Alcano

Estrutura química do metano, o alcano máis simple.

Os alcanos son hidrocarburos, é dicir que teñen só átomos de carbono e hidróxeno. A fórmula xeral para alcanos alifáticos (de cadea lineal) é C_nH_2n+2, e para cicloalcanos é C_nH_2n. Tamén reciben o nome de hidrocarburos saturados.

Características

Os "alcanos" son moléculas orgánicas formadas unicamente por átomos de carbono e hidróxeno, sen funcionalización algunha, é dicir, sen a presenza de grupos funcionais como o grupo carbonilo (-CO), carboxilo (-COOH), amida(-CON=) etc. Isto fai que a súa reactividade sexa moi reducida en comparación con outros compostos orgánicos, e é a causa do seu nome non sistemático: parafinas (do latín, pouca afinidade). A relación C/H é de C_nH_2n+2 sendo n o número de átomos de carbono da molécula (advertir que esta relación só se cumpre en alcanos lineais ou ramificados non cíclicos, pois nestes a relación é C_nH_2n). Todas os enlaces dentro das moléculas de alcano son de tipo simple ou sigma, é dicir, covalentes por compartición dun par de electróns nun orbital s, polo cal a estrutura dun alcano sería da forma:

onde cada liña representa un enlace covalente. O alcano máis sinxelo é o metano cun só átomo de carbono. Outros alcanos coñecidos son o etano, propano e o butano con dous, tres e catro átomos de carbono respectivamente. A partir de cinco carbonos, os nomes derívanse de numerais gregos: pentano, hexano, heptano...

Os alcanos obtéñense maioritariamente do petróleo, xa sexa directamente ou mediante cracking ou pirólise, isto é, rotura térmica de moléculas maiores. Son os produtos base para a obtención doutros compostos orgánicos.

Estes son algúns exemplos de alcanos:

C	Nome	Fórmula	Modelo
1	Metano	CH4
2	Etano	C2H6
3	Propano	C3H8
4	n-Butano	C4H10
5	n-Pentano	C5H12
6	n-Hexano	C6H14
7	n-Heptano	C7H16
8	n-Octano	C8H18
9	n-Nonano	C9H20
10	n-Decano	C10H22
11	n-Undecano	C11H24
12	n-Dodecano	C12H26

Nomenclatura

A nomenclatura IUPAC (forma sistemática de denominar aos compostos) para os alcanos é o punto de partida para todo o sistema de nomenclatura. Baséase en identificar ás cadeas hidrocarbonadas. As cadeas de hidrocarburos saturados lineais son nomeadas sistematicamente cun prefixo numérico grego que denota o número de átomos de carbono, e o sufixo "-ano".

Abundancia

Abundancia dos alcanos no universo

O metano e o etano constitúen unha parte importante na composición da atmosfera de Xúpiter

Os alcanos son unha parte importante da atmosfera dos planetas gasosos exteriores, como Xúpiter (0,1% metano, 0,0002% etano), Saturno (0,2% metano, 0,0005% etano), Urano (1,99% metano, 0,00025% etano) e Neptuno (1,5% metano, 1,5ppm etano). Titán, un satélite de Saturno, foi estudado pola sonda espacial Huygens, o que indicou que a atmosfera de Titán chove metano líquido á superficie da lúa. Tamén se observou en Titán un volcán que lanzaba metano, e crese que este vulcanismo é unha fonte significativa de metano na atmosfera. Tamén parece ser que hai lagos de metano/etano preto ás rexións polares nórdicas de Titán, como o descubriu o sistema de imaxes por radar da sonda Cassini. Tamén se detectou metano e etano na cola do cometa Hyakutake. A análise química mostrou que a abundancia do etano e o metano son aproximadamente iguais, o que se cre que implica que os xeos formados no espazo interestelar, lonxe do sol, poderían haberse evaporado en forma desigual debido á distinta volatilidade destas moléculas. Tamén se detectou alcanos en meteoritos tales como as condritas carbonáceas.

Abundancia dos alcanos na Terra

Na atmosfera hai trazas de gas metano (0,0001%), producido principalmente por organismos como as arqueas, que se atopa, por exemplo, no estómago das vacas.

Extracción de petróleo, que contén moitos hidrocarburos diferentes, incluíndo alcanos

A fonte comercial máis importante para os alcanos é o gas natural e o petróleo. O gas natural contén principalmente metano e etano, pero tamén algo de propano e butano: o petróleo é unha mestura de alcanos líquidos e outros hidrocarburos. Estes hidrocarburos formáronse cando os animais mariños e plantas (zooplancton e fitoplancto) mortos e afundidos no fondo dos mares antigos e cubertos con sedimentos nun medio anóxico e cubertos por varios millóns de anos a alta temperatura e presión até a súa forma actual. O gas natural, por exemplo, pódese obter da reacción seguinte:

C₆H₁₂O₆ → 3CH₄ + 3CO₂

Estes hidrocarburos foron absorbidos en rocas porosas, e localizáronse nunha cápsula impermeable de roca e aí quedaron atrapados. A diferenza do metano, que se reforma en grandes cantidades, os alcanos superiores (alcanos con 9 átomos de carbono ou máis) raras veces prodúcense en cantidades grandes na natureza. Estes depósitos, por exemplo, campos de petróleo, formáronse durante millóns de anos e unha vez exhaustos non poden ser substituídos rapidamente. O esgotamento destes hidrocarburos é a base para o que se coñece como crise enerxética.

Os alcanos sólidos coñécense como alcatrán e fórmanse cando os alcanos máis volátiles, como os gases e o aceite, se evaporan dos depósitos de hidrocarburos. Un dos depósitos máis grandes de alcanos sólidos é no lago de asfalto coñecido como o lago Pitch en Trinidad e Tobago.

O metano tamén está presente no denominado biogás, producido polos animais e materia en descomposición, que é unha posible fonte renovable de enerxía.

Os alcanos teñen solubilidade baixa en auga; con todo, a altas presións e temperaturas baixas (tal como no fondo dos océanos), o metano pode co-cristalizar coa auga para formar un hidrato de metano sólido. Aínda que este non pode ser explotado comercialmente agora, a cantidade de enerxía combustible dos campos de hidrato de metano coñecidos excede ao contido de enerxía de todos os depósitos de gas natural e petróleo xuntos; o metano extraído do clatrato de metano é entón considerado un candidato para combustibles futuros.

Abundancia biolóxica

Aínda que os alcanos están presentes na natureza de distintas formas, non están catalogados bioloxicamente como materiais esenciais. Hai cicloalcanos de tamaño de anel entre 14 e 18 átomos de carbono no musk, extraído de cervos da familia Moschidae. Toda a información adicional refírese aos alcanos acíclicos.

Bacteria e archaea

Os organismos Archaea metanogénica no estómago desta vaca son responsables de algo do metano na atmosfera da Terra.

Certos tipos de bacterias poden metabolizar aos alcanos: prefiren as cadeas de carbono de lonxitude par pois son máis fáciles de degradar que as cadeas de lonxitude impar.

Doutra banda, certas arqueas, os metanóxenos, produce cantidades grandes de metano como produto do metabolismo do dióxido de carbono e outros compostos orgánicos oxidados. A enerxía libérase pola oxidación do hidróxeno:

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂Ou

Os metanóxenos tamén son os produtores do gas dos pantanos en zonas húmidas, e liberan ao redor de dous mil millóns de toneladas de metano por ano - o contido atmosférico deste gas é producido case exclusivamente por eles. A produción de metano do gando e outros herbívoros, que poden liberar até 150  litros por día, e das termitas tamén se debe aos metanóxenos. Tamén producen os alcanos máis simples no intestino dos humanos. Por tanto, as archaea metanoxénicas están no extremo do ciclo do carbono, co carbono sendo liberado na atmosfera despois de ser fixado pola fotosíntese. É posible que os nosos actuais depósitos de gas natural formáronse en forma fimilar.

Fungos e plantas

A auga forma pingas sobre a película delgada de cera de alcanos na casca da mazá.

Os alcanos tamén xogan un rol, aínda que é certo menor, na bioloxía do tres grupos de organismos eucariotas: fungos, plantas e animais. Algúns fermentos especializados, como Candida tropicale, Pichia sp., Rhodotorula sp., poden usar alcanos como unha fonte de carbono ou enerxía. O fungo Amorphotheca resinae prefire os alcanos de cadea longa nas gasolinas de aviación, e pode causar serios problemas para os avións nas rexións tropicais. Nas plantas, atópanse alcanos sólidos de cadea longa; forman unha capa firme de cera, a cutícula, sobre as áreas das plantas expostas ao aire. Esta protexe á planta da perda de auga, á vez que evita o lixiviado (leaching) de minerais importantes pola choiva. Tamén é unha protección contra as bacterias, fungos, e insectos daniños estes últimos afúndense coas súas patas na substancia cerosa suave, e teñen mobilidade dificultada. A capa brillante sobre as froitas, tales como as mazás, consiste de alcanos de cadea longa. As cadeas de carbono teñen xeralmente entre vinte e trinta átomos de carbono de lonxitude, e as plantas prepáranas a partir dos ácidos graxos. A composición exacta da película de cera non só depende da especie, senón que cambia coa estación e factores ambientais como as condicións de iluminación, temperatura ou humidade.

Animais

Os alcanos atópanse en produtos animais, aínda que son menos importantes que os hidrocarburos insaturados. Un exemplo é o aceite de fígado de quenlla, que é aproximadamente 14% pristano (2,6,10,14-tetrametilpentadecano, C₁₉H₄₀). A súa abundancia é máis significativa nas feromonas, materiais que fungen como mensaxeiros químicos, nos cales se fundamenta case toda a comunicación entre insectos. Nalgúns tipos, como o escaravello Xylotrechus colonus, principalmente o pentacosano (C₂₅H₅₂), 3-metilpentaicosano (C₂₆H₅₄) e 9-metilpentaicosano (C₂₆H₅₄), transfírense por contacto corporal. Con outras, como a mosca tsetse Glossina morsitans morsitans, a feromona contén o catro alcanos 2-metilheptadecano (C₁₈H₃₈), 17,21-dimetilheptatriacontano (C₃₉H₈₀), 15,19-dimetilheptatriacontano (C₃₉H₈₀) e 15,19,23-trimetilheptatriacontano (C₄₀H₈₂), e actúa mediante o olfacto en distancias grandes, unha característica moi útil para o control de pragas.

Relacións ecolóxicas

Ophrys sphegodes

Un exemplo, no que tanto os alcanos de plantas e animais xogan un rol, é a relación ecolóxica entre a abella Andrena nigroaenea e a orquídea Ophrys sphegodes; a última depende para a súa polinización da primeira. As abellas Andrena nigroaenea usan feromonas para identificar un compañeiro; no caso de A. nigroaenea, as femias emiten unha mestura de tricosano (C₂₃H₄₈), pentacosano (C₂₅H₅₂) e heptacosano (C₂₇H₅₆) na proporción 3:3:1, e os machos son atraídos especificamente por este cheiro. A orquídea toma vantaxe deste arranxo de apareamiento para facer que as abellas macho colleiten e diseminen o seu pole; non só as súas flores parécense á devandita especie de abellas, senón que tamén producen grandes cantidades do tres alcanos na mesma proporción que as abellas A. nigroaenea femia. Como resultado, numerosos machos son atraídos ás flores e tentan copular coa súa compañeira imaxinaria; aínda que este comportamento non se coroa co éxito para a abella, permite á orquídea transferir o seu pole, que se dispersará coa partida do macho frustrado a outras florais.

Produción

Refinado do petróleo

Unha refinaría de petróleo en Martinez, California.

A fonte máis importante de alcanos é o gas natural e o petróleo cru. Os alcanos son separados nunha refinaría de petróleo por destilación fraccionada e procesados en moitos produtos diferentes.

Fischer-Tropsch

O proceso Fischer-Tropsch é un método para sintetizar hidrocarburos líquidos, incluíndo alcanos, a partir de monóxido de carbono e hidróxeno. Este método é usado para producir substitutos para os destilados de petróleo.

Preparación no laboratorio

Xeralmente hai pouca necesidade de sintetizar alcanos no laboratorio, dado que adoitan estar dispoñibles comercialmente. Tamén debido ao feito de que os alcanos son, xeralmente, pouco reactivos química e bioloxicamente, e non sofren interconversións limpas de grupos funcionais. Cando se producen alcanos no laboratorio, adoita ser un subproduto dunha reacción. Por exemplo, o uso de n-butillitio como unha base produce o ácido conxugado, n-butano como subproduto:

C₄H₉Li + H₂Ou → C₄H₁₀ + LiOH

Con todo, ás veces pode ser desexable converter unha porción dunha molecular nunha estrutura funcionalmente alcánica (grupo alquilo) usando un método como o de arriba ou métodos similares. Por exemplo, un grupo etilo é un grupo alquilo; cando está unido a un grupo hidroxi, constitúe o etanol, que non é un alcano. Para convertelo en alcano, un dos métodos máis coñecidos é a hidroxenación de alquenos.

RCH=CH₂ + H₂ → RCH₂CH₃ (R = alkyl)

Os alcanos ou grupos alquilo poden ser preparados directamente a partir de haloalcanos na reacción de Corey-House-Posner-Whitesides. A deoxigenación de Barton-McCombie elimina o grupo hidroxilo dos alcois, por exemplo.

e a redución de Clemmensen elimina os grupos carbonilo dos aldehidos e cetonas para formar alcanos ou compostos de substituídos de alquilo:

Propiedades físicas

Punto de ebulición

Puntos de fusión (azul) e de ebulición (rosa) dos primeiros 14 n-alcanes, en °C.

Os alcanos experimentan forzas intermoleculares de van der Waals e ao presentarse maiores forzas deste tipo aumenta o punto de ebulición.

Hai dous axentes determinantes da magnitude das forzas de van der Waals:

• O número de electróns que rodean á molécula, que se incrementa coa masa molecular do alcano.
• A área superficial da molécula.

Baixo condicións estándar, os alcanos desde o CH₄ até o C₄H₁₀ son gases; desde o C₅H₁₂ até C₁₇H₃₆ son líquidos; e os posteriores a C₁₈H₃₈ son sólidos. Como o punto de ebulición dos alcanos está determinado principalmente polo peso, non debería sorprender que os puntos de ebulición teñan unha relación case lineal coa masa molecular da molécula. Como regra rápida, o punto de ebulición increméntase entre 20 e 30 °C por cada átomo de carbono agregado á cadea; esta regra aplícase a outras series homólogas.

Un alcano de cadea lineal terá un maior punto de ebulición que un alcano de cadea ramificada, debido á maior área da superficie en contacto, co que hai maiores forzas de van der Waals, entre moléculas adxacentes. Por exemplo, compárese o isobutano e o n-butano, que ferven a -12 e 0 °C, e o 2,2-dimetilbutano e 2,3-dimetilbutano que ferven a 50 e 58 °C, respectivamente. No último caso, dúas moléculas de 2,3-dimetilbutano poden "encaixar" mutuamente mellor que as moléculas de 2,2-dimetilbutano entre si, co que hai maiores forzas de van der Waals.

Por outra banda, os cicloalcanos tenden a ter maiores puntos de ebulición que as súas contrapartes lineais, debido ás conformacións fixas das moléculas, que proporcionan planos para o contacto intermolecular.

Punto de fusión O punto de fusión dos alcanos segue unha tendencia similar ao punto de ebulición pola mesma razón que se explicou anteriormente. Isto é, (se todas as demais características se manteñen iguais), a molécula máis grande corresponde maior punto de fusión. Hai unha diferenza significativa entre os puntos de fusión e os puntos de ebulición: os sólidos teñen unha estrutura máis ríxida e fixa que os líquidos. Esta estrutura ríxida require enerxía para poder romper durante a fusión. Entón, as estruturas sólidas mellor construídas requirirán maior enerxía para a fusión. Para os alcanos, isto pode verse no gráfico anterior. Os alcanos de lonxitude impar teñen puntos de fusión lixeiramente menores que os esperados, comparados cos alcanos de lonxitude par. Isto é debido a que os alcanos de lonxitude par se empacan ben na fase sólida, formando unha estrutura ben organizada, que require maior enerxía para romper. Os alcanos de lonxitude impar se empacan con menor eficiencia, co que o empaquetamento máis desordenado require menos enerxía para romper.

Os puntos de fusión dos alcanos de cadea ramificada poden ser maiores ou menores que a dos alcanos de cadea lineal, dependendo novamente da habilidade do alcano en cuestión para empacarse ben na fase sólida: isto é particularmente verdadeiro para os isoalcanos (isómeros 2-metil), que adoitan ter maiores puntos de fusión que os seus análogos lineais

Condutividade

Os alcanos son malos condutores da electricidade e non se polarizan substancialmente por un campo eléctrico.

Solubilidade en auga

Non forman enlaces de hidróxeno e son insolubles en solventes polares como a auga. Posto que as enlaces hidróxeno entre as moléculas individuais de auga están apartados dunha molécula de alcano, a coexistencia dun alcano e auga conduce a un incremento na orde molecular (redución de entropía). Como non hai enlaces significativas entre as moléculas de auga e as moléculas de alcano, a segunda lei da termodinámica suxire que esta redución na entropía minimizaríase ao minimizar o contacto entre o alcano e a auga: dise que os alcanos son hidrofóbicos (repelen a auga).

Solubilidade noutros solventes

A súa solubilidade en solventes non polares é relativamente boa, unha propiedade que se denomina lipofilicidade. Por exemplo, os diferentes alcanos son miscibles entre si en todas as proporcións.

Densidade

A densidade dos alcanos adoita aumentar conforme aumenta o número de átomos de carbono, pero permanece inferior á da auga. En consecuencia, os alcanos forman a capa superior nunha mestura de alcano-auga.

Xeometría molecular

hibridación sp³ no metano.

A estrutura molecular dos alcanos afecta directamente as súas características físicas e químicas. Derívase da configuración electrónica do carbono, que ten catro electróns de valencia. Os átomos de carbono nos alcanos sempre teñen hibridación sp³, o que quere dicir que os electróns de valencia están en catro orbitais equivalentes, derivados da combinación do orbital 2s e os orbitais 2p. Estes orbitais, que teñen enerxías idénticas, están orientados espacialmente na forma dun tetraedro, cun ángulo de cos⁻¹(−⅓) ≈ 109.47° entre eles.

Lonxitudes de enlace e ángulos de enlace

Unha molécula de alcano ten só enlaces simples C – H y C – C. Os primeiros resultan do traslape dun orbital sp³ do átomo de carbono co orbital 1s dun átomo de hidróxeno; os últimos do traslape de dous orbitais sp³ en átomos de carbono diferentes. A lonxitude de enlace é de 1,09×10⁻¹⁰ m para un enlace C - H e 1,54×10⁻¹⁰ m para un enlace C - C.

Estrutura tetraédrica do metano.

A disposición espacial dos enlaces é similar á de catro orbitais sp³; están dispostos tetraedricamente, cun ángulo de 109,48° entre eles. A fórmula estrutural que representa ós enlaces coma se estivesen en ángulos rectos uns con outros, aínda que común e útil, non corresponde coa realidade.

Conformacións

A fórmula estrutural e os ángulos de enlaces non adoitan ser suficientes para describir a xeometría dunha molécula. Hai un grao de liberdade para cada enlace carbono - carbono: o ángulo de torsión entre os átomos ou grupos unidos aos átomos a cada extremo dun enlace. O arranxo espacial descrito polos ángulos de torsión da molécula coñécese como a súa conformación.

Proxeccións de Newman das dúas conformacións límite do etano:: eclipsada á esquerda, alternada á dereita.

Modelos de bólas e paus dos dous rotámeros do etano.

O etano constitúe o caso máis simple para o estudo das conformacións dos alcanos, dado que só hai unha enlace C - C. Se se ve ao longo da enlace C - C, terase a denominada proxección de Newman. Os átomos de hidróxeno tanto no átomo carbono anterior como no átomo de carbono posterior teñen un ángulo de 120° entre eles, resultante da proxección da base do tetraedro nunha superficie plana. Con todo, o ángulo de torsión entre un átomo de hidróxeno dado do carbono anterior e un átomo de hidróxeno dado do carbono posterior pode variar libremente entre 0° e 360°. Isto é unha consecuencia da rotación libre ao redor do enlace carbono - carbono. A pesar desta aparente liberdade, só hai dúas conformacións limitantes importantes: conformación eclipsada e conformación alternada.

As dúas conformacións, tamén coñecidas como rotámeros, difiren en enerxía: a conformación alternada é 12,6 kJ/mol menor en enerxía (por tanto, máis estable) que a conformación eclipsada (menos estable).

A diferenza en enerxía entre as dúas conformacións, coñecida como a enerxía torsional é baixa comparada coa enerxía térmica dunha molécula de etano a temperatura ambiente. Hai rotación constante ao redor da enlace C-C. O tempo tomado para que unha molécula de etano pase da conformación alternada á seguinte, equivalente á rotación dun grupo CH₃ en 120° relativo a outro, é da orde de 10⁻¹¹ segundos.

O caso de alcanos maiores é máis complexo, pero baséase nos mesmos principios, coa conformación antiperiplanar sendo máis favorecida ao redor de cada enlace carbono-carbono. Por esta razón, os alcanos adoitan mostrar unha disposición en zigzag nos diagramas ou nos modelos. A estrutura real sempre diferirá en algo destas formas idealizadas, debido a que as diferenzas en enerxía entre as conformacións son pequenas comparadas coa enerxía térmica das moléculas: as moléculas de alcano non teñen unha forma estrutura fixa, aunquelos modelos así o suxiran.

NOME	Fórmula	B.P./ouC	M.P./ouC	Densidade/g cm −3(20ouC)
Metano	CH4	-162	-183	gas
Etano	C2H6	-89	-172	gas
Propano	C3H8	-42	-188	gas
Butano	C4H10	-0.5	-135	gas
Pentano	C5H12	36	-130	0.626
Hexano	C6H14	69	-95	0.659
Heptano	C7H16	98	-91	0.684
Octano	C8H18	126	-57	0.703
Nonano	C9H20	151	-54	0.718
Decano	C10H22	174	-30	0.730
Undecano	C11H24	196	-26	0.740
Dodecano	C12H26	216	-10	0.749
Triacontano	C30H62	343	37	sólido

Propiedades espectroscópicas

Practicamente todos os compostos orgánicos conteñen enlaces carbono - carbono e carbono - hidróxeno, co que mostran algunhas características dos alcanos nos seus espectros. Os alcanos distínguense por non ter outros grupos e, por tanto, pola "ausencia" doutras características espectroscópicas.

Espectroscopia no infravermello

A elongación carbono - hidróxeno dá unha absorción forte entre 2850 e 2960 cm⁻¹, mentres que a elongación carbono - carbono absorbe entre 800 e 1300 cm⁻¹. As flexións carbono - hidróxeno dependen da natureza do grupo: os grupos metilo mostran bandas a 1465 cm⁻¹ e 1450 ⁻¹. As cadeas carbonadas con máis de catro átomos de carbono mostran unha absorción débil ao redor de 725 cm⁻¹.

Espectroscopia NMR

A resonancia do protón dos alcanos adoita atoparse en δ_H = 0.5 - 1.5. A resonancia do carbono-13 depende do número de átomos de hidróxeno unidos ao carbono: δ_C = 8 – 30 (primario, metilo, -CH₃), 15 – 55 (secundario, metileno, -CH₂-), 20 – 60 (terciario, metino, C-H) e cuaternario. A resonancia de carbono-13 dos átomos de carbono cuaternarios é caracteristicamente débil, debido á falta de efecto nuclear Overhauser e o longo tempo de relaxación, e pode faltar en mostras débiles, ou en mostras que non foron corridas un tempo o suficientemente longo.

Espectrometría de masas

Os alcanos teñen unha alta enerxía de ionización, e o ión molecular é xeralmente débil. O patrón de fragmentación pode ser difícil de interpretar, pero, no caso dos alcanos de cadea ramificada, a cadea carbonada rompe preferentemente nos átomos de carbono terciarios e cuaternarios, debido á relativa estabilidade dos radicais libres resultantes. O fragmento resultante da perda de só un grupo metilo (M-15) adoita estar ausente, e outros fragmentos adoitan estar espazados a intervalos de catorce unidades de masa, correspondendo á perda secuencial de grupos CH₂.

Propiedades químicas

En xeral, os alcanos mostran unha reactividade relativamente baixa, porque os seus enlaces de carbono son relativamente estables e non poden ser facilmente rotos. A diferenza de moitos outros compostos orgánicos, non teñen grupo funcional.

Só reaccionan moi pobremente con substancias iónicas ou polares. A constante de acidez para os alcanos ten valores inferiores a 60, en consecuencia son practicamente inertes aos ácidos e bases. A súa inercia é a fonte do termo parafinas (que significa "falto de afinidade"). No petróleo cru, as moléculas de alcanos permanecen quimicamente sen cambios por millóns de anos.

Con todo, é posible reaccións redox dos alcanos, en particular co osíxeno e os halóxenos, posto que os átomos de carbono están nunha condición fortemente reducida; no caso do metano, alcánzase o menor estado de oxidación posible para o carbono (-4). A reacción co osíxeno conduce á combustión sen fume; cos halóxenos, á reacción de substitución. Ademais, os alcanos interactúan con, e únense a, certos complexos de metais de transición.

Os radicais libres, moléculas cun número impar de electróns, xogan un papel importante na maioría de reaccións dos alcanos, tales como o cracking e o reformado, onde os alcanos de cadea longa convértense en alcanos de cadea curta, e os alcanos de cadea lineal nos isómeros ramificados, respectivamente.

Nos alcanos altamente ramificados, o ángulo de enlace pode diferir significativamente do valor óptimo (109,47°) para permitir ós diferentes grupos suficiente espazo. Isto orixina unha tensión na molécula coñecida como impedimento estérico, e pode aumentar substancialmente a reactividade.

Reaccións con osíxeno

Todos os alcanos reaccionan con osíxeno nunha reacción de combustión, aínda que se torna máis difícil de inflamar ao aumentar o número de átomos de carbono. A ecuación xeral para a combustión completa é:

C_nH_2n+2 + (1,5n+0,5)O₂ → (n+1)H₂O + nCO₂

En ausencia de osíxeno suficiente, pode formarse monóxido de carbono ou inclusive negro de fume, como se mostra a continuación:

C_nH_(2n+2) + ½ nO₂ → (n+1)H₂ + nCO

por exemplo metano:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

CH₄ + O₂ → C + 2H₂O

O cambio de entalpía estándar de combustión, Δ_cH^o, para os alcanos increméntase aproximadamente en 650 kJ/mol por cada grupo CH₂ nunha serie homóloga. Os alcanos de cadea ramificada teñen menores valores de Δ_cH^o que os alcanos de cadea lineal do mesmo número de átomos de carbono, polo que poden ser vistos como algo máis estables.

Reaccións con halóxenos

Os alcanos reaccionan con halóxenos na denominada reacción de haloxenación radicalaria. Os átomos de hidróxeno do alcano son substituídos progresivamente por átomos de halóxeno. Os radicais libres son as especies que participan na reacción, que xeralmente conduce a unha mestura de produtos. A reacción é altamente exotérmica, e pode resultar nunha explosión.

Estas reaccións son unha importante ruta industrial para os hidrocarburos haloxenados.

Os experimentos mostraron que toda haloxenación produce unha mestura de todos os isómeros posibles, indicando que todos os átomos de hidróxeno son susceptibles de reaccionar. Con todo, a mestura producida non é unha mestura estatística: os átomos de hidróxeno secundarios e terciarios son substituídos preferentemente debido á maior estabilidade dos radicais secundarios e terciarios. Un exemplo pode verse na monobromación do propano:

Cracking

O cracking rompe moléculas grandes en unidades máis pequenas, Esta operación pode realizarse cun método térmico ou un método catalítico. O proceso de cracking térmico segue un mecanismo de reacción homolítico con formación de radicais libres. O proceso de cracking catalítico involucra a presenza dun catalizador ácido (xeralmente acedos sólidos como silica-alúmina e ceolitas), que promoven a heterólise (ruptura asimétrica) dos enlaces, producindo pares de ioné de cargas opostas, xeralmente un carbocatión e o anión hidruro, que é moi inestable. Os radicais libres de alquilo e os carbocationes son altamente inestables, e sofren procesos de reordenamento da cadea, e a escisión do enlace C-C na posición beta, ademais de transferencias de hidróxeno ou hidruro intramolecular e extramolecular. En ambos os tipos de procesos, os reactivos intermediarios (radicais, ións) rexenéranse permanentemente, polo que proceden por un mecanismo de autopropagación en cadea. Eventualmente, a cadea de reaccións termina nunha recombinación de ións ou radicais.

Isomerización e reformado

A isomerización e reformado son procesos nos que os alcanos de cadea lineal son quentados en presenza dun catalizador de platino. Na isomerización, os alcanos convértense nos seus isómeros de cadea ramificada. No reformado, os alcanos convértense nas súas formas cíclicas ou en hidrocarburos aromáticos, liberando hidróxeno como subproduto. Ambos os procesos elevan o índice de octano da substancia.

Outras reaccións

Os alcanos reaccionan con vapor en presenza dun catalizador de níquel para producir hidróxeno. Os alcanos poden ser clorosulfonados e nitrados, aínda que ambas as reaccións requiren condicións especiais. A fermentación dos alcanos a acedos carboxílicos é de importancia técnica. Na reacción de Reed, o dióxido de xofre e cloro converten aos hidrocarburos en cloruros de sulfonilo, nun proceso inducido por luz.

Aplicacións

As aplicacións dos alcanos poden ser determinadas bastante ben de acordo ao número de átomos de carbono. O catro primeiros alcanos son usados principalmente para propósitos de calefacción e cociña, e nalgúns países para xeración de electricidade. O metano e o etano son os principais compoñentes do gas natural; poden ser almacenados como gases baixo presión. Con todo, é máis fácil transportalos como líquidos: isto require tanto a compresión como o arrefriado do gas.

O propano e o butano poden ser líquidos a presións moderadamente baixas e son coñecidos como gases licuados do petróleo (GLP). Por exemplo, o propano úsase no queimador de gas propano, o butano nos acendedores descartables de cigarros. Estes dous alcanos son usados tamén como propelentes en pulverizadores.

Desde o pentano até o octano, os alcanos son líquidos razoablemente volátiles. Úsanse como combustibles en motores de combustión interna, posto que poden vaporizarse rapidamente ao entrar na cámara de combustión, sen formar pingas, que romperían a uniformidade da combustión. Prefírense os alcanos de cadea ramificada, posto que son menos susceptibles á ignición prematura, que os seus análogos de cadea lineal. Esta propensión á ignición prematura é medida polo índice de octano do combustible, onde o 2,2,4-trimetilpentano (isooctano) ten un valor arbitrario de 100, e heptano ten un valor de cero. Ademais do seu uso como combustibles, os alcanos medios son bos solventes para as substancias non polares.

Os alcanos desde o nonano até, dígase, o hexadecano (un alcano con dezaseis átomos de carbono) son líquidos de alta viscosidade, cada vez menos aptos para o seu uso en gasolinas. Pola contra, forman a maior parte do diésel e combustible de avións. Os combustibles diésel están caracterizados polo seu índice de cetano (o cetano é un nome antigo para o hexadecano). Con todo, o alto punto de fusión destes alcanos pode causar problemas a baixas temperaturas e en rexións polares, onde o combustible vólvese demasiado espeso para fluír adecuadamente.

Os alcanos a partir do hexadecano en diante constitúen os compoñentes máis importantes do aceite combustible e aceite lubricante. A función dos últimos é tamén actuar como axentes anticorrosivos, posto que a súa natureza hidrofóbica implica que a auga non pode chegar á superficie do metal. Moitos alcanos sólidos atopan uso como cera de parafina, por exemplo en candeas. Esta non debe confundirse coa verdadeira cera, que consiste principalmente de ésteres.

Os alcanos cunha lonxitude de cadea de aproximadamente 35 ou máis átomos de carbono atópanse no betume, que se usa, por exemplo, para asfaltar os camiños. Con todo, os alcanos superiores teñen pouco valor, e adóitanse romper en alcanos menores mediante cracking.

Algúns polímeros sintéticos tales como o polietileno e o polipropileno son alcanos con cadeas que conteñen centos de miles de átomos de carbono. Estes materiais úsanse en innumerables aplicacións, e fabrícanse e usan millóns de toneladas destes materiais ao ano.

Riscos

O metano é explosivo cando está mesturado con aire (1 - 8% CH₄) e é un axente moi forte no efecto invernadoiro. Outros alcanos menores tamén forman mesturas explosivas co aire. Os alcanos líquidos lixeiros son altamente inflamables, aínda que este risco decrece co aumento da lonxitude da cadea de carbono. O pentano, hexano, heptano e octano están clasificados como perigosos para o medio ambiente e nocivos. O isómero de cadea lineal do hexano é unha neurotoxina.