الكانات

Alkanes - Alcanes

الألكانات

عدنان شحادة

طرائق تحضير الألكانات وخواصها الفيزيائية

خواصها الكيميائية

الألكانات alkanes أو الفحوم الهدروجينية المشبعة غير الحلقية acyclic saturated hydrocarbons تعرف أيضاً بالفحوم الهدروجينية البرافينية paraffin hydrocarbons أو ببساطة البرافينات paraffins، وتستعمل التسمية الأخيرة في الصناعة للدلالة على المادة الشمعية المستحصلة من النفط والتي تتألف من خليط من الألكانات العليا، وتعد الألكانات مركبات أليفاتية aliphatic compounds، والتسمية مشتقة من اليونانية أي «دسم fat»، وذلك لأن الدُسم الحيوانية تحتوي سلاسل كربونية طويلة بصورة مشابهة للألكانات.

تتألف الألكانات من الكربون والهدروجين فقط، والروابط بين ذراتها روابط مشتركة covalent bonds بسيطة C-C و C-H. يساوي طول الرابطة C-C في الألكانات 154 بيكومتر، وطول الرابطة  C-H 109بيكومتر، والزاوية بين الروابط  C-C-C 109°و28 ’ في الحالة الغازية وتزيد على ذلك في الحالة الصلبة. وتتميز الألكانات بالصيغة العامة.

تترتب ذرات الكربون في الألكانات في سلاسل خطية straight chains أو في سلاسل متفرعة branched chains. وتُميز ذات السلاسل الخطية بالاسم الألكانات النظامية normal alkanes، وتشكل فيما بينها سلسلة قرينة homologous series (أول حدودها المتان )، ويختلف كل حد فيها عن سابقه والذي يليه بزيادة.

تُعرف الحدود الأربعة الأولى من الألكانات بأسماء ذات جذور تاريخية: المتان والإتان والبروبان والبوتان. وتسمى الألكانات النظامية بإضافة النهاية (اللاحقة) suffix «آن» “ane” إلى العدد اليوناني (وأحياناً اللاتيني) الموافق لعدد ذرات الكربون مسبوقة بكلمة «نظامي» (منnormal ) أو بالحرف «ن»”n” ، مثلاً: ن_ البنتان ، ن_الدوديكان .

تعطي الألكانات بحذف ذرة هدروجين منها جذوراً أحادية التكافؤ تعرف باسم جذور الألكيل باستبدال النهاية «إيل» بالنهاية «آن» في أسمائها، ويرمز لجذور الألكيل عادة بالحرف R من radical، ويُدَلُّ عليها بالحرفين الأول والثاني من أسمائها اللاتينية: فيعطي المتان جذر المتيل ، والإتان جذر الإتيل ، ويعطي البروبان جذرين: جذر نظامي هو البروبيل ، وجذر إيزو البروبيل تعطي الألكانات كذلك جذوراً ثنائية وثلاثية التكافؤ.

تشتق أسماء الألكانات المتفرعة من أسماء الألكانات النظامية الموافقة لأطول سلسلة متصلة من ذرات الكربون وأكثرها تفرعاً (السلسلة الأساسية) parent chain فيها مسبوقة بأسماء الفروع الجانبية مرتبة بحسب التسلسل الهجائي اللاتيني لها، وترقم السلسلة الأساسية بحيث تستخدم أصغر الأرقام الممكنة، مثلاً:

إتيل-2-متيل هبتان ( وليس 3-إتيل-6-متيل هبتان)ء-x5-

تبدي الألكانات نوعين من التماكب isomerism: الأول تماكب بنيوي structural (constitutional) isomerism من نوع التماكب السلسلي chain isomerism، ويظهر بدءاً من الحد الرابع البوتان ، حيث يوافق هذه الصيغةَ مركبٌ خطي السلسلة هو ن_ البوتان ، والثاني هو إيزو البوتان متفرع السلسلة. ويزداد عدد المتماكبات البنيوية بسرعة بازدياد عدد ذرات الكربون، فيوافق الصيغةَ خمسة متماكبات والصيغة خمسةٌ وسبعون متماكباً، في حين يصل عدد المتماكبات الموافقة للصيغة /4111846763/ متماكباً.

أما النوع الثاني من تماكب الألكانات فهو تماكب فراغي stereoisomerism من الشكل الدوراني rotational isomerism (أو الامتثال conformation)، ويظهر بدءاً من الإتان بالدوران شبه الحر حول الروابط البسيطة كربون-كربون فيها.

يعد النفط والغاز الطبيعي والفحم الحجري والزيت الصخري shale oilمن أهم مصادر الألكانات. ويوجد المتان في الغاز الطبيعي وفي غاز المناجم والمستنقعات، وهو المكوِّن الرئيس للغاز الحيوي الناتج من تخمر بعض المخلفات الصلبة، كما تم اكتشافه في جو الأرض وبعض الكواكب الأخرى. وتنتشر الألكانات في المواد الشمعية النباتية، وفي شمع النحل وجدران الخلايا لبعض البكتريا.

طرائق تحضير الألكانات وخواصها الفيزيائية

تحضَّر الألكانات بهدرجة الألكنات والألكينات بغاز الهدروجين المضغوط بوجود مسحوق البلاتين أو البلاديوم أو النيكل حفازاً (وسيطاً) وفق المعادلتين (1 و2):

ويؤدي إرجاع هاليدات الألكيل بالزنك (التوتياء) في الأوساط المائية الحمضية إلى تشكل الألكانات حسب المعادلة (3):

ويمكن تحويل هاليدات الألكيل إلى كواشف غرينيار Grignard أولاً ثم تفاعلها مع الماء أو مع هاليدات الألكيل (المعادلات 4، 5 ،6):

ويؤدي إرجاع الألدهيدات والكيتونات (إرجاع كليمنسن Clemmensen) باستخدام ملغمة الزنك وحمض كلور الماء المركّز إلى تشكل الألكانات (المعادلتان 7، 8):

وتحضر الألكانات كذلك بتفاعل فورتز Wurtz (المعادلتان 9، 10):

كما تحضَّر الألكانات بالتحليل الكهربائي لأملاح الحموض الكربوكسيلية مثل ، فتتجه إيونات المعدن الموجبة نحو المهبط، وتتجه الأيونات السالبة نحو المصعد حيث تفقد شحنتها لتعطي جذوراً حرة، وتفقد هذه الجذور لتوها غاز الكربون مكونة جذوراً ألكيلية أحادية التكافؤ تتحد مباشرة مع بعضها لتعطي فحماً هدروجينياً مشبعاً، ويمكن كتابة التفاعل العام (المعادلة 11):

ويمكن تحضير الألكانات بتفكيك هذه الأملاح حرارياً بوجود قلوي.

الحدود الأربعة الأولى من الألكانات ونيو البنتان غازات في الشروط العادية، ومن (ن - البنتان) حتى الهبتاديكان سوائل، تليها المركبات الصلبة. الألكانات لا لون لها، والحدود الغازية والصلبة منها عديمة الرائحة، أما المركبات السائلة فلها رائحة البنزين.

تتزايد عموماً درجات غليان الألكانات وانصهارها وكثافاتها وقرائن انكسارها بتزايد كتلها الجزيئية.

تغلي الألكانات النظامية في درجات حرارة أعلى من مماكباتها المتفرعة. وتتغير درجات انصهار الألكانات النظامية تغيراً متناوباً، فتنصهر الألكانات النظامية ذوات الأعداد الزوجية من ذرات الكربون في درجات حرارة أعلى نسبياً من درجات انصهار المركبين المجاورين اللذين فيهما أعداد فردية من ذرات الكربون، لتراص سلاسلها في الحالة الصلبة بدرجة أكبر.

كثافة الألكانات أصغر من كثافة الماء عملياً، وهي غير ذوابة فيه ولا تذيبه، وتذوب جيداً في الإتر وفي الفحوم الهدروجينية الأخرى ومشتقاتها الهالوجينية.

خواصها الكيميائية:

أطلق قديماً على الألكانات اسم البرافينات “paraffins” من اليونانية “parum affinis”، أي قليلة الألفة للاعتقاد أنها خاملة كيميائياً، وهي في الواقع خاملة تجاه الكواشف الإيونية، مثل الأسس والحموض اللاعضوية متوسطة القوة والمؤكسدات في الأوساط المائية، في حين تتفاعل بسهولة نسبياً مع بعض الكواشف الأخرى. وتقوم الألكانات بنوعين من التفاعلات: تفاعلات التبادل بفصم الروابط ، وتفاعلات التكسير بفصم الروابط .

تدخل الألكانات في تفاعل الهلجنة، ويقتصر التفاعل مع الفلور على تخريب السلسلة الكربونية مع تشكل حمض فلور الماء والكربون، ولا يتفاعل اليود مطلقاً، ويؤدي التفاعل العنيف مع الكلور والبروم إلى تخريب السلسلة الكربونية، في حين يعطي التفاعل اللطيف معهما منتجات تبادل، وتكون ذرات الهدروجين الثالثية أسهل تبادلاً. فيتفاعل المتان مع الكلور في الطور الغازي بالتسخين أو بتأثير الضوء، معطياً منتجات تبادل مختلفة (المعادلة 12)

لا تتأثر الألكانات بحمض الكبريت المركز بالبارد، لكن التسخين يؤدي إلى أكسدتها. وتتم السلفنة باستخدام حمض الكبريت المدخن (الأوليوم) مع تشكل حموض السلفونيك الموافقة:

ويمكن الحصول على حموض السلفونيك بتفاعلات السلفنة والكلورة chlorosulfonation وتفاعلات السلفنة المؤكسدة oxidative sulfonation.

يمكن نترجة الألكانات بحمض الآزوت في الطور الغازي في الدرجة 400سْ. ويؤدي التفاعل إلى تشكل مزيج معقد من أحاديات نترو البرافينات. فنترجة البروبان - على سبيل المثال - تعطي أربعة نواتج منترجة هي:

تقاوم الألكانات فعل أكسجين الهواء والمؤكسدات القوية بالبارد، في حين تتأكسد منفصمة في درجات الحرارة المرتفعة. وتؤدي أكسدة الألكانات إلى تشكل الحموض الكربوكسيلية على نحو رئيس، وانطلاق كميات كبيرة من ثنائي أكسيد الكربون.

تحترق الألكانات في زيادة من أكسجين الهواء معطية ثنائي أكسيد الكربون والماء، ويصحب التفاعل انتشار كمية كبيرة من الحرارة؛ لذلك تعد من أهم مصادر الطاقة. وتتيح الأكسدة اللطيفة تشكل هدرو فوق الأكاسيد .

تتكسر الألكانات في درجات حرارة منخفضة بحضور المحفِّزات (التكسير الوساطي catalytic cracking )، أو في درجات حرارة مرتفعة (التكسير الحراري thermal cracking) وذلك بفصم الروابط و ، مع تشكل مزائج معقدة من ألكانات أصغر كتلة جزيئية وألكِنات.

وقد يتحلق تشكل حلقات الألكانات في بعض الشروط وينزع هدروجينها (الإصلاح الوساطي catalytic reforming )، وهي عمليات أساسية في صناعة النفط. فينتج من تسخين الهبتان بوجود وسيط مركب التولوين وهو من الفحوم الهدروجينية الحلقية.

تلقى الألكانات استخداماً واسعاً في الصناعة؛ فهي تعدّ جزءاً مهماً من وقود محركات الاحتراق الداخلي والمحركات النفاثة، وتُعد في الصناعة البتروكيميائية أساساً للحصول على المركبات العضوية المختلفة. وتستخدم الألكانات مواد أولية مهمة في عمليات الحصول على المنتجات الوسطية مثل صناعة المواد البلاستيكية والمطاط والألياف الصنعية ومواد التنظيف. وتستخدم المركبات النظامية متوسطة الكتلة الجزيئية ركازات تغذية في الاصطناع المكروبيولوجي للبروتينات من النفط.

مراجع للاستزادة: -  الموسوعة الكيميائية الموجزة، الجزء 4،موسكو 1967. - H. Beyer, Organic Chemistry, Leipzig 1963.        - J. McMurry, Organic Chemistry, Brooks/Cole-Thomson Learning, 2000.        - G. Solomons and C. Fryhle, Organic Chemistry, John Wiley & Sons, Inc., New York 2000.

---

- التصنيف : الكيمياء العضوية - النوع : الكيمياء العضوية - المجلد : المجلد الثالث مشاركة :