3.4: アルカンの物性

アルカンは、炭素原子と水素原子のみが存在するため、非極性分子です。 炭素と水素の電気陰性度の差はごくわずかであるため、アルカンの双極子モーメントはゼロです。 これにより、分子間には分散力のみが存在することになります。 分散力の強さは、分散力が作用する分子の表面積に依存します。 直鎖アルカンの表面積は分子長に応じて増加するため、炭素鎖長が増加するにつれて同族体全体の分散力も増加します。

分散力はアルカンの物理的特性に影響を与え、その物理的状態を左右します。 直鎖アルカンは、炭素原子の数に基づいて、特定の温度と圧力で異なる物理状態で存在します。 したがって、直鎖アルカンの沸点はその鎖の長さに直接比例し、ひいては分散力に比例します。一方、融点は奇数・偶数効果を示します。つまり、鎖長が増加するにつれて、奇数個と偶数個の炭素を持つアルカンはそれぞれ異なる融点傾向を示します。

アルカンの分岐鎖異性体は、直鎖アルカンと比較して形状や大きさが異なるため、特性に大きなばらつきが見られます。 たとえば、ペンタンの融点は直鎖型と分岐型とで大幅に異なります。 直鎖の n-ペンタンは -129.8°C の融解しますが、分岐型のイソペンタンは -161.0°C で融解します。 対称分岐異性体であるネオペンタンは、-16.5°C というはるかに高い融点を持ちます。

連続するメンバーが-CH₂-基だけ異なる一連の非分岐アルカンは相同級数と呼ばれ、このシリーズの各アルカンは相同体です。

アルカンは、炭素と水素の電気陰性度の差が小さいため、非極性であり、分子間には弱い分散力しか存在しないことを意味します。

これらの力の強度は、炭素鎖の長さに比例して増加します。最初の4つのアルカンは、室温と大気圧のガスです。C 5からC₁₇までの中程度の炭素鎖は液体です。C₁₇ を超える相同体は固体です。

分散力は、アルカンのさまざまな物理的特性にも影響を与えます。

相同系列内では、表面積が増加すると、分子間の分散力も増加します。分子を分離するためにはより多くのエネルギーが必要なため、非分岐アルカンの沸点は炭素が加わるごとに上昇します。

直鎖アルカンとは異なり、分岐アルカンはコンパクトで球形であるため、相互作用の領域と分子間力の強度が低下します。したがって、分岐していない形態と比較して、分岐異性体はより低い温度で沸騰します。

直鎖アルカンの沸点は炭素の数とともに徐々に上昇しますが、融点は着実に上昇しません。代わりに、トレンドは同種級数の偶数メンバーと奇数メンバーの間で交互になります。

結晶状態では、アルカンでさえジグザグに密集しています。その結果、分子はより強い引力を経験し、融点が高くなります。

それに比べて、奇数アルカンは平行に配置されているため、密集性が低く、相互作用が弱くなり、融点が低くなります。

分岐アルカンの融点は、その分子対称性によって決定されます。

実質的な対称性を持つ分岐アルカンは、分岐していない炭化水素よりも高い温度で溶けます。それに比べて、非対称の分岐は融点を低くします。

アルカンは、水素結合を形成できないため、水に不溶性です。また、密度が1 g/cm³未満であるため、水に浮遊します。