3.1: Struktura alkanów

Tworzenie wiązań węgiel-węgiel prowadzących do powstania łańcucha węglowego jest podstawą chemii organicznej. August Kekulé i Archibald Scott Couper niezależnie opracowali tę koncepcję tworzenia łańcucha węglowego.

Węglowodory to najprostsze związki organiczne składające się z atomów węgla i wodorów. W oparciu o rodzaj wiązań między atomami węgla węglowodory dzieli się dalej na alkany, alkeny i alkiny.

Alkany to najprostsze węglowodory z hybrydowymi atomami węgla sp³. Te atomy węgla sp³ mogą tworzyć wiązania sigma z orbitalami sp³ innych atomów węgla lub z orbitalami atomowymi 1s atomów wodoru. Ponieważ alkany posiadają tylko pojedyncze wiązania między atomami węgla, są one również znane jako węglowodory nasycone. Ogólny wzór alkanów to C_nH_2n+2, wskazujący, że na każdy „n” atom węgla alkany mają „2n+2” atomy wodoru.

Strukturę Lewisa alkanów można uprościć za pomocą skondensowanego wzoru strukturalnego. W tym przedstawieniu wiązania między węglem-wodorem i węglem-węglem pominięto, aby uprościć strukturę. Dalsze uproszczenie odbywa się za pomocą wzoru na kąt linii. Linie reprezentują wiązania węgiel-węgiel. Koniec linii i wierzchołek reprezentują atomy węgla. Wodory nie są wyraźnie pokazane i zakłada się, że są obecne, spełniając wartościowość węgla.

Związki zawierające atomy węgla i wodoru nazywane są węglowodorami. Najprostszy węglowodór, metan, ma czterowartościowy atom węgla związany z czterema atomami wodoru.

Jeśli jeden z atomów wodoru metanu zostanie zastąpiony atomem węgla związanym z trzema atomami wodoru, powstaje następny węglowodór, etan.

Metan i etan należą do rodziny węglowodorów zwanych alkanami. Ponieważ alkany zawierają tylko pojedyncze wiązania kowalencyjne, są węglowodorami nasyconymi.

W każdym alkanie, na przykład etan, atomy węgla są zhybrydyzowane sp³, co czyni je węglami czworościennymi. Te pojedynczo zajmowane orbitale hybrydowe nakładają się na orbitale hybrydowe sp³ sąsiedniego atomu węgla, tworząc wiązanie węgiel-węgiel sigma.

Pozostałe hybrydowe orbitale węgla tworzą sigma wiązania z orbitalami 1s każdego z atomów wodoru. Związane atomy są ustawione względem siebie pod kątem 109,5°.

Zbadaj struktury trzech prostych alkanów - metanu, etanu i propanu. Metan,_CH4, ma jeden atom węgla i cztery atomy wodoru; etan,_C2H6, ma dwa atomy węgla i sześć atomów wodoru; a propan, C₃H₈, ma trzy atomy węgla i osiem atomów wodoru.

Zauważ, że każda następna formuła ma jeden węgiel i dwa wodory - a mianowicie grupę_CH2 więcej niż poprzednia formuła.

Ogólnie rzecz biorąc, na każde n liczby atomów węgla przypadną 2n+2 atomy wodoru. Tak więc alkany mają charakterystyczny wzór cząsteczkowy: C_nH_{2n + 2}.

Skondensowany wzór strukturalny upraszcza strukturę Lewisa alkanów, pomijając wiązania z wodorami, a nawet wiązania węgiel-węgiel.

Węglowodory można również przedstawić za pomocą struktur liniowo-kątowych lub szkieletowych. Linie oznaczają wiązania węgiel-węgiel, przy czym każdy wierzchołek i koniec oznacza atom węgla. Zakłada się, że wodory, choć nie są wyraźnie pokazane, są związane z węglami, spełniając ich wartościowość.

• Alkanes - Simplest organic compounds, composed of carbons and hydrogens.
• Structural formula of alkanes - Represents bonds between carbon and hydrogen in alkanes.
• Cnh2n+2 general formula - It indicates that for every n carbon atom, alkanes have 2n+2 hydrogen atoms.
• Condensed structural formula alkanes - Simplifies Lewis structure by omitting bonds between carbon-hydrogen and carbon-carbon.
• Saturated Hydrocarbons - Another name for Alkanes, as they possess only single bonds.

• Define Alkanes - Explain what they are (e.g., Alkanes are simplest organic compounds).
• Contrast structural formula vs condensed structural formula - Explain key differences (e.g., Bonds omission).
• Explore Hydrocarbons - Describe the different types (e.g., Alkanes).
• Explain Saturated Hydrocarbons - Describe why alkanes are considered saturated.
• Apply Alkanes structural formula - Breakdown of its formula (e.g., c for carbon and n for number of carbon atoms).

• What are alkanes and their general formula?
• What does Structural formula of alkanes represent?
• What are Saturated Hydrocarbons and why are alkanes considered saturated?

• Students – Understand how the concept of Alkanes supports student understanding in organic chemistry.
• Educators – Provides a clear framework to help in teaching the topic of Alkanes, their structures, and properties.
• Researchers – Relevance for scientific study or methodology around organic compounds and hydrocarbons.
• Chemistry Enthusiasts – Offers insights into organic compound structures, broadening interest and curiosity.