التركيب والخصائص العامة
تتكون الألكانات من سلسلة من ذرات الكربون مرتبطة ببعضها البعض بروابط تساهمية أحادية، مع وجود ذرات الهيدروجين المرتبطة بذرات الكربون المتبقية. الصيغة العامة للألكانات هي CnH2n+2، حيث n هو عدد ذرات الكربون في الجزيء. على سبيل المثال، الميثان (CH4) هو أبسط ألكان، يليه الإيثان (C2H6)، والبروبان (C3H8)، وهكذا.
تتميز الألكانات بعدة خصائص عامة، منها:
- الخمول الكيميائي: الألكانات غير نشطة كيميائيًا نسبيًا بسبب قوة الروابط التساهمية بين ذرات الكربون والهيدروجين واستقرارها.
- اللاقطبية: تعتبر الألكانات مركبات غير قطبية لأن الفرق في السالبية الكهربية بين الكربون والهيدروجين صغير جدًا.
- قابلية الاشتعال: الألكانات قابلة للاشتعال، حيث تتفاعل مع الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء، وتطلق كمية كبيرة من الطاقة.
- درجات الغليان والانصهار: تزداد درجات الغليان والانصهار للألكانات مع زيادة عدد ذرات الكربون في الجزيء بسبب زيادة قوى فان دير فالس بين الجزيئات.
- الحالة الفيزيائية: الألكانات الصغيرة (من C1 إلى C4) تكون غازات في درجة حرارة الغرفة، بينما تكون الألكانات المتوسطة (من C5 إلى C16) سوائل، وتكون الألكانات الأكبر مواد صلبة.
تسمية الألكانات
تتبع تسمية الألكانات نظامًا محددًا يعتمد على عدد ذرات الكربون في السلسلة الرئيسية. يتم تحديد اسم الألكان بإضافة اللاحقة “-ان” إلى الجذر اللاتيني أو اليوناني الذي يمثل عدد ذرات الكربون:
- ميث-: ذرة كربون واحدة (ميثان)
- إيث-: ذرتان من الكربون (إيثان)
- بروب-: ثلاث ذرات من الكربون (بروبان)
- بيوت-: أربع ذرات من الكربون (بيوتان)
- بنت-: خمس ذرات من الكربون (بنتان)
- هكس-: ست ذرات من الكربون (هكسان)
- هبت-: سبع ذرات من الكربون (هبتان)
- أوكت-: ثماني ذرات من الكربون (أوكتان)
- نون-: تسع ذرات من الكربون (نونان)
- ديك-: عشر ذرات من الكربون (ديكان)
لتسمية الألكانات المتفرعة، يتم اتباع الخطوات التالية:
- تحديد أطول سلسلة مستمرة من ذرات الكربون في الجزيء.
- ترقيم ذرات الكربون في السلسلة الرئيسية بحيث تأخذ التفرعات أصغر الأرقام الممكنة.
- تسمية التفرعات (المجموعات الألكيلية) باستخدام الجذر المناسب وإضافة اللاحقة “-يل”. على سبيل المثال، مجموعة الميثيل (CH3-)، مجموعة الإيثيل (C2H5-)، إلخ.
- كتابة اسم الألكان المتفرع بذكر رقم ذرة الكربون التي تحمل التفرع، متبوعًا باسم التفرع، ثم اسم الألكان الرئيسي.
أمثلة:
- 2-ميثيل بروبان (isobutane)
- 2,2-ثنائي ميثيل بروبان (neopentane)
- 3-إيثيل بنتان
أهمية الألكانات واستخداماتها
تتمتع الألكانات بأهمية كبيرة في العديد من المجالات، بما في ذلك:
- الوقود: تُستخدم الألكانات كوقود في محركات الاحتراق الداخلي، مثل البنزين والديزل والغاز الطبيعي.
- المواد الأولية: تُستخدم الألكانات كمواد أولية لإنتاج العديد من المواد الكيميائية الأخرى، مثل البلاستيك والمذيبات والمنظفات.
- الزيوت ومواد التشحيم: تُستخدم الألكانات الثقيلة كمواد تشحيم وزيوت للآلات والمحركات.
- الشمع: تُستخدم الألكانات الصلبة في صناعة الشموع.
استخدامات محددة لبعض الألكانات:
- الميثان: يُستخدم كوقود للتدفئة وتوليد الكهرباء، وكمادة أولية لإنتاج الأمونيا والميثانول.
- الإيثان: يُستخدم كمادة أولية لإنتاج الإيثيلين، وهو مادة أساسية في صناعة البلاستيك.
- البروبان والبيوتان: يُستخدمان كوقود للتدفئة والطهي، وفي أسطوانات الغاز المحمولة.
- البنتان: يُستخدم كمذيب في المختبرات والصناعة، وكمكون في البنزين.
- الأوكتان: هو أحد المكونات الرئيسية للبنزين، ويُستخدم كمقياس لجودة البنزين (رقم الأوكتان).
تفاعلات الألكانات
على الرغم من أن الألكانات تعتبر غير نشطة كيميائيًا نسبيًا، إلا أنها تخضع لبعض التفاعلات الهامة، بما في ذلك:
- الاحتراق: تتفاعل الألكانات مع الأكسجين في عملية الاحتراق لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء، مع إطلاق كمية كبيرة من الطاقة. هذا التفاعل هو الأساس لاستخدام الألكانات كوقود.
- الهلجنة: يمكن للألكانات أن تتفاعل مع الهالوجينات (مثل الكلور والبروم) في وجود الضوء أو الحرارة، حيث تحل ذرة هالوجين محل ذرة هيدروجين في الجزيء. هذا التفاعل يُعرف بالهلجنة الجذرية الحرة.
- التكسير الحراري: عند تسخين الألكانات إلى درجات حرارة عالية، يمكن أن تتكسر الروابط بين ذرات الكربون، مما يؤدي إلى تكوين ألكانات وألكينات أصغر. يستخدم التكسير الحراري في صناعة البتروكيماويات لإنتاج مواد أولية هامة.
- الإصلاح الحفزي: في وجود محفز، يمكن إعادة ترتيب ذرات الكربون في الألكانات لتحسين خصائصها، مثل زيادة رقم الأوكتان في البنزين.
مصادر الألكانات
المصدر الرئيسي للألكانات هو النفط الخام والغاز الطبيعي. يتم فصل الألكانات المختلفة عن النفط الخام عن طريق التقطير التجزيئي، حيث يتم تسخين النفط الخام وتجميع الكسور المختلفة التي تغلي في درجات حرارة مختلفة. يتكون الغاز الطبيعي بشكل أساسي من الميثان، بالإضافة إلى كميات صغيرة من الإيثان والبروبان والبيوتان.
يمكن أيضًا إنتاج الألكانات صناعيًا عن طريق تفاعلات مختلفة، مثل تفاعل فورتز، واختزال الألكينات والألكاينات.
الألكانات الحلقية (Cycloalkanes)
بالإضافة إلى الألكانات ذات السلاسل المستقيمة أو المتفرعة، توجد أيضًا الألكانات الحلقية، وهي مركبات تتكون من حلقة من ذرات الكربون مرتبطة بروابط تساهمية أحادية. الصيغة العامة للألكانات الحلقية هي CnH2n. تختلف الألكانات الحلقية في خواصها عن الألكانات الخطية بسبب وجود الحلقة، مما يقلل من مرونة الجزيء ويزيد من توتر الحلقة في بعض الحالات.
أبسط الألكانات الحلقية هو البروبان الحلقي (cyclopropane)، يليه البيوتان الحلقي (cyclobutane)، والبنتان الحلقي (cyclopentane)، والهكسان الحلقي (cyclohexane).
يُعتبر الهكسان الحلقي مركبًا مهمًا جدًا في الكيمياء العضوية، حيث يتواجد في شكلين رئيسيين: شكل الكرسي (chair conformation) وشكل القارب (boat conformation). شكل الكرسي هو الأكثر استقرارًا بسبب تقليل التوتر الناتج عن التفاعلات بين الذرات.
خاتمة
الألكانات هي مركبات عضوية أساسية تتكون من الكربون والهيدروجين، وتتميز ببساطة تركيبها وخمولها الكيميائي النسبي. تلعب الألكانات دورًا حيويًا في حياتنا اليومية، حيث تُستخدم كوقود ومواد أولية لإنتاج العديد من المواد الكيميائية الأخرى. فهم خواص الألكانات وتفاعلاتها أمر ضروري لفهم الكيمياء العضوية وتطبيقاتها المختلفة.