Alkana

Struktur metana, yang merupakan struktur alkana yang termudah

Alkana merupakan hidrokarbon alifatik dan hidrokarbon tepu. Formula am alkana ialah C_nH_2n+2 di mana n bersamaan 1,2,3, dan seterusnya; dan merupakan siri homolog hidrokarbon yang penting. Susunan elektron karbon ialah 2.4 atau 1s² 2s² 2p² dan boleh menerima sehingga empat ikatan. Dalam alkana, setiap atom karbon terikat kepada empat atom lain dan ia tidak boleh menerima lagi atom hidrogen. Semua atom dalam satu-satu alkana membentuk ikatan tunggal sahaja iaitu ikatan σ (sigma). Ikatan ini terletak di antara satu atom karbon dengan atom karbon lain ataupun dengan atom hidrogen. Sudutnya pula ialah 109.5^o.

Alkana adalah agak stabil terhadap tindak balas kimia, dan ia bersifat kurang reaktif kerana atom-atomnya terikat antara satu sama lain dengan kuat. Ia tidak bertindak balas dengan air bromin atau larutan kalium manganat (VII) berasid tetapi bertindakbalas dengan halogen dalam sinar ultraungu.

Ia menghasilkan sedikit jelaga apabila terbakar berbanding dengan alkena disebabkan oleh peratusan karbon dalam molekulnya yang lebih rendah.

Klasifikasi struktur

Hidrokarbon tepu dapat dikelaskan secara berikut:

• linear (formula umum C_nH_{2n + 2}) setiap atom karbon bergabung untuk dalam struktur seakan-akan bentuk ular
• bercabang (formula umum C_nH_{2n + 2}, n > 3) struktur utama karbon berpecah ke satu atau lebih arah
• sebatian kitaran (formula umum C_nH_2n, n > 2) struktur utama karbon bergabung untuk menghasilkan satu kitaran

Berdasarkan definisi IUPAC, hidrokarbon linear dan bercabang dikategorikan sebagai alkana, manakala sebatian kitaran diklasifikasikan sebagai sikloalkana. Hidrokarbon tepu yang bergabung dengan struktur linear, kitaran dan bercabang tetap diklasifikasikan sebagai alkana asalkan strutur tersebut merupakan sebatian terbuka (asiklik), iaitu tanpa sebarang gelung. Setiap atom karbon mempunyai ikatan kovalen tunggal sesama diri.

Sistem penamaan alkana

Berikut adalah nama sepuluh ahli pertama alkana rantai lurus.

Bilangan atom karbon per molekul	Nama IUPAC	Formula molekul
1	Metana	CH4
2	Etana	C2H6
3	Propana	C3H8
4	Butana	C4H10
5	Pentana	C5H12
6	Heksana	C6H14
7	Heptana	C7H16
8	Oktana	C8H18
9	Nonana	C9H20
10	Dekana	C10H22

Sifat fizik

Sifat fizik alkana adalah seperti :

• Keadaan fizik
• Takat lebur dan takat didih
• Ketumpatan
• Keterlarutan dalam air
• Kekonduksian elektrik

Nama alkana	Takat lebur (°C)	Takat didih (°C)	Keadaan fizik pada suhu bilik	Ketumpatan pada suhu bilik (g cm-3)
Metana	-182	-162	Gas	0.0007
Etana	-183	-89	Gas	0.0013
Propana	-188	-42	Gas	0.0018
Butana	-138	-0.5	Gas	0.0024
Pentana	-130	36	Cecair	0.56
Heksana	-95	69	Cecair	0.66
Heptana	-90	98	Cecair	0.68
Oktana	-57	126	Cecair	0.70
Nonana	-54	153	Cecair	0.72
Dekana	-30	174	Cecair	0.74

Keadaan fizik

Apabila menuruni siri alkana, sifat fiziknya berubah secara beransur-ansur. Pada suhu bilik, metana sehingga butana wujud sebagai gas manakala pentana sehingga heksadekana, C₁₆H₃₄ wujud sebagai cecair. Heptadekana, C₁₇H₃₆ dan seterusnya wujud sebagai pepejal berminyak.

Takat lebur dan takat didih

Alkana wujud sebagai molekul kovalen ringkas. Oleh itu, alkana mempunyai takat lebur dan takat didih yang rendah kerana molekul-molekulnya ditarik oleh daya van der Waals yang lemah jadi hanya sedikit haba yang diperlukan untuk memecahkan daya tarikan antara molekul ini supaya peleburan dan pendidihan dapat berlaku. Semasa perubahan keadaan fizik berlaku, tenaga yang sedikit sudah mencukupi untuk memutuskan daya ini.

Ketumpatan

Semua alkana mempunyai ketumpatan yang rendah disebabkan daya van der Waals antara molekul adalah lemah. Oleh sebab itu susunan molekul-molekulnya kurang padat. Ketumpatan alkana kurang berbanding ketumpatan air (997 kg m^-3)

Apabila bilangan atom karbon per molekul bertambah , molekul alkana dengan saiz yang yang semakin bertambah dapat menarik antara satu sama lain dengan daya van der Waals antara molekul dengan lebih kuat. Oleh itu, molekul-molekulnya lebih besar dan tersusun dengan lebih padat lalu meningkatkan ketumpatannya.

Keterlarutan dalam air

Semua alkana tidak larut dalam air kerana alkana merupakan sebatian kovalen yang hanya larut dalam pelarut organik seperti eter dan benzena.

Kekonduksian elektrik

Semua alkana adalah sebatian kovalen yang terdiri daripada molekul ringkas yang tiada ion-ion bebas bergerak. Oleh itu, alkana tidak mengkonduksikan elektrik.

Sifat kimia

• Diikat dengan ikatan kovalen.
• Bertindak balas dengan halogen seperti gas klorin dan membentuk monokloroetana, dikloroetana, trikloroetana dan tetrakloroetana dalam kehadiran sinar ultraungu. Penukargantian telah berlaku.
• Menghasilkan karbon dioksida dan air apabila dibakar secara lengkap. Pembakaran yang tidak lengkap akan menghasilkan karbon dan karbon monoksida (melalui tindak balas pembakaran).
• Tindak balas yang dijalani oleh alkana biasanya melalui mekanisme radikal bebas.
• Boleh diprotonkan dengan asid super (super acids).

Tindak balas pembakaran

• Semua alkana terbakar dalam oksigen, O₂ dan membebaskan haba.

Pembakaran lengkap

Dengan bekalan gas oksigen yang berlebihan, alkana terbakar dengan lengkap untuk menghasilkan gas karbon dioksida, CO₂ dan wap air sahaja. Contohnya pembakaran metana,CH₄ lengkap :

CH₄ (g) + 2O₂ (g) → CO₂ (g) + 2H₂O (ce)

Pembakaran tidak lengkap

Dengan bekalan oksigen yang terhad, pembakaran alkana adalah tidak lengkap. Nyalaan adalah lebih berjelaga. Campuran karbon,C, gas karbon monoksida , CO, dan air, H₂O, terhasil. Contoh pembakaran etana yang tidak lengkap:

C₂H₆ (g) + 2O₂ (g) → C (p) + CO (g) + 3H₂O (ce)

Semakin menuruni siri homolog alkana, nyalaan alkana semakin berjelaga dan pembakaran menjadi semakin sukar. Ini adalah kerana peratus kandungan karbon mengikut jisim dalam molekul semakin meningkat.

Tindak balas penukargantian

Tindak balas ini berlaku dalam kehadiran cahaya matahari atau sinaran ultraungu. Dalam tindak balas ini, atom-atom hidrogen dalam molekul alkana diganti dengan atom yang lain, seperti atom klorin atau bromin. Tindak balas penukargantian metana dengan klorin dapat ditulis seperti di bawah:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl_{(monoklorometana)} + HCl
atau
CH₄ + 2Cl₂ → CH₂Cl_{2(diklorometana)} + 2HCl
atau
CH₄ + 3Cl₂ → CHCl_{3(triklorometana)} + 3HCl
atau
CH₄ + 4Cl₂ → CCl_{4(tetraklorometana)} + 4HCl