Küllastunud süsivesinikud (parafiinid) on küllastunud alifaatsed süsivesinikud, kus süsinikuaatomite vahel on lihtne (üksik) side.
Kõik muud valentsid on täielikult vesinikuaatomitega küllastunud.
Homoloogiline sari
Lõplikud küllastunud süsivesinikud on üldvalemiga SpH2p+2. Tavatingimustes näitavad selle klassi esindajad nõrka reaktsioonivõimet, seetõttu nimetatakse neid "parafiinideks". Küllastunud süsivesinikud algavad metaaniga, mille molekulvalem on CH4.
Struktuuri omadused metaani näitel
See orgaaniline aine on lõhnatu ja värvitu, gaas on õhust peaaegu kaks korda kergem. Looduses tekib see loomsete ja taimsete organismide lagunemise käigus, kuid ainult õhu juurdepääsu puudumisel. Seda leidub söekaevandustes, soistes reservuaarides. Väikestes kogustes on metaan osa maagaasist, mida praegu kasutatakse tootmises kütusena, igapäevaelus.
Sellel alkaanide klassi kuuluval küllastunud süsivesinikul on kovalentne polaarne side. Tetraeedrilist struktuuri selgitab sp3süsinikuaatomi hübridisatsiooni korral on sideme nurk 109°28'.
Parafiinide nomenklatuur
Küllastunud süsivesinikke saab nimetada süstemaatilise nomenklatuuri järgi. On olemas teatud protseduur, mis võimaldab teil võtta arvesse kõiki küllastunud süsivesiniku molekulis esinevaid harusid. Kõigepe alt peate tuvastama pikima süsinikuahela ja seejärel nummerdama süsinikuaatomid. Selleks valige molekulist see osa, milles on maksimaalne hargnemine (suurem arv radikaale). Kui alkaanis on mitu identset radikaali, märgitakse nende nimega täpsustavad eesliited: di-, tri-, tetra. Aktiivsete osakeste asukoha selgitamiseks süsivesiniku molekulis kasutatakse numbreid. Viimane samm parafiinide nimetuses on süsinikuahela enda märkimine, millele on lisatud järelliide -an.
Küllastunud süsivesinikud erinevad oma agregatsiooni oleku poolest. Selle kassa esimesed neli esindajat on gaasilised ühendid (metaanist butaanini). Suhtelise molekulmassi suurenedes toimub üleminek vedelaks ja seejärel tahkeks agregatsiooniks.
Küllastunud ja küllastumata süsivesinikud ei lahustu vees, kuid võivad lahustuda orgaanilise lahusti molekulides.
Isomeeria tunnused
Mis tüüpi isomeeria on küllastunud süsivesinikel? Näited selle klassi esindajate struktuurist, alustades butaanist, näitavadsüsiniku skeleti isomeeria olemasolu.
Kovalentsetest polaarsetest sidemetest moodustatud süsinikuahelal on siksakiline kuju. Sellest tuleneb ruumilise peaahela muutumine ehk struktuursete isomeeride olemasolu. Näiteks butaani molekulis aatomite paigutuse muutmisel moodustub selle isomeer - 2metüülpropaan.
Keemilised omadused
Vaatleme küllastunud süsivesinike põhilisi keemilisi omadusi. Selle süsivesinike klassi esindajatele ei ole liitumisreaktsioonid iseloomulikud, kuna kõik molekulis olevad sidemed on üksikud (küllastunud). Alkaanid astuvad interaktsioonidesse, mis on seotud vesinikuaatomi asendamisega halogeeniga (halogeenimine), nitrorühmaga (nitreerimine). Kui küllastunud süsivesinike valemid on kujul SpH2n + 2, siis pärast asendust moodustub aine koostisega CnH2n + 1CL, samuti CnH2n + 1NO2.
Asendusprotsessil on vabade radikaalide mehhanism. Esiteks tekivad aktiivsed osakesed (radikaalid), seejärel jälgitakse uute orgaaniliste ainete teket. Kõik alkaanid reageerivad perioodilisuse tabeli seitsmenda rühma (peamise alarühma) esindajatega, kuid protsess toimub ainult kõrgendatud temperatuuril või valguskvanti juuresolekul.
Samuti iseloomustab kõiki metaani seeria esindajaid koostoime õhuhapnikuga. Põlemisel toimivad reaktsiooniproduktidena süsihappegaas ja veeaur. Reaktsiooniga kaasneb märkimisväärse koguse soojuse teke.
Kui metaan interakteerub õhuhapnikugaplahvatus on võimalik. Sarnane efekt on tüüpiline ka teistele küllastunud süsivesinike klassi esindajatele. Seetõttu on butaani segu propaani, etaani, metaaniga ohtlik. Näiteks on sellised akumulatsioonid tüüpilised söekaevandustele, tööstuslikele töökodadele. Kui küllastunud süsivesinikku kuumutada üle 1000 °C, siis see laguneb. Kõrgemad temperatuurid toovad kaasa küllastumata süsivesinike moodustumise, aga ka gaasilise vesiniku moodustumise. Dehüdrogeenimisprotsess on tööstusliku tähtsusega, see võimaldab teil saada mitmesuguseid orgaanilisi aineid.
Metaaniseeria süsivesinikele, alustades butaanist, on iseloomulik isomerisatsioon. Selle olemus seisneb süsiniku karkassi muutmises, saades küllastunud hargnenud süsivesinikke.
Rakenduse funktsioonid
Magaasina kasutatakse metaani kütusena. Metaani kloori derivaadid on väga praktilise tähtsusega. Näiteks kloroformi (triklorometaan) ja jodoformi (trijodometaan) kasutatakse meditsiinis ning süsiniktetrakloriid peatab aurustumisprotsessis õhuhapniku juurdepääsu, mistõttu kasutatakse seda tulekahjude kustutamiseks.
Süsivesinike kõrge kütteväärtuse tõttu kasutatakse neid kütusena mitte ainult tööstuslikus tootmises, vaid ka kodumajapidamises.
Propaani ja butaani segu, mida nimetatakse "vedelgaasiks", on eriti oluline piirkondades, kus maagaas pole saadaval.
Huvitavaid fakte
Süsivesinike esindajad, mis on vedelas olekus, on autode sisepõlemismootorite kütus (bensiin). Lisaks on metaan taskukohane tooraine erinevatele keemiatööstustele.
Näiteks metaani lagunemis- ja põlemisreaktsiooni kasutatakse tahma tööstuslikuks tootmiseks, mis on vajalik trükivärvi tootmiseks, aga ka erinevate kummitoodete sünteesiks kummist.
Selleks juhitakse ahju koos metaaniga selline kogus õhku, nii et toimub küllastunud süsivesinike osaline põlemine. Temperatuuri tõustes osa metaanist laguneb, tekitades peent tahma.
Parafiinidest vesiniku moodustumine
Metaan on peamine ammoniaagi sünteesiks kasutatava tööstusliku vesiniku allikas. Dehüdrogeenimiseks segatakse metaan auruga.
Protsess toimub temperatuuril umbes 400 °C, rõhul umbes 2-3 MPa, kasutatakse alumiinium- ja nikkelkatalüsaatoreid. Mõnes sünteesis kasutatakse gaaside segu, mis tekib selles protsessis. Kui järgnevad muundumised hõlmavad puhta vesiniku kasutamist, viiakse läbi süsinikmonooksiidi katalüütiline oksüdeerimine veeauruga.
Kloorimisel saadakse metaani kloori derivaatide segu, millel on laialdane tööstuslik rakendus. Näiteks klorometaan suudab neelata soojust, mistõttu kasutatakse seda tänapäevastes jahutussüsteemides külmutusagensina.
Diklorometaan on hea orgaaniliste ainete lahusti, mida kasutatakse keemilises sünteesis.
Radikaalse halogeenimise käigus moodustunud vesinikkloriid muutub pärast vees lahustumist vesinikkloriidhappeks. Praegu saadakse atsetüleeni ka metaanist, mis on väärtuslik keemiatooraine.
Järeldus
Metaani homoloogsete seeriate esindajad on looduses lai alt levinud, mistõttu on need populaarsed ained paljudes kaasaegse tööstuse harudes. Metaani homoloogidest võib saada hargnenud ahelaga süsivesinikke, mis on vajalikud erinevate orgaaniliste ainete klasside sünteesiks. Alkaanide klassi kõrgeimad esindajad on sünteetiliste pesuvahendite tootmise toorained.
Lisaks parafiinidele pakuvad praktilist huvi ka alkaanid ja tsükloalkaanid, mida nimetatakse tsükloparafiinideks. Nende molekulid sisaldavad ka lihtsaid sidemeid, kuid selle klassi esindajate eripära on tsüklilise struktuuri olemasolu. Nii alkaane kui ka tsükloakaane kasutatakse suurtes kogustes gaaskütustena, kuna protsessidega kaasneb märkimisväärne soojushulk (eksotermiline efekt). Praegu peetakse alkaane ja tsükloalkaane kõige väärtuslikumaks keemiliseks tooraineks, mistõttu nende praktiline kasutamine ei piirdu tüüpiliste põlemisreaktsioonidega.
