατά μήκος της σειράς με κανονικό τρόπο. Έτσι υπό κανονικές συνθήκες, τα πρώτα μέλη της σειράς από 1 έως 4 άτομα άνθρακα είναι αέρια, τα μέσα μέλη άνω του βουτανίου είναι υγρά καιτα ανώτερα αλκάνια, άνω του δεκαπεντανίου, είναι στερεά. Σε γενικές γραμμές για κάθε μεθυλενική ομάδα που προστίθεται τοσημείο ζέσεως αυξάνεται από 20 έως 30 °C, όπως φαίνεται καιστο διπλανό διάγραμμα. Από την άλλη, τοσημείο τήξηςτων κανονικών αλκανίων, παρόλο που αυξάνεται επίσης μετην αύξηση των ατόμων άνθρακα (μετην εξαίρεση του προπανίου), αυξάνεται εμφανώς πιο αργά ιδιαίτερα στα ανώτερα αλκάνια. Επίσης, το σημείο τήξης των αλκανίων με περιττό αριθμό ατόμων άνθρακα αυξάνεται γρηγορότερα από το σημείο τήξης των αλκανίων με ζυγό αριθμό ατόμων άνθρακα.
Γενικά, τα γραμμικά αλκάνια έχουν υψηλότερο σημείο ζέσεως από τα αντίστοιχα διακλαδισμένα. Αυτό αποδίδεται στις δυνάμεις van der Waals που ασκούνται εντονότερα μεταξύ των μορίων γραμμικών αλκανίων από ότι μεταξύ των μορίων διακλαδισμένων αλκανίων. Στα διακλαδισμένα αλκάνια, τα οποία έχουν περισσότερο σφαιρικό σχήμα από τα γραμμικά και άρα μικρότερη εξωτερική επιφάνεια, η επαφή μεταξύ των μορίων είναι μικρότερη και επομένως μεταξύ των μορίων ασκούνται ασθενέστερες δυνάμεις van der Waals.
Τα αλκάνια θεωρούνται άπολες ενώσεις καιγι' αυτό δεν σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου καιδεν διαλύονται σε πολικούς διαλύτες όπως τονερόκαιοιαλκοόλες. Αντίθετα, διαλύονται εύκολα σε άπολους διαλύτες όπως τοβενζόλιοκαιοτετραχλωράνθρακας. Τέλος, διάφορα αλκάνια μπορούν αναμιχθούν μεταξύ τους σε διάφορες αναλογίες.
Ηπυκνότητατων αλκανίων αυξάνεται μετην αύξηση του αριθμού των ατόμων άνθρακα αλλά παραμένει μικρότερη από αυτή του νερού. Έτσι, σε ένα μείγμα νερού-αλκανίων τα αλκάνια διατηρούνται πάντα στα ανώτερα στρώματα του μίγματος.
Ουσιαστικά όλες οι οργανικές ενώσεις περιέχουν δεσμούς άνθρακα-άνθρακα και άνθρακα-υδρογόνου, και έτσι παρουσιάζουν κάποια από τα χαρακτηριστικά των αλκανίων στο φάσμα τους. Αντίθετα, τα αλκάνια χαρακτηρίζονται από την απουσία άλλων χαρακτηριστικών ομάδων εκτός από τις παραπάνω με αποτέλεσμα την απουσία στο φάσμα των αντίστοιχων χαρακτηριστικών απορροφήσεων. Γι' αυτό τον λόγο τα αλκάνια είναι πολύ καλοί διαλύτες άλλων ουσιών ιδιαίτερα γιατη μελέτη των τελευταίων μεφασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού.
Στηφασματοσκοπία υπερύθρου (IR) η δόνηση τάσεως του δεσμού άνθρακα-υδρογόνου εμφανίζεται ισχυρή μεταξύ 2850 και 2950 cm−1, ενώ η αντίστοιχη του δεσμού άνθρακα-άνθρακα εμφανίζεται μεταξύ 700 και 1300 cm−1. Η δόνηση κάμψεως του δεσμού άνθρακα-υδρογόνου εξαρτάται από το είδος της ομάδας. Έτσι, στις μεθυλο-ομάδες εμφανίζεται στα 1430 – 1470 cm−1καιστα 1370 – 1380 cm−1, ενώ στις μεθυλενο-ομάδες στα 1445 – 1485 cm−1. Τέλος, αλκάνια με περισσότερα από τέσσερα άτομα άνθρακα παρουσιάζουν μία ασθενή απορρόφησηστα 720 – 750 cm−1.
Στηφασματοσκοπία πρωτονιακού πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (H-NMR) των αλκανίων είναι πολύ χαρακτηριστικά. Τα πρωτόνια των μέθυλο-ομάδων συντονίζονται περίπου στα 0,9 ppm, ενώ των μεθυλενο-ομάδων στα 1,25 ppm περίπου. Διάκριση μεταξύ γραμμικού και διακλαδισμένου αλκανίου μπορεί να γίνει με συγκριτική μελέτη της εμβαδομετρήσεως των κορυφών των μεθυλο- και μεθυλενο- ομάδων.
Ηφασματοσκοπία μαζών αποτελεί μια πρώτης τάξεως μέθοδο γιατη μελέτη της δομής είτε καθαρών είτε μιγμάτων αλκανίων. Αλκάνια με ευθεία αλυσίδα δίνουν φάσματα μαζών, χαρακτηριστικό των οποίων είναι η ύπαρξη ομάδων κορυφών που απέχουν κατά 14 μονάδες μάζας (-CH2-). Κάθε ομάδα αποτελείται από τρεις επιμέρους κορυφές που αντιστοιχούν στα CnH2n+1 (περισσότερο έντονη), CnH2nκαι CnH2n-1. Χαρακτηριστικό των διακλαδισμένων αλκανίων είναι το θραύσμα που αντιστοιχεί στο σημείο της διακλαδώσεως και εμφανίζεται με μεγαλύτερη ένταση.
Τα αλκάνια έχουν γενικά μικρή δραστικότητα, διότι οι δεσμοί άνθρακα – άνθρακα και άνθρακα – υδρογόνου είναι σχετικά σταθεροί καιτα μόρια των αλκανίων δεν διαθέτουν άλλες χαρακτηριστικές ομάδες.
Παρόλα αυτά, σήμερα ορισμένες αντιδράσεις των αλκανίων έχουν εξαιρετική σπουδαιότητα τόσο στη διύλιση του πετρελαίου όσο και γενικότερα στην οργανική χημική βιομηχανία και χρησιμοποιούνται περισσότερο από κάθε άλλη αντίδραση, κυρίως εξαιτίας της σχετικά μεγάλης και εύκολης διαθεσιμότητας που έχουν ως πρώτες ύλες, άμεσα ή έμμεσα, λόγω της παγκόσμιας μαζικής χρήσης των ορυκτών κοιτασμάτων υδρογονανθράκων του πλανήτη. Άλλωστε η σχετικά μεγάλη απλότητά τους κάνει εφικτή και σχετικά οικονομική καιτην τεχνητή σύνθεσή τους.
1. Όλα τα αλκάνια πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία, με περίσσεια οξυγόνου οξειδώνονται τόσο γρήγορα προς διοξείδιο του άνθρακα και νερό, ώστε να λέμε ότι καίγονται. Η γενική εξίσωση της πλήρους καύσης των αλκανίων έχει την παρακάτω μορφή[17]:
2. Επίσης, τα αλκάνια σε σύγκριση με πολλές άλλες τάξεις οργανικών ενώσεων, είναι αρκετά ανθεκτικά στην επίδραση συνηθισμένων οξειδωτικών μέσων. Έτσι, στη συνηθισμένη θερμοκρασία, το υπερμαγγανικό ή τοδιχρωμικό κάλιο προσβάλουν αρκετά αργά τα αλκάνια. Παρόλα αυτά, αλκάνια με τριτοταγές άτομο άνθρακα (παράδειγμα ισοβουτάνιο) στη συνηθισμένη θερμοκρασία οξειδώνονται σχετικά εύκολα μευπερμαγγανικό κάλιο. Π.χ.:
3. Επίσης πολλά δίνουν αντιδράσεις καταλυτικής μερικής οξείδωσης. Π.χ.:
Η δραστικότητα τωναλογόνων ακολουθεί την εξής σειρά: φθόριο >> χλώριο > βρώμιο >> ιώδιο. Έτσι, η απευθείας φθορίωση των αλκανίων γίνεται συνήθως βίαια και συχνά με έκρηξη. Γι' αυτό τον λόγο συνήθως εφαρμόζονται ειδικές μέθοδοι γιατην παρασκευή φθοροπαραγώγων. Η αντίδραση με χλώριο είναι σχετικά γρήγορη, με βρώμιο πιο αργή, απαιτεί σημαντική ποσότητα υπεριώδους ακτινοβολίας και είναι πιο εκλεκτική, ενώ με ιώδιο είναι εξαιρετικά βραδεία και ενεργοβόρα, οπότε καιγιατα ιωδοπαράγωγα συνήθως εφαρμόζονται ειδικές μέθοδοι γιατην παρασκευή τους.
Τα άτομα υδρογόνου των αλκανίων μπορούν να αντικατασταθούν από χλώριο ή βρώμιο δια μέσου μια αλυσωτής αντιδράσεως ελευθέρων ριζών, ο μηχανισμός της οποίας μπορεί να συνοψισθεί ως εξής:
1. Έναρξη: Ένα μόριο αλογόνου διασπάται σε δύο ελεύθερες ρίζες μετη βοήθεια υπεριώδους ακτινοβολίας ή θέρμανσης:
2. Διάδοση: Η ελεύθερη ρίζα του αλογόνου αποσπά ένα άτομο υδρογόνου από το αλκάνιο (RH) καιστη συνέχεια η ρίζα αντιδρά με αλογόνο δίνοντας το προϊόν της αλογόνωσης:
3. Τερματισμός: Η αντίδραση ολοκληρώνεται με τους παρακάτω τρεις τρόπους:
Κατά την κατεργασία αλκανίων μενιτρικό οξύ μπορούν να αντικατασταθούν ένα ή περισσότερα άτομα υδρογόνου από τηνιτρο-ομάδα (-ΝΟ2). Η όλη αντίδραση είναι γνωστή ως νίτρωση. Η νίτρωση γίνεται είτε σε αέρια φάση (καταλληλότερη για αλκάνια μικρού μοριακού βάρους), είτε σε υγρή φάση, κατά την οποία αλκάνια μεγάλου μοριακού βάρους θερμαίνονται σε θερμοκρασία 140 °C με πυκνό νιτρικό οξύ υπό πίεση[19]:
Κατά τη νίτρωση αλκανίων παράγονται μίγματα νιτροπαραφινών, ο σχηματισμός των οποίων οφείλεται όχι μόνο σε αντικατάσταση ατόμων υδρογόνου από νιτρο-ομάδες, αλλά καισε αντίδραση της νιτρο-ομάδας με οποιαδήποτε αλκυλο-ομάδα πουθα μπορούσε να δημιουργηθεί από τη σχάση της αλυσίδας του υδρογονάνθρακα.
Η νίτρωση σε αέρια φάση ακολουθεί τον μηχανισμό ελεύθερων ριζών. Σε αυτή την περίπτωση η ευκολία υποκαταστάσεως υδρογόνου από νιτρο-ομάδα ακολουθεί την παρακάτω σειρά εξαιτίας του ενδιάμεσου σχηματισμού σταθερότερων ριζών: .
Μεθάνιο: αέριο κύριο συστατικό του φυσικού αερίου (καύσιμο)
Αιθάνιο: συστατικό του φυσικού αερίου (καύσιμο)
Προπάνιο: συστατικό του υγραερίου (LPG), υγραερίου (καύσιμο)
Βουτάνιο: συστατικό του υγραερίου (LPG), αναπτήρες (καύσιμο)
Πεντάνιο: συστατικό της βενζίνης (καύσιμο)
Εξάνιο: συστατικό της βενζίνης (καύσιμο)
Επτάνιο: συστατικό της βενζίνης.
Οκτάνιο: σημαντικό συστατικό της βενζίνης (καύσιμο).
Εννεάνιο: συστατικό της βενζίνης (καύσιμο).
Δεκάνιο: συστατικό της βενζίνης (καύσιμο).
Δεκαεξάνιο: συστατικό του καυσίμου ντίζελ καιτου πετρελαίου θέρμανσης.
Τα αλκάνια χρησιμοποιούνται επίσης:
-Στην παραγωγή πολυμερών
- Χρησιμεύουν ως ενδιάμεσα στη σύνθεση των φαρμάκων, εντομοκτόνων και άλλων πολύτιμων χημικών ουσιών (π.χ. αιθανόλη, οξικό οξύ, αιθυλενογλυκόλη, χλωριούχο βινύλιο).
-Παραφίνη (κατασκευή κεριών).
-Βαζελίνη
-Άσφαλτο, σε όλα τα πλαστικά, ακρυλικά και πλαστικά χρώματα, στα καλλυντικά, στα απορρυπαντικά, στα γκαζάκια, κινητήρες ως καύσιμο αλλά καισεστα μέρη των μηχανών (π.χ. καρμπιρατέρ).
-Ως διαλύτης μετο όνομα πετρελαϊκός αιθέρας.
-Ως λιπαντικά έλαια καιμετη μορφή των αλάτων σουλφοξέων με νάτριο στη βιομηχανία των απορρυπαντικών.
Το μεθάνιο καθώς και άλλα αλκάνια χαμηλού μοριακού βάρους μπορούν να δημιουργήσουν εκρηκτικά μίγματα μετον αέρα (1-8% CH4) ενώ το μεθάνιο θεωρείται δεύτερο σημαντικότερο αέριο του θερμοκηπίου (μετά τοCO2). Τα ελαφρά υγρά αλκάνια είναι εξαιρετικά εύφλεκτα αλλά αυτός ο κίνδυνος μειώνεται μετην αύξηση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας. Τα πεντάνιο, εξάνιο, επτάνιο και οκτάνιο έχουν επισημανθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση ως επικίνδυνα γιατο περιβάλλονκαιεπιβλαβή.
Coates J., Interpretation of Infrared Spectra, A Practical Approach, Encyclopedia of Analytical Chemistry, R.A. Meyers (Ed.), pp. 10815–10837, John Wiley & Sons Ltd, Chichester (2000).
Διαδικτυακοί τόποι που αναφέρονται στις «Παρατηρήσεις, υποσημειώσεις και αναφορές».
↑Παλαιότερα, πριν την επιβολή της ονοματολογίας της Γενεύης, τα αλκάνια καιοι άλλοι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες ονομάστηκαν παραφίνεςεκτων λατινικών λέξεων "parun" (= ολίγον) και "affinas" (= συγγένεια) και αυτό λόγω της χαρακτηριστικής τους χημικής σταθερότητας και αδράνειας που παρουσιάζουν έναντι των περισσοτέρων αντιδραστηρίων. Συνεχίζεται όμως να υφίσταται σύγχιση σε πολλά χημικά εγχειρίδια, αλλά οι παραφίνες αποτελούν γνήσιο υπερσύνολοτων αλκανίων. Οιπαραφίνες, αποτελούν παλαιότερη κατηγορία, που χρησιμοποιεί κυρίως η Χημική Βιομηχανία, που είναι όμως ευρύτερη, αφού περιλαμβάνει όλους τους κορεσμένους υδρογονάνθρακες. Δηλαδή περιλαμβάνει όχι μόνο τα αλκάνια, αλλά καιτακυκλοαλκάνια, ταδικυκλοαλκάνιακαι κάθε άλλη ομόλογη σειρά υδρογονανθράκων πουδεν περιέχει κανέναν πολλαπλό (διπλό ή τριπλό) δεσμό. Ο γενικός τύπος των αλκανίων δεν ισχύει για όσες παραφίνες έχουν βαθμό ακορεστότητας > 0, δηλαδή για όσες παραφίνες περιέχουν δακτυλίους, καθένας από τους οποίους προσθέτει +1 στον βαθμό ακορεστότητες κάθε ένωσης.
↑Ανκαι πολλές φορές συμβαίνει το σύμβολο αυτό χρησιμοποιείται και ευρύτερα για υδροκαρβύλια ή και ακόμη ευρύτερα για μονοσθενείς οργανικές ή καιμη οργανικές ομάδες.
↑IUPAC, Commission on Nomenclature of Organic Chemistry (1993). "R-2.2.1: Hydrocarbons". A Guide to IUPAC Nomenclature of Organic Compounds (Recommendations 1993). Blackwell Scientific. ISBN 0-632-03488-2. Retrieved 12 February 2007.
↑William Reusch. "Nomenclature - Alkanes". Virtual Textbook of Organic Chemistry.
↑Δεν χρησιμοποιείται ο κανόνας όταν εννοούνται οι αριθμοί θέσης, δηλαδή όταν υπάρχει μια μοναδική κατανομή των διακλαδώσεων στη συγκεκριμένη κύρια ανθρακική αλυσίδα.