الخواص الفيزيائية و الكيميائية للألكانات Physical and Chemical properties of alkanes

الخواص الفيزيائية للألكاناتPhysical properties of alkanes 

1-     درجة الغليان Boiling point

تزداد درجة الغليان تزايد منتظم بزيادة الوزن الجزيئي بغض النظر عن التركيب البنائي للجزئ . 

 

 

عند التساوي في الوزن الجزيئي فأن درجة الغليان تعتمد على التركيب البنائي للجزئ كما يلي :- 

i. تقل درجة الغليان بزيادة التفرع على السلسلة حيث تعمل هذه التفرعات على إبعاد الجزيئات عن  بعضها فتقل بذلك قوى فاندرفال فمثلا تكون درجات غليان متشكلات الصيغة الجزيئية C₅H₁₂ هي :-   

  ii.تزداد درجة الغليان بزيادة تماثل جزئ المركب بسبب انتظام شكل جزيئاته .

 مثال : الصيغة الجزيئية C₆H₁₄

  

 

iii. درجة غليان الألكانات الحلقية أعلى من درجة غليان الألكانات غير الحلقية .

 

iv. تقل درجة غليان الألكانات الحلقية بوجود مجموعات ألكيل مستبدلة . 

 

v. درجة غليان المتشكل الهندسي cis أعلى من درجة غليان المتشكل trans   

مثال : الصيغة الجزيئية ₁₄C₇H 

 

2-    درجة الانصهار

تزداد درجة انصهار الألكانات غير الحلقية ذات السلاسل المستقيمة بزيادة الوزن الجزيئي تزايدا غير منتظما كما يظهر من القيم في الجدول التالي :- 

 

 

نلاحظ من القيم السابقة إن  الألكانات ذات العدد الزوجي من ذرات الكربون وكذلك ذات العدد الفردي لها تزايد منتظم مع زيادة الوزن الجزيئي . 

 

وكذلك الحال بالنسبة للألكانات الحلقية  

 

الألكانات ذات العدد الزوجي من ذرات الكربون تنتظم بتراص أكبر في الحالة البلورية وبالتالي تكون قوى التجاذب أكبر فترتفع درجة الانصهار أما بالنسبة  للألكانات الحلقية فلها درجات انصهار أعلى من الألكانات غير الحلقية المقابلة لها في الوزن الجزيئي وذلك بسبب تناظرها الأعلى الذي يؤدي إلى تراصها بشكل  أكبر في الشبكة البلورية ولدرجة تماسك أطراف الجزئ تأثير على درجة انصهار المركبات العضوية حيث أن الجزيئات ذات التماثل العالي تنتظم بسهولة في الشبكة البلورية وبالتالي تكون ذات درجة انصهار أعلى . 

 

 

3-    الحالة الفيزيائية Physical state    

 الألكانات الأربعة الأولى تكون في الحالة الغازية و الألكانات التي تحتوي على عدد ذرات كربون من C₁₇ - C₅ تكون سوائل والأكثر من ذلك مواد صلبة . 

 

4-   الذوبانية Solubility

 جميع الألكانات الحلقية وغير الحلقية لا تذوب في المذيبات القطبية مثل الماء بسبب ضعف قطبيتها ولكنها تذوب في المذيبات ذات القطبية المنخفضة مثل البنزين ورابع كلوريد الكربون ( الشبيه يذيب الشبيه ) وتمتزج الألكانات السائلة فيما بينها بأي نسبة ولها ميل تجاه الدهون والزيوت بسبب لاحتواء الزيوت والدهون على سلسلة هيدروكربونية طويلة لذا تستخدم الألكانات في التنظيف الجاف وإزالة الدهون . 

 

5-    الكثافة Density 

كثافتها أقل من كثافة الماء فهي أقل المواد العضوية كثافة . 

 

 

الخواص الكيميائية    Chemical properties

الألكانات مركبات خاملة كيميائيا بسبب قوة الروابط C-C و C-H التي لا تتكسر  إلا عند درجات الحرارة العالية ونظرا لتقارب ذرتي  الكربون والهيدروجين في قيم الكهروسالبية يجعل روابط   C-H ذات قطبية منخفضة جدا وبناءا عليه لا تتأثر الألكانات بالقواعد  ،  ولعدم وجود إلكترونات حرة في جزيئاتها فهي لا تتأثر بالأحماض المعدنية المركزة في الظروف العادية وكذلك لا تتأثر بالعوامل المؤكسدة لذلك تستخد م الألكانات كمذيبات في تفاعلات المجموعات الوظيفية الأخرى وتمتاز معظم تفاعلات الألكانات بهجوم متفاعل يحتوي على إلكترونات غير رابطة مثل الأكسجين والكلور على الألكان .

 

1 ـ تفاعل الاحتراق  Combustion reaction

هو تفاعل الألكانات مع الأكسجين ويعتبر من أهم تفاعلاتها نظرا لاستخدامها كوقود حيث أن جميع الألكانات قابلة للاشتعال . 

 

الاحتراق الكامل  يتم في وفرة من  الأكسجين ويعطي غاز ثاني أكسيد الكربون وبخار ماء وتنطلق طاقة تسمى طاقة الاحتراق . 

 

الاحتراق غير الكامل يتم في نقص الأكسجين وينتج أول أكسيد الكربون وبخار ماء وطاقة . 

 

 

ملاحظة  

إذا كان النقص كبيرا في الأكسجين يتم الحصول على الكربون في صورة سناج ( أسود الكربون Carbon black ) وهو نقي جدا ويستخدم في صناعة الحبر والطلاء .

يفضل الحصول على الطاقة من الاحتراق الكامل للألكان لأن كمية الطاقة المنبعثة من الاحتراق غير الكامل تكون أقل بكثير من تلك المنبعثة من الاحتراق الكامل بالإضافة لانبعاث غاز CO  

 

2. تفاعل التكسير

 

3.   تفاعل الهلجنة  Halogenation reaction  

هو عبارة عن استبدال ذرات الهيدروجين في الألكان بذرات هالوجين وتختلف سرعة التفاعل من هالوجين لأخر حيث يتفاعل الفلور بشدة محدثا انفجار بسبب شدة نشاطه لذلك يخلط الألكان والفلور بغاز خامل مثل الهيليوم Helium ليقلل من شدة التفاعل كما يجب أن يتم التفاعل في وعاء خاص مبطن بحبيبات النحاس التي تعمل على امتصاص الحرارة الناتجة من التفاعل . 

  

ويتفاعل كل من الكلور والبروم مع الألكان في درجة حرارة الغرفة تفاعل متسلسل Chain reaction في وجود الأشعة فوق البنفسجية Ultraviolet UV ويعطي خليط من النواتج حيث يتكون في كل خطوة منتج يعمل كمتفاعل في الخطوة التي تليها ويمتاز هذا التفاعل بالاستبدال المتكرر لأن جميع ذرات الهيدروجين في الألكان قادرة على التفاعل . 

 

لا يتفاعل اليود تحت الظروف العادية لذا يستخدم عامل مؤكسد مثل حمض الأ يوديك  Iodic acid HIO₃ الذي يعمل على تحويل يوديد الهيدروجين المتكون إلى يود وبالتالي يدفع التفاعل في اتجاه تكوين يوديد المثيل  

  HIO₃ + HI →I₂ + H₂O

 

   مثال : كلورة الميثان Chlorination of methane

 

 

  

ملاحظة  

يمكن التحكم في النواتج عن طريق التحكم في نسب المتفاعلات فعند استخدام زيادة من الميثان يتم الحصول على نسبة عالية من كلوروميثان وعند استخدام زيادة من الكلور يتم الحصول على رباعي كلوروميثان بنسبة عالية .

 

 

هلجنة الألكانات العليا   Halogenation of higher Alkanes

إن الهلجنة الأحادية للألكانات العليا تؤدي إلى تكوين خليط من النواتج يتوقف عددها على عدد أنواع الهيدروجين بها . 

 

عند كلورة ألكان يحتوي على خليط من هيدروجين أولي وثانوي بحيث تكون جميع ذرات الهيدروجين في كل نوع متكافئة فأن الكلورة تتبع ثبات الجذر الحر . 

عند الكلورة الأحادية للألكانات التي تحتوي على خليط من أنواع مختلفة من الهيدرو جين تتكون نواتج لا تتبع ثبات الجذر الحر و تفسير ذلك هو أن الكلور يتميز تفاعله بالسرعة والشدة حيث يتفاعل على أساس طاقات تفكك الروابط ونظرا لأن الفارق في مقدار هذه الطاقات ليس كبيرا جدا فأن الكلور لا يستطيع التمييز بين أنواع الهيدروجين الثلاثة لذا يكون غير انتقائي Nonselective  على العكس من البروم الذي يكون تفاعله أبطأ وأكثر انتقائية Selectivity  من حيث التمييز بين أنواع الهيدروجين على الرغم من أنه أقل فاعلية من الكلور .

 

الجدول التالي يوضح قيم طاقات التفكك لروابط C-Br  ,  C-Cl

 

 قيم  الفاعلية النسبية عند الكلورة

  Relative reactivity toward chlorination : R₃CH  > R₂CH₂ > RCH₃