Τααλκάνια είναι κορεσμένοι αλειφατικοί (δηλαδή μη κυκλικοί) υδρογονάνθρακες καιοιπιο απλές οργανικές ενώσεις. Ο χημικός τύπος των ενώσεων της ομόλογης σειράςτων κορεσμένων υδρογονανθράκων ανάλογα μετον αριθμό τωνατόμωνάνθρακα (n) που περιέχουν δίνεται από τον γενικό τύπο: CnH2n+2.
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.
Τα αλκάνια θεωρούνται κορεσμένες ενώσεις (και μάλιστα πλήρως, με βαθμό ακορεστότητας = 0) μετην έννοια ότι έχουν αρκετά άτομα υδρογόνουγιανα ενωθούν με όλα ελεύθερα ηλεκτρόνια των ατόμων του άνθρακα. Οι ενώσεις αυτές ονομάζονται παραφίνες λόγω των πολύ συνεκτικών και σταθερών δεσμών τους καιτην συνακόλουθη σχετικά μικρή χημική δραστικότητά τους.
Αν από μόριο αλκανίου αφαιρεθεί ένα άτομο υδρογόνου προκύπτει η ρίζα τουαλκυλίουμε γενικό τύπο CnH2(n+1) ή συνοπτικά: R-.
Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες στους οποίους τα άτομα άνθρακα σχηματίζουν δακτύλιο ονομάζονται κυκλοαλκάνια και έχουν γενικό τύπο CnH2n. Πρόκειται για άλλη ομόλογη σειρά με βαθμό ακορεστότητας 1, ισομερή προς τα αλκένια.
Αλκάνια που διατηρούν και εμπειρικές ονομασίες[επεξεργασία]
Όταν αποδίδουμε τη δομή ενός αλκανίου, μπορείτε να δείτε διαφορετικά επίπεδα σχεδίασης, που εξαρτώνται από τις επιθυμητές λεπτομέρειες καιτο διαθέσιμο χώρο και χρόνο. Για παράδειγμα, το πεντάνιο, με χημικό τύπο C5H12, μπορεί να αναπαρασταθεί με τους ακόλουθους τρόπους:
Τα πρώτα τέσσερα μέλη της σειράς των αλκανίων ονομάζονται αντίστοιχα μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο και βουτάνιο. Των υπολοίπων, χωρίς διακλαδώσεις στην ανθρακική αλυσίδα, η ονομασία της ρίζας τους λαμβάνεται διεθνώς εκτων ελληνικών αριθμητικών, (π.χ. πεντά-, εξά-), ανάλογα του αριθμού των ατόμων άνθρακα που περιέχουν καιτην κατάληξη -άνιο. Έτσι, έχουμε για παράδειγμα τις παρακάτω ενώσεις ανάλογα μετο αριθμό ατόμων άνθρακα, n.
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. Γιατο 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.[1].
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.
Τα αλκάνια στα οποία τα άτομα άνθρακα είναι ενωμένα μεταξύ τους έτσι ώστε να δίνουν μία ευθεία αλυσίδα, ονομάζονται κανονικά αλκάνιακαι αυτό συμβολίζεται μετο πρόθεμα n- (ή κ- σε μέρος της ελληνικής βιβλιογραφίας), π.χ. n-βουτάνιο ή κ-βουτάνιο.
Εκτός από τα αλκάνια ευθείας αλυσίδας, υπάρχουν καιαλκάνια διακλαδισμένης αλυσίδας. Σε αυτά τα μόρια, ένα ή περισσότερα από τα υδρογόνα έχουν αντικατασταθεί από αλκύλια και έτσι προκύπτουν ισομερείς ενώσεις των κανονικών αλκανίων. Ο γενικός τους τύπος παραμένει ο ίδιος, αλλά η συντακτική τους δομή παρουσιάζεται πιο συμπαγής λόγω των διακλαδώσεων.
Κάθε αλκάνιο με n>3 (δηλαδή μετά το προπάνιο) έχει ένα ορισμένο αριθμό ισομερών που αυξάνεται γεωμετρικά μετων αριθμό ατόμων άνθρακα που περιέχει:
Αριθμός ατόμων C
Αριθμός ισομερών
1
1
2
1
3
1
4
2
5
3
6
5
7
9
8
17
...
...
12
355
...
...
32
27.711.253.769
...
...
60
22.158.734.535.770.411.074.184
...
...
Επειδή τα ισομερή αυτά έχουν διαφορετικές δομές έχουν και διαφορετικές ιδιότητες όπως φαίνεται π.χ. στον πίνακα μετα ισομερή του πεντανίου:
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 το μεθάνιο καιτο αιθάνιο, 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, πετρέλαιο καιγαιάνθρακες. 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 μετην 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 την 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 γιατην 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[2]:
Ανοικοδόμηση: σύνθεση μεγαλύτερης ανθρακικής αλυσίδας από μικρότερες[επεξεργασία]
Κατά την επίδραση νατρίου (Na) σε αλκυλαλογονίδια (RX) σχηματίζονται «συμμετρικά» αλκάνια[3]:
Αντο αλκύλιο είναι τριτοταγές (δηλαδή το άτομο άνθρακα με ελεύθερο ηλεκτρόνιο είναι ενωμένο με άλλα τρία άτομα άνθρακα) η παραπάνω αντίδραση δεν πραγματοποιείται, λόγω στερεοχημικής παρεμπόδισης.
Ανκαιστην κλασσική αντίδραση που χρησιμοποίησε ο Würtz χρησιμοποίησε νάτριο, αργότερα αποδείχθηκε ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ανάλογη αντίδραση επίσης τα ακόλουθα μέταλλα: Κάλιο (K), μαγνήσιο (Mg) και ψευδάργυρος (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.
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[6]:
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-H έχουν πρακτικά ίσες πιθανότητες παρεμβολής από το εξαιρετικά ασταθές και δραστικό καρβένιο (που λειτουργεί πρακτικά σαν ελεύθερη δίριζα) που παράγεται ενδιάμεσα.
Χωρίς μεταβολή της ανθρακικής αλυσίδας[επεξεργασία]
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 «υδρογόνο εντω γεννάσθαι» (μέταλλο + οξύ). Π.χ.[8]:
Η υδρογόνωση ακόρεστων υδρογονανθράκων οδηγεί σε αλκάνια, των οποίων οι αποδόσεις προσεγγίζουν το 100%, συνήθως παρουσία καταλυτών όπως Pt, PdκαιNi. Π.χ.:
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, το σημείο τήξης των 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 τονερ] καιοι αλκοόλες. Αντίθετα, διαλύονται εύκολα σε άπολους διαλύτες όπως το βενζόλιο καιο τετραχλωράνθρακας. Τέλος, διάφορα αλκάνια μπορούν αναμειχθούν μεταξύ τους σε διάφορες αναλογίες.
Η πυκνότητα των 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 γιατην μελέτη των τελευταίων με φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού.
Στη φασματοσκοπία 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 απορρόφηση στα 720 – 750 cm-1.
Στη φασματοσκοπία 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.
Η φασματοσκοπία 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, 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[19]:
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 το διχρωμικό κάλιο προσβάλουν αρκετά αργά τα αλκάνια. Παρόλα αυτά, αλκάνια με τριτοταγές άτομο άνθρακα (παράδειγμα ισοβουτάνιο) στη συνηθισμένη θερμοκρασία οξειδώνονται σχετικά εύκολα με υπερμαγγανικό 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 παραγωγή 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 παραγωγή 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:
Παρεμβολή καρβενίων στους δεσμούς C-H[επεξεργασία]
Τα καρβένια (π.χ. [:CH2]) είναι ασταθείς καιγι' αυτό εξαιρετικά δραστικές ενώσεις του CIIκαι μπορούν παρεμβληθούν στους δεσμούς C-H, με δραστικότητα δίριζας. Π.χ. έχουμε[20]:
Κατά την κατεργασία αλκανίων με νιτρικό οξύ μπορούν να αντικατασταθούν ένα ή περισσότερα άτομα υδρογόνου από τηννιτρο-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[21]:
Κατά την 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.
Τομεθάνιο (methane) είναι το απλούστερο αλκάνιο, δηλαδή άκυκλος κορεσμένος υδρογονάνθρακας. Έχει χημικό τύπο CH4. Είναι το κύριο συστατικό τουφυσικού αερίου (70-90%). Τομόριότου έχει τη δομή κανονικού τετραέδρου, μετοάτομοάνθρακαστο κέντρο καιτα τέσσερα (4) άτομα τουυδρογόνου στις κορυφές. Οι γωνίες των τεσσάρων δεσμών C-H είναι 109° 28΄ [γιατην ακρίβεια ισούται μετοσυν-1(-1/3)]. Στις κανονικές συνθήκες (25°C, 1 atm) είναι αέριο άχρωμο και άοσμο[22], ελάχιστα διαλυτό στο νερό. Διαλύεται ευκολότερα σε οργανικούς διαλύτες. Η ύπαρξή τουδεν ανιχνεύεται εύκολα, ενώ μετοναέρα σχηματίζει εκρηκτικά μίγματα. Αυτός είναι ο λόγος που συχνά αναφέρονται εκρήξεις σε ανθρακωρυχεία.
Η σχετικά μεγάλη ενεργειακή απόδοση, η σχετικά καθαρή καύση τουκαιη σχετικά χαμηλή του τιμή το κάνουν ένα πολύ ελκυστικό καύσιμο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειαςκαιοικιακής θέρμανσης. Το γεγονός ότι είναι αέριο και μάλιστα μη υγροποιήσιμο μόνο με συμπίεση (όπως ταυγραέριαπροπάνιο (C3H8), βουτάνιο (C4H10), ισοβουτάνιο [(CH3)3CH] καινεοπεντάνιο) [(CH3)4C] το κάνει δύσχρηστο ως καύσιμο οχημάτων. Γιατον ίδιο λόγο καιη μεταφορά του είναι σχετικά δύσκολη. Χρησιμοποιούνται συχνά ειδικοί αγωγοί γιατη μεταφορά του (συνήθως μετη μορφή του φυσικού αερίου) ή ειδικά πλοία (μεταφορικά υγροποιημένου φυσικού αερίου, LNG carriers) πουτο μεταφέρουν σε υγρή μορφή υπό ψύξη κάτω από τηνθερμοκρασία ζέσηςτου (-163 °C), οπότε μπορεί πλέον να υγροποιηθεί το μεθάνιο καιτα βαρύτερα συστατικά του φυσικού αερίου[23].
Το μεθάνιο ανακαλύφθηκε και απομονώθηκε από τονΑλεσάντρο Βόλτα κατά τη χρονική περίοδο 1776-1778, όταν μελετούσε το αέριο που εκλύεται από τη λίμνη Ματζόρε.
Το μεθάνιο είναι ένα σχετικά ισχυρό αέριο θερμοκηπίουμετο σχετικά μεγάλο δυναμικό παγκόσμιας θέρμανσης 72 (υπολογισμένο σε μέσο όρο 20 ετών) ή 25 (υπολογισμένο σε μέσο όρο 100 ετών)[24].
Το μεθάνιο όμως οξειδώνεται αργά στην ατμόσφαιρα της Γης από το ατμοσφαιρικό οξυγόνο (O2), μετη βοήθεια της υγρασίας (H2O) και της υπεριώδους ακτινοβολίας (UV) τουηλιακούφωτός. Το αποτέλεσμα αυτής της οξείδωσης είναι να έχει το μεθάνιο ημιζωή επτά (7) ετών στη γήινη ατμόσφαιρα.
Η μοριακή αναλογία του μεθανίου στην ατμόσφαιρα της Γης το 1750 υπολογίστηκε ότι ήταν 700 ppb. Tο 1998 ανέβηκε στα 1.745 ppb. Το 2008 έφτασε τα 1.800 ppb[27]. Το 2010 μετρήθηκε στην Αρκτική στα 1850 ppb, ένα επίπεδο που αποτελεί το υψηλότερο εδώ και 400.000 χρόνια[28]. Ιστορικά, τα επίπεδα της μοριακής συγκέντρωσης μεθανίου στην ατμόσφαιρα της Γης κυμαίνονταν μεταξύ 300 και 400 ppb, κατά τις εποχές των παγετώνων και μεταξύ 600 και 700 ppb, κατά τις μεσοπαγετώδεις περιόδους.
Επιπλέον, υπάρχουν μεγάλες ποσότητες μεθανυδριτών στους ωκεάνιους πυθμένες. Ο φλοιός της Γης περιέχει τεράστιες ποσότητες μεθανίου που δημιουργήθηκε με αναερόβια μεθανογένεση. Άλλες πηγές μεθανίου περιλαμβάνουν ταηφαίστεια, οι χωματερές καιη κτηνοτροφία από την εντερική ζύμωση κυτταρινούχων τροφών.
Η ονομασία «μεθάνιο» προέρχεται από τηνονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα, το πρόθεμα «μεθ-» δηλώνει την παρουσία ενός (1) ατόμου άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-αν-» δείχνει την παρουσία μόνο απλών δεσμών μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο καιη κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες, δηλαδή ότι είναι υδρογονάνθρακας.
Πιο αναλυτικά:
Το μεθάνιο πήρε το όνομά του από τη ρίζα μεθύλιο καιτην κατάληξη «-ανιο» που χαρακτηρίζει τα αλκάνια (τους κορεσμένους αλειφατικούς υδρογονάνθρακες). Οι ονομασίες των ομάδων μεθυλένιο (−CH2−) και μεθύλιο (CH3−) χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά από τους Γάλλους χημικούς Ζαν-Μπαπτίστ Ντουμάς και Ευτζέν Πελιγκότ, όταν κατά τη δεκαετία 1830-1840 μελετούσαν τη μεθανόλη (CH3OH), κύριο προϊόν «ξηράς απόσταξης» ξύλου. Η μεθανόλη αρχικά αναφερόταν μετο εμπειρικό όνομα «ξυλόπνευμα» (wood alcohol, pyroxylic spirit). Θέλοντας να δώσουν ένα ελληνικής προέλευσης όνομα, όπως ήταν η συνήθεια της εποχής, χρησιμοποίησαν τις λέξεις «μέθη» (από τη φυσιολογική δράση της μεθανόλης) και «ύλη» (κομμάτια ξύλου, π.χ. «υλοτομία») και τελικά ονόμασαν την αλκοόλη «μεθυλική αλκοόλη» (methyl alcohol). Από τότε η κατάληξη «-υλιο» γενικεύτηκε για τις ονομασίες όλων των οργανικών και μερικών ανόργανων ριζών[29].
Είναι αρκετά διαδεδομένο στη φύση, καθώς αποτελεί το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου (περίπου 75%). Απαντάται επίσης σε ανθρακωρυχεία (αέριο ορυχείων) καθώς καισε περιοχές όπως έλη ή πυθμένες λιμνών, όπου γίνεται αποσύνθεση οργανικών υλών και εκλύεται υπό μορφή φυσαλίδων.
Το μεθάνιο που βρήσκεται στη φύση από μη ανθρωπογενείς αιτίες παράγεται κυρίως από μια βιοχημική διεργασία που ονομάζεται «μεθανογένεση». Είναι το συνολικό αποτέλεσμα διεργασιών που χρησιμοποιούνται από μικροοργανισμούς γιατην παραγωγή ενέργειας απουσία οξυγόνου. Η καθαρή αντίδραση αποδίδεται στοιχειομετρικά ως εξης:
Το τελικό βήμα της διεργασίας καταλύεται από το ένζυμο μεθυλοσυνενζυμο Μ αναγωγάση. Η μεθανογενεση είναι μια μορφή αναερόβιου μεταβολισμούπου χρησιμοποιείται τόσο από ελεύθερους όσο και από συμβιωτικούς μικροοργανισμούς που μεταξύ άλλων ζουνσεχωματερές, έντεραθηλαστικώνκαιτερμιτών.
Είναι αβέβαιο αντη χρησιμοποιούν καικαι κάποια φυτά[30][31][32].
Απομόνωση από φυσικές και βιομηχανικές πηγές[επεξεργασία]
Το φυσικό αέριο αποτελεί την κύρια πηγή απομόνωσης μεθανίου. Πρόκειται για μίγμα αερίων που βρίσκεται σε φυσικά κοιτάσματα εγκλεισμένα στο φλοιό της Γης. Συνήθως αποτελείται από μίγμα αερίων υδρογονανθράκων, κυρίως μεθανίου καιαιθανίουκαι υδρογόνου. Μερικές φορές περιέχει επίσης ήλιο, άζωτο και υδρόθειο. Το αέριο αυτό θεωρείται γενικά ότι παράγεται με αναερόβια αποσύνθεση οργανικών υλικών υπό πίεση βαθιά κάτω από τη γήινη επιφάνεια.
Πέρα από τα αποθέματα φυσικού αερίου, μια εναλλακτική πηγή μεθανίου είναι το βιοαέριο. Αυτό παράγεται από την επίσης αναερόβια αποσσύνθεση οργανικών υλικών που προέρχονται από ανθρώπινα λύματα παραχωμένα σε χωματερές, από υπονόμους, βόθρους, ημιτελείς βιολογικούς καθαρισμούς και από βιοδιασπώμενα υπολείμματα ζωοτροφών.
Μια εναλλακτική πηγή βιοαερίου αποτελούν τα βουστάσια, τα χοιροστάσια καιτα εκτροφεία πουλερικών: Τα ζώα αυτά αποβάλλουν αέρια ως παραπροϊόντα της πέψης τους. Ειδικά τα πρώτα θεωρείται ότι παράγουν το 16% της ετήσιας διαφυγής μεθανίου στην ατμόσφαιρα του πλανήτη μας[33]. Αν προσθέσουμε τα χοιροστάσια καιτα εκτροφεία πουλερικών φτάνουμε στο 37%[34][35][36][37]. Το υπόλοιπο προέρχεται από το αντίστοιχο αέριο που παράγουν οι άνθρωποι, το υπόλοιπο ζωικό βασίλειο, οι ορυζώνες (που επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν πηγή βιοαερίου και άρα μεθανίου) και διάφορες γεωλογικής προέλευσης πηγές.
Ακόμη υπάρχουν αποθέματα μεθανυδριτών (methane hydrates/clathrates), ένα είδος «διαλύματος» (δηλαδή ομογενούς μίγματος) αερίου μεθανίου σε κρυστάλλους πάγου στο οποίο μόρια μεθανίου εγκλωβίζονται στο κενό που δημιουργούν τα μόρια του νερού, κατά την πήξη τουσε πάγο, στο εσωτερικό των κρυστάλλων του. Αυτά καταβυθίζονται στον πυθμένα του ωκεανού ψυχρών περιοχών ή σχηματίζονται στο παγωμένο έδαφος τούνδρας. Το μεθάνιο αυτό εγκλωβίστηκε στο μακρυνό παρελθόν, σε εποχές πουηΓη είχε πάθει εκτεταμένη παγογένεσηκαι ταυτόχρονα περιείχε ακόμη μεγάλες συγκεντρώσεις μεθανίου στην ατμόσφαιρά της. Τα αποθέματα αυτά αποτελούν μεγάλη πηγή μεθανίου, γιατο μέλλον, αλλά ταυτόχρονα απειλούν τον πλανήτη με επιπλέον οικολογική καταστροφή στην περίπτωση που λειώσουν και απελευθερώσουν το μεθάνιό τους εξαιτίας της υπερθέρμανσης του πλανήτη από το φαινόμενο του θερμοκηπίου.
Βιομηχανικά το μεθάνιο μπορεί να παραχθεί από ατμοσφαιρικό αέρα (που περιέχει διοξείδιο του άνθρακα) και υδρογόνο μέσω ειδικών χημικών αντιδράσεων όπως οι ακόλουθες:
1. Διεργασία Sabatier:
Ηδιεργασία Sabatier ή αντίδραση Sabatier περιλάμβανε αρχικά τηνκαταλυτικήαναγωγήδιοξειδίου του άνθρακα (CO2) από υδρογόνο (H2), παρουσία [w:[νικέλιο|νικελίου]] (Ni) στο ρόλο του καταλύτη καισε αυξημένη θερμοκρασία. Ανακαλύφθηκε από το γάλλο χημικό Πωλ Σαμπατιέρ. Αργότερα βρέθηκε ότι άλλοι καταλύτες όπως το ρουθήνιο (Ru) ή η αλουμίνα (Al2O3) είναι πιο αποτελεσματικοί γι' αυτήν την αντίδραση. Η αντίδραση περιγράφεται από την ακόλουθη στοιχειομετρική εξίσωση:
Έχει προταθεί να χρησιμοποιηθεί η παραπάνω αντίδραση γιατην αποθήκευση ενέργειαςπου προέρχεται από πλεόνασμα αυτής από σύστημα ανανεώσιμων πηγών, όπως ηαιολική, ηφωτοβολολταϊκή, η υδροηλεκτρική, κ.τ.λ., μετην παραγωγή μεθανίου, δηλαδή συνθετικού φυσικού αερίου[38],[39].
2. Απομονώνεται από το φωταέριο. 3. Απομονώνεται από αέρια μίγματα που προκύπτουν από πυρόλυση προϊόντων διύλισης πετρελαίου ή πολυμερών υδρογονανθράκων.
Όπως καιοι άλλοι υδρογονάνθρακες, το μεθάνιο είναι ένα πολύ ασθενές οξύ. Σε διμεθυλοσουλφοξείδιο εκτιμάται ότι έχει pKa = 56[41] . Δεν μπορεί νααποπρωτονιωθείσε διάλυμα, αλλά είναι γνωστό, για παράδειγμα, το μεθυλολίθιο, που μπορεί να θεωρηθεί ως συζυγής βάση. Επίσης, μπορεί να επιτευχθεί πρωτονίωση του μεθανίου με χρήση σουπεροξέων, οπότε δίνει CH5+, που ονομάζεται «μεθανοϊόν». Παρόλη την ισχύ των δεσμών C-H, που διαθέτει είναι δυνατή η χρήση καταλυτών γιατην ενεργοποίησή τους[42].
Οι υπόλοιπες μέθοδοι αναφέρονται στην ενότητα των γενικών παραγώγων των αλκανίων.
Το μεθάνιο χρησιμοποιήθηκε για βιομηχανικές χημικές διεργασίες και μπορεί να μεταφερθεί υγροποιημένο υπό ψύξη (συνήθως ως υγροποιημένο φυσικό αέριο, LNG). Παρόλο που τυχόν διαφυγές από υγροποιημένο μεθάνιο είναι προσωρινά βαρύτερες από τον αέρα, μετη σταδιακή εξισορρόπηση της θερμοκρασίας, το μεθάνιο γίνεται ελαφρύτερο από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Επίσης, αγωγοί φυσικού αερίου διανέμουν μεγάλες ποσότητες φυσικού αερίου, του οποίου το μεθάνιο είναι το κύριο συστατικό.
Το μεθάνιο, μετη μορφή του φυσικού αερίου, είναι σημαντικό γιατην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με καύση σεαεριοστρόβιλο όσο καισε λέβητα ατμοστροβίλου. Σε σύγκριση με άλλα καύσιμα υδρογονανθράκων, το μεθάνιο παράγει λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα για κάθε μονάδα ενέργειας που αποδίδει. Περίπου 891 kJ/mol είναι η μοριακή θερμότητα τέλειας καύσης του μεθανίου, χαμηλότερη από κάθε άλλο υδρογονάνθρακα. Όμως, έχει μοριακή μάζα ~16 g/mol, από την οποία τα ~12 g/mol είναι ο άνθρακας. Αυτό δείχνει ότι το μεθάνιο αποδίδει 55,7 kJ/g, δηλαδή πολύ περισσότερη από κάθε άλλο υδρογονάνθρακα. Σε πολλές πόλεις παγκοσμίως χρησιμοποιείται φυσικό αέριο (δηλαδή κυρίως μεθάνιο) στα σπίτια για θέρμανση και μαγείρευμα, με μέση ενεργειακή απόδοση ~39 MJ/m3 ή ~1.000 BTU/ft3.
Ακόμη, το μεθάνιο, μετη μορφή συμπιεσμένου φυσικού αερίου, χρησιμοποιήθηκε ως καύσιμο οχημάτων και θεωρήθηκε ως περιβαντολλογικά φιλικότερο από άλλα ορυκτά καύσιμα, όπως η βενζίνη καιτο ντήζελ[43]. Η έρευνα σε μεθόδους προσρόφησηςγιατην αποθήκευση μεθανίου γιατο σκοπό αυτό συνεχίζεται[44].
Ερευνα γίνεται από τη NASA γιατη χρήση μεθανίου ως εν δυνάμει καύσιμο γιαπυραύλους[45].
Το μεθάνιο που εκλύεται από ανθακωρυχεία μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια[46].
Παρόλο που υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον μετατροπής του μεθανίου σεπιο χρήμιες ή τουλάχιστον πιο εύκολα υγροποιήσιμες, η μόνη υπάρχουσα πρακτική διεργασία είναι σχετικά ανεπιθύμητη: Στη χημική βιομηχανία το μεθάνιο με επίδραση υδρατμών μετατρέπεται σε υδραέριο, ένα μίγμα μονοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου. Πρόκειται όμως γιαμια ενεργοβόρα διεργασια που χρησιμοποιεί νικέλιο ως καταλύτη και απαιτεί υψηλές θερμοκραίες, γύρω στους 700–1100 °C:
Ανάλογες χημικές διεργασίες ερευνήθηκαν και αξιοποιήθηκαν στηνσύνθεση αμμωνίας Haber-Bosch, στην οποία το μεθάνιο (προερχόμενο από το φυσικό αέριο) αντιδρά μετο άζωτο καιτο οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα σχηματίζοντας διοξείδιο του άνθρακα, νερό και αμμωνία. Συνολικά, με πρόσθεση κατά μέρη των στοιχειομετρικών εξισώσεων:
Το μεθάνιο μπορεί ακόμη να υποστεί αλογόνωση (συνήθως χλωρίωση) μετο μηχανισμό των ελευθέρων ριζών, γιατην παραγωγή αλομεθανίων (συνήθως χλωρομεθανίου, διχλωρομεθάνιου, τριχλωρομεθανίουκαιτετραχλωράνθρακα, ανκαιγιατην παραγωγή του πρώτου χρησιμοποιείται περισσότερο η μεθανόλη, ως πρώτη ύλη)[47].
Το ίδιο το μεθάνιο δεν είναι τοξικό. Είναι όμως εξαιρετικά εύφλεκτο και μπορεί να προκαλέσει έκρηξη σε μίγματά τουμετον αέρα. Επίσης το μεθάνιο αντιδρά βίαια με οξειδωτικές ουσίες, στις οποίες περιλαμβάνονται τα αλογόνα και μερικές αλογονούχες ενώσεις. Επίσης είναι δυνατό να προκαλέσει ασφυξία, γιατί απλά μπορεί να μειώσει τη συγκέντρωση τουοξυγόνουσε κλειστούς χώρους. Κάτι τέτοιο είναι πιθανό να συμβεί από διαρροή φυσικού αερίου ή φωταερίου αλλά και διείσδυση βιαερίου από κοντινές χωματερές.
Παρατηρήσεις, υποσημειώσεις και αναφορές[επεξεργασία]
↑Δεν χρησιμοποιείται ο κανόνας όταν εννοούνται οι αριθμοί θεσης, δηλαδή όταν υπάρχει μια μοναδική κατανομή των διακλαδώσεων στη συγκεκριμένη κύρια ανθρακική αλυσίδα.
↑Η χαρακτηριστική οσμή του φυσικού αερίου καιτουφωτοαερίουδεν προέρχεται από το μεθάνιο, αλλά από πρόσθετες οσμηρές ουσίες (συνήθως μεθανοθειόλη) που συχνά προστίθενται τεχνητά στο φυσικό αέριο γιανα ανιχνεύεται πιο εύκολα σε ανεπιθύμητες διαρροές.
↑Διαχωρίζεται όμως τουδρογόνο, που είναι επίσης συστατικό του φυσικού αερίου, αλλά έχει κρίσιμη θερμοκρασία -240 °C.
↑Equilibrium acidities in dimethyl sulfoxide solution Frederick G. Bordwell Acc. Chem. Res.; 1988; 21(12) pp 456 – 463; Πρότυπο:DOI
↑Wesley H. Bernskoetter, Cynthia K. Schauer, Karen I. Goldberg and Maurice Brookhart "Characterization of a Rhodium(I) σ-Methane Complex in Solution" Science 2009, Vol. 326, pp. 553–556. Πρότυπο:DOI
↑ (2004). "Design of New Materials for Methane Storage". Langmuir20 (7): 2683–9. DOI:10.1021/la0355500.
↑Lunar Engines, Aviation Week & Space Technology, 171, 2 (13 July 2009), p. 16: "Aerojet has completed assembly of a 5,500-pound-thrust liquid oxygen/liquid methane rocket engine—a propulsion technology under consideration as the way off the Moon for human explorers" One advantage of methane is that it is abundant in many parts of the solar system and it could potentially be harvested in situ (i.e. on the surface of another solar-system body), providing fuel for a return journey.Methane Blast, NASA, May 4, 2007. Current methane engines in development produce a thrust of Πρότυπο:Convert, which is far from the Πρότυπο:Convert needed to launch the Space Shuttle. Instead, such engines will most likely propel voyages from the Moon or send robotic expeditions to other planets in the solar system.Green, V. (September). "Hit the Gas: NASA's methane rocket could make long distance space travel possible, on the cheap"271 (3): 16–17.
4-αιθυλο-8-δευτ. βουτυλο-2,3,5,9-τετραμεθυλοδωδεκάνιο
![{\displaystyle \mathrm {RX+2Li{\xrightarrow[{-10^{o}C,-LiX}]{|Et_{2}O|}}RLi{\xrightarrow[{CuX}]{+R{\acute {}}X}}RR{\acute {}}+LiX} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1957e3db7d3287c32cd3cbac161c2c9f66544661)
![{\displaystyle \mathrm {RH+[:CH_{2}]{\xrightarrow {}}RCH_{3}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d6ad34daa15c1e37b9eea2ad08f890ebe56a3e21)
![{\displaystyle \mathrm {CH_{4}+O_{2}{\xrightarrow[{\triangle }]{Cu}}HCHO+H_{2}O} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ebfb41bb8b818e5bc8374f5f0ad0e5fac101adb8)
![{\displaystyle \mathrm {X_{2}{\xrightarrow[{\triangle }]{UV}}X^{\bullet }} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/66146d1fe627d440f33ce94d51cc15325163dcb3)
![{\displaystyle \mathrm {RH+HNO_{3}{\xrightarrow[{{\acute {\eta }}\;140^{o}C,\;\pi {\acute {\iota }}\epsilon \sigma \eta }]{\alpha {\acute {\epsilon }}\rho \iota \alpha \;\phi {\acute {\alpha }}\sigma \eta }}RNO_{2}+H_{2}O} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1d59c4bbb68a1aa337a7e3f053ba6fbf96f86470)
![{\displaystyle \mathrm {CO_{2}+4H_{2}{\xrightarrow[{Ni\;{\acute {\eta }}\;Ru\;{\acute {\eta }}\;Al_{2}O_{3}}]{\triangle }}CH_{4}+2H_{2}O} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9fed185a3161a1b0f2a466932a456e0ec389529a)
![{\displaystyle \mathrm {CH_{4}+H_{2}O{\xrightarrow[{700-1100^{o}C}]{Ni}}CO+3H_{2}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8f90bbb2a4bfb92ca0b3589f127748e06d9e5b12)
