3.4: Właściwości fizyczne alkanów

Alkany są cząsteczkami niepolarnymi ze względu na obecność tylko atomów węgla i wodoru. Różnica elektroujemności między węglem i wodorem jest minimalna, dlatego alkany mają zerowy moment dipolowy. Prowadzi to do występowania jedynie sił dyspersji pomiędzy cząsteczkami. Siła sił dyspersyjnych zależy od pola powierzchni cząsteczek, na które one działają. Ponieważ pole powierzchni wzrasta wraz z długością cząsteczki alkanów o prostym łańcuchu, siły dyspersji również rosną w poprzek homologu wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego.

Siły dyspersyjne wpływają na właściwości fizyczne alkanów i zmieniają ich stan fizyczny. W zależności od liczby atomów węgla alkany o prostych łańcuchach występują w różnych stanach fizycznych w danej temperaturze i ciśnieniu. Zatem temperatura wrzenia alkanów o łańcuchu prostym jest wprost proporcjonalna do długości ich łańcucha i z kolei jest proporcjonalna do sił dyspersyjnych. W przeciwieństwie do tego, temperatura topnienia wykazuje zachowanie nieparzyste i parzyste, tj. nieparzyste i parzyste alkany tworzą inny trend temperatury topnienia wraz ze wzrostem długości łańcucha.

Izomery alkanów o rozgałęzionych łańcuchach wykazują znaczne różnice we właściwościach ze względu na różnice w ich kształcie i wielkości w porównaniu z alkanami o łańcuchu prostym. Na przykład w pentanie temperatura topnienia różni się drastycznie pomiędzy formami o łańcuchu prostym i rozgałęzionym. Prostołańcuchowy n-pentan topi się w temperaturze -129,8°C, natomiast rozgałęziona forma izopentanu topi się w -161,0°C. Neopentan, symetrycznie rozgałęziony izomer, topi się w znacznie wyższej temperaturze -16,5°C.

Szereg nierozgałęzionych alkanów, w których kolejne człony różnią się grupą −CH₂−, nazywa się szeregiem homologicznym, a każdy alkan w tym szeregu jest homologiem.

Alkany są niepolarne ze względu na niewielką różnicę elektroujemności między węglem a wodorem, co oznacza, że między ich cząsteczkami występują tylko słabe siły dyspersji.

Siła tych sił wzrasta proporcjonalnie do długości łańcucha węglowego. Pierwsze cztery alkany są gazami o temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym; umiarkowane łańcuchy węglowe, od C₅ do C₁₇, są cieczami. Homologi powyżej C₁₇ są ciałami stałymi.

Siły dyspersji wpływają również na różne właściwości fizyczne alkanów.

W obrębie szeregu homologicznego, wraz ze wzrostem powierzchni, zwiększają się również siły dyspersji między cząsteczkami. Ponieważ do oddzielenia cząsteczek potrzeba więcej energii, temperatury wrzenia nierozgałęzionych alkanów rosną z każdym dodatkowym węglem.

W przeciwieństwie do alkanów o prostym łańcuchu, alkany rozgałęzione są zwarte i bardziej kuliste, co zmniejsza obszar oddziaływania i siłę sił międzycząsteczkowych. Dlatego w porównaniu z formą nierozgałęzioną, izomery rozgałęzione wrzą w niższych temperaturach.

Podczas gdy temperatury wrzenia alkanów o prostym łańcuchu rosną stopniowo wraz z liczbą atomów węgla, ich temperatury topnienia nie rosną równomiernie. Zamiast tego trend zmienia się między parzystymi i nieparzystymi elementami szeregu homologicznego.

W stanie krystalicznym nawet alkany pakują się ciasno w zygzakowatym układzie. W konsekwencji cząsteczki doświadczają silniejszego przyciągania, co prowadzi do wyższych temperatur topnienia.

Dla porównania, nieparzyste alkany są mniej ciasno upakowane ze względu na ich równoległe ułożenie, co skutkuje słabszymi interakcjami i niższymi temperaturami topnienia.

Temperatury topnienia rozgałęzionych alkanów są podyktowane ich symetrią molekularną.

Rozgałęzione alkany o znacznej symetrii topią się w temperaturach wyższych niż węglowodór nierozgałęziony. Dla porównania, asymetryczne rozgałęzienia prowadzą do niższej temperatury topnienia.

Alkany są nierozpuszczalne w wodzie ze względu na niezdolność do tworzenia wiązań wodorowych. Dodatkowo, ponieważ ich gęstość jest mniejsza niż 1 g/^cm3, unoszą się na wodzie.