ألكان

Chemical structure of methane, the simplest alkane

الألكان في الكيمياء العضوية هوهيدروكربون متشبع مؤلف من سلسلة مفتوحة غير حلقية والتى فيهاقد يكون الجزيء به الحد الأقصي من ذرات الهيدروجين وبالتالي لاقد يكون بها روابط ثنائية.

الألكانات تعهد أيض بإسم برافينات, أوإجمالا "سلسلة البرافينات" وهذه المصطلحات يمكن حتى تستخدم أيضا للألكينات والتى تكون ذرات الكربون بها سلسلة أحادية, غير متفرعة, وعند وجود تفرعات في سلسة الألكانات تسمي "أيزوبرافينات" وتنتمى الألكانات للمركبات الأليفاتية.

المعادلة العامة لهجريب الألكانات C_nH_2n+2, وأبسط ألكان على هذاقد يكون الميثان, CH₄, ويليه الإيثان, C₂H₆, إلى غير ذلك. وكل ذرة كربون في الألكانات لها تهجين sp³.

التزامر (الأيزوميرزم) " Isomerism"

يمكن للجزيئات التى تحتوى على أكثر من ثلاثة ذرات كربون حتى تترتب بعدة طرق, مكونة أيزومرات عديدة. الألكانات "العادية" لها هجريب خطي, غير متفرع. ويزيد عدد المتماكبات بشدة بزيادة عدد ذرات الكربون, فعدد الأيزومرات للألكانات التى لها من 1 إلى 12 ذرة كربون تكون كالتالي: 1, 1. 1, 2, 3, 5, 9, 18, 35, 75, 159, 355 بالترتيب.

تسمية الألكانات

Ball-and-stick model of isopentane (common name) or 2-methylbutane (IUPAC systematic name)

Comparison of nomenclatures for three isomers of C₅H₁₂
Common name	n-pentane	isopentane	neopentane
IUPAC name	pentane	2-methylbutane	2,2-dimethylpropane
Structure

نظام IUPAC

ينتهى اسم الألكان باللاحقة "ان". الحلقات المستقيمة للألكانات والتى بهاثمانية أوأقل من ذرات الكربون يتم تسميتها طبقا للجدول التالي, والذى يحتوى أيضا على اسم الألكيل المتكون بنزع ذرة الهيدروجين الطرفية. (لمشاهدة قائمة كاملة للألكانات قائمة ألكانات

اسم الألكان	صيغة الألكان	الجذر الألكيلي	صيغة الجذر الألكيلي
ميثان	CH₄	ميثيل	CH₃
ايثان	C₂H₆	ايثيل	C₂H₅
بروبان	C₃H₈	بروبيل	C₃H₇
بوتان	C₄H₁₀	بوتيل	C₄H₉
بنتان	C₅H₁₂	بنتيل	C₅H₁₁
هكسان	C₆H₁₄	هكسيل	C₆H₁₃
هبتان	C₇H₁₆	هبتيل	C₇H₁₅
اوكتان	C₈H₁₈	اوكتيل	C₈H₁₇

ومنعاً لأي التباس، وللدلالة على حتى الألكانات ذات سلسلة غير متشعبة، يُتبع غالباً اسم المركب بحدثة نظامي normal، فالمركب CH₃.CH₂.CH₂.CH₃ مثلاً يدعى البوتان النظامي (أوn ـ بوتان).

تسمى الألكانات ذات السلسلة المتشعبة بأن يسبق اسم أطول سلسلة فيها بأسماء الجذور المتوضعة عليها. ويُدَل على موضع جميع جذر منها برقم كربون السلسلة المتوضع عليه الجذر. وتنتخب جهة ترقيم السلسلة بحيثقد يكون مجموع الأرقام الناتجة أصغر ما يمكن، فالمركب:

يدعى ميتيل-2 ميتيل-3 هكسان، لأن أطول سلسلة فيه هي الحاويةستة ذرات كربون، وتحمل جذري ميتيل على ذرتي الكربون رقم 2 و3، ويمكن حتى يطلق على المركب المذكور أيضاً اسم (دي ميتيل -2 ،3 هكسان). أما المركب

فيدعى (دي ميتيل -3 ، ثلاثة إيتيل -4هكسان)، ولايسمى (دي ميتيل -4 ، 4إيتيل -3 هكسان) لأن مجموع الأرقام في الحالة الثانية أكبر من مجموعها في الحالة الأولى.

الألكانات المتفرعة يتم تسميتها طبقا للآتى:

تحديد أطول سلسلة متصلة لذرات الكربون.
ترقيم الذرات بداية من أحد الأطراف حتى الطرف الأخر, على حتىقد يكون طرف البداية هوالأقرب لمجموعات التفرع في حالة وجودها.
تحديد المجموعات المتصلة بالسلسلة بالترتيب وبداية كتابة اسم الألكان كالتالي:
1. رقم ذرة الكربون المتصلة بمجموعات فرعية, وفى حالة وجود أكثر من تفرع يتم كتابة أرقام التفرع بترتيب الترقيم في السلسلة الرئيسية ( 3,2- وليس 2,3- . 4,1- وليس 1,4- . إلى غير ذلك)
2. في حالة وجود إتصال لنفس المجموعة أكثر من مرة بسلسة الألكان, نستخدم البادئات التالية طبقا لعدد مرات التكرار: " ثنائي", "ثلاثي", "رباعي", إلى غير ذلك.
3. اسم المجموعة أوالمجموعات المتصلة بالسلسلة, بنفس ترتيبها طبق لترقيم السلسلة.
ينتهى الإسم بكتابة اسم أطول سلسلة مستقيمة.

ولتطبيق هذه المراحل, يجب حتى نعهد اسم المجموعات المتصلة بالسلسلة. وهذا يتم بنفس الطريقة السابقة فيما عدا انه يتم ترقيم المجموعة بداية من أول ذرة كربون متصلة بسلسلة الألكان, وفى إتجاه أطول سلسلة بداية من هذه النقطة, وليس طبقا لأطول سلسلة موجودة في المجموعة.

فمثلا المركب (1) في الشكل القادم هوالإحتمال الوحيد لوجود تفرع في البيوتان. وإسمه الرسمي 2-ميثيل بروبان, بينما البنتان يمكن حتىقد يكون له 2 متزامر (isomer), بالإضافة إلى شكل سلسلته المستقيمة.الشكل (2) 2,2- ثنائي ميثيل بروبان, الشكل (3) 2-ميثيل بيوتان.

لمزيد من التفاصيل شاهد تسمية IUPAC

أسماء شائعة

عديد من الأسماء التى لا تتبع قواعد IUPAC تستخدم مثل:

المركب	اسم IUPAC	الإسم الشائع
C₄H₁₀	بيوتان	"ن"-بيوتان
C₅H₁₂	بينتان	"ن"-بينتان
C₆H₁₄	هيكسان	"ن"-هيكسان
(إلى غير ذلك)
C₄H₁₀	2-ميثيل بروبان	أيزوبيوتان i-butane
C₅H₁₂	2-ميثيل بيوتان	أيزوبينتان
C₆H₁₄	2-ميثيل بينتان	أيزوهيكسان
(إلى غير ذلك)
C₅H₁₂	2,2-ثنائي ميثيل بروبان	نيوبينتان

jjjtz4etr zbegtfhzgeijtr

وجوده في الطبيعة

Methane and ethane make up a tiny proportion of Jupiter's atmosphere

Extraction of oil, which contains many different hydrocarbons including alkanes

Methanogenic archaea in the gut of this cow are responsible for some of the methane in Earth's atmosphere.

Early spider orchid (Ophrys sphegodes)

توجد الألكانات بكميات كبيرة على هيئة مكامن من الغاز الطبيعي والنفط؛ فالغاز الطبيعي يشكل الميتان القسم الأكبر منه، أما النفط فيحوي مزيجاً معقداً من الفحوم الهدروجينية، من C₁ إلى C₄₀ تقريباً. ويتعذر عملياً استحصال فحم هدْروجيني نقي من النفط الخام (باستثناء الحدود الستة الأولى) وذلك بسبب تقارب درجة غليان حدّيْن متتاليين.

تحضيره

يمكن تحضير الألكانات بإحدى الطرائق الآتية:

1) ـ هدرجة الفحوم الهدروجينية الإيتيلينية أوالأسيتيلينية بالهدْروجين، بوجود حفّاز catalyst، وذلك بإمرار مزيج غازي من الفحم الهدْروجيني والهدْروجين على مسحوق النيكل المسخّن بدرجة 150 ـ200ْ:

2) ـ تفكيك المركبات العضوية للزنك والمغنزيوم بالماء:

3) ـ إرجاع المركبات العضوية الأُكسيجينية، كالألدهيدات أوالكيتونات، بالهدروجين:

4) ـ تفكيك الحموض العضوية بالحرارة thermolysis بوجود القلويات:

وتعطي هذه الطريقة مراديد رديئة جداً باستثناء الحالة التيقد يكون فيها R ميتيلاً CH3.

5) ـ طريقة فورتز Wurtz وتعد أقدم الطرائق الاصطناعية، وهي ذات أهمية نظرية كبيرة. وقوامها تسخين يود الألكيل RI في أنبوب مختوم بوجود الصوديوم:

الخواص

الخواص الفيزيائية

Melting (blue) and boiling (pink) points of the first 14 n-alkanes in °C.

sp³-hybridization in methane.

الألكانات أجسام غازية أوسائلة أوصلبة، وذلك بحسب عدد ما تحويه من ذرات الكربون. فأفرادها الأربعة الأولى غازية، والتي تليها حتى C17H36 سائلة، والتي تلي هذا الأخيـر صلبة.
الألكانات لا تذوب في الماء ،وتنحل في الغول والإيتر.
كثافة الألكانات أقل من الماء.
تزيد نقطة الإنصهار والغليان للألكانات بصفة عامة بزيادة الوزن الجزيئي وأيضا بزيادة طول سلسلة الكربون الرئيسية.
في الظروف القياسية فإن الألكانات من CH₄ إلى C₄H₁₀ تكون في الحالة الغازية, ومن C₅H₁₂ إلى C₁₇H₃₆ تكون في الحالة السائلة, وبعد C₁₈H₃₈ تكون في الحالة الصلبة.

جدول الألكانات

الألكان	الصيغة	نقطة الغليان [°C]	نقطة الإنصهار [°C]	الكثافة [g·cm³] (عند 20 °C)
Methane	CH₄	-162	-183	gas
Ethane	C₂H₆	-89	-172	gas
Propane	C₃H₈	-42	-188	gas
Butane	C₄H₁₀	0	-138	gas
Pentane	C₅H₁₂	36	-130	0.626(liquid)
Hexane	C₆H₁₄	69	-95	0.659(liquid)
Heptane	C₇H₁₆	98	-91	0.684(liquid)
Octane	C₈H₁₈	126	-57	0.703(liquid)
Nonane	C₉H₂₀	151	-54	0.718(liquid)
Decane	C₁₀H₂₂	174	-30	0.730(liquid)
Undecane	C₁₁H₂₄	196	-26	0.740(liquid)
Dodecane	C₁₂H₂₆	216	-10	0.749(liquid)
Icosane	C₂₀H₄₂	343	37	solid
Triacontane	C₃₀H₆₂	450	66	solid
Tetracontane	C₄₀H₈₂	525	82	solid
Pentacontane	C₅₀H₁₀₂	575	91	solid
Hexacontane	C₆₀H₁₂₂	625	100	solid

الخواص الكيميائية

Ball-and-stick models of the two rotamers of ethane

الألكانات نشاطيتها منخفضة لأن الروابط الاحادية بين C-C, وC-H تكون ثابتة نسبيا, وصعبة التكسير وغير قطبية، لهذا فإن تفاعلاتها مع الأجسام الأخرى تتم بالتبادل لا بالانضمام. ولا تتفاعل الألكانات مع الأحماض, الألكيلات, الفلزات, العوامل المؤكسدة. ومن العجيب حتى النفط (أوكتان) لا يتفاعل مع حمض الكبريتيك المركز, فلز الصوديوم, منجنيز البوتاسيوم. وهذا الخمول هوأصل حدثة "برافينات" (الأصل اللاتيني "بارا"+"أفين", يعنى هنا لا يوجد إنجذاب).

وبما أنها مشبعة وإذا سُخِّنت لدرجة 500ْ ـ 750ْس بوجود مواد حافزة تتحول إلى فحوم هدروجينية إيتيلينية، أوإلى فحوم هدروجينية أسيتيلينية، ويمكن حتى تتحول الألكانات بنزع الهيدروجين بوجود مواد حافزة خاصة وبالحرارة، إلى فحوم هدروجينية حلقية:

تحترق الألكانات بسهولة في حرارة عالية بوجود الأكسجين، وتتحول إلى غاز الفحم (الكربون) وماء. ويترافق ذلك بانتشار كمية كبيرة من الحرارة، وهذا ما يجعل الألكانات مصدراً مهماً من مصادر الطاقة الحرارية(التسخين بالمازوت والغاز):

النظائر

Different C₄-alkanes and -cycloalkanes (left to right): -butane and isobutane are the two C₄H₁₀ isomers; cyclobutane and methylcyclopropane are the two C₄H₈ isomers.
Bicyclo[1.1.0]butane is the only C₄H₆ compound and has no isomer; tetrahedrane (not shown) is the only C₄H₄ compound and has also no isomer.

التفاعلات

التكسير

التكسير هوتكسر الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر. ويمكن حتى يتم هذا إما بالحرارة أوبإستخدام عامل حفاز. يتبع عملية التكسير الحراري آلية تماثل, أى انه, تتكسر الروابط بتماثل وتنتج أزواج من الجذور الحرة (Free Radiacl). ويتضمن التكسير الحفزى تواجد حمض حفاز (غالبا ماقد يكون حمض صلب مثل سيليكا-ألومينا وزيولايت) وهذا يؤدى لتكسير غير متماثل للروابط مما ينتج أزواج من الأيونات بشحنات متضادة, غالبا كاتيون كربوني أوشرجبة كربونية ، وأنيون الهيدريد ( شرسبة الهيدريد الغير ثابت. الشق الحر لذرات الكربون المتمركزة والكاتيونات ثابتهم ضعيف للغاية, وبالتالى يحدث إعادة ترتيب للسلسلة, يحدث إنقسام C-C في الموضع بيتا (تكسر) وينتقل الهيدروجين داخل الجزيئات, وبين الجزيئات أوانتنطق هيدريد. وفى جميع من العمليتين, فإن المتفاعلات الوسيطة (شق, أيونات) تتجدد بإستمرار, أى أنهقد يكون لها نظام تجدد ذاتي. وتنتهى سلسلة التفاعل في أخر الأمر بإتحاد شق أوأيون.

مثال للتكسير في البيوتان CH₃-CH₂-CH₂-CH₃

الإحتمال الأول )48 %) حتى يحدث التكسر عند CH₃-CH₂ bond.

CH₃* / *CH₂-CH₂-CH₃

وبعد عدد معين من المراحل, سيتم الحصول على ألكان وألكين.

CH₄ + CH₂=CH-CH₃

الإحتمال الثانى (38 %) حتى يحدث التكسير عند CH₂-CH₂ bond.

CH₃-CH₂* / *CH₂-CH₃

وبعد عدد معين من المراحل, سيتم الحصول على ألكان وألكين من عدة انواع : CH₃-CH₃ + CH₂=CH₂

الإحتمال الثالث (14 %) تكسر الرابطة C-H

وبعد عدد معين من المراحل, سيتم الحصول على ألكين وغاز هيدروكربوني: CH₂=CH-CH₂-CH₃ + H₂

تفاعلات الهلجنة

R + X₂ → RX + HX

المراحل الآتية تمثل عملية كلورة الميثان. وهوتفاعل تفاعل طارد للحرارة بشدة, وقد يؤدى إلى إنفجار.

1. خطوة البداية: فصل جزيء الكلور لتكوين ذرتين كلور. وكل ذرة كلور لديها 2 إلكترون حر تتصرف كشق حر.

Cl₂ → Cl* / *Cl
يتك إمداد التفاعل بالطاقة عن طريق UV

2. الإنتشار (خطوتين): تسحب ذرة هيدروجين من الميثان ثم يقوم الميثيل بسحب ذرة كلور من Cl₂.

CH₄ + Cl* → CH₃* + HCl

CH₃* + Cl₂ → CH₃Cl + Cl*

وهذا ينتج المركب المطلوب بالإضافة إلى جذر كلور أخر. ويقوم هذا الجذر بخطة إنتشار أخرى ويسبب إستمرار تسلسل التفاعل. وفى حالة وجود زيادة في الكلور, فإنه من الممكن تكون نواتج أخرى مثل CH₂Cl₂.

3. خطوة الإنتهاء: إعادة اتحاد جذرين حرين من الكلور .

Cl* + Cl* → Cl₂, أو
CH₃* + Cl* → CH₃Cl, أو
CH₃* + CH₃* → C₂H₆.

الإحتمال الأخير لخطوة الإنتهاء يؤدى إلى عدم نقاء الخليط الناتج, ومن الواضح في هذا التفاعل أنه نوتجه لها سلسلة كربونية أكبر من المتفاعلات.

أما إذا كانت الألكانات بحالة غاز، وبوجود ضوء شديد، فإن الكلور يتفاعل معها بشدة ويخرِّبها:

وتتفاعل الألكانات مع البروم كتفاعلها مع الكلور، إلاّ حتى تفاعلها مع هذا الأخير أكثر سهولة في حين حتى اليود لا يتفاعل مع الألكانات مطلقاً.

الإحتراق

R + O₂ → CO₂ + H₂O + H₂

الإحتراق تفاعل طارد للحرارة بشدة. وفى حالة عدم كفاية الأكسجين O₂, فسيؤدى هذا لتكون غاز أول أكسيد كربون (CO) السام. المثال الآتى للميثان:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

عند عدم توفر الأكسجين O₂:

2CH₄ + ثلاثة O₂ → 2 CO + أربعة H₂O

وفى حالة حتى الأكسجين O₂ أقل:

CH₄ + O₂ → C + 2 H₂O

إنتاجه

An oil refinery at Martinez, كاليفورنيا.

استخداماته

للألكانات استعمالات صناعية عدة ومهمة، فيستفاد منها للإنارة والتدفئة كما أنها تعد مصدراً من مصادر القوة المحركة، (محركات الاحتراق الداخلي والمحركات النفاثة). وتستعمل أيضاً لإذابة الزيوت والمواد الدسمة ولتشحيم الآلات.