Cykloalkany

To klasa węglowodorów cykloalifatycznych. Związki te charakteryzują się występowaniem pierścienia zbudowanego z minimum trzech atomów węgla, połączonych wiązaniami pojedynczymi. Ich wzór ogólny to ${\text{C}}_n{\text{H}}_{2n}$, gdzie n oznacza liczbę atomów węgla. Poniżej przedstawiono osiem pierwszych cykloalkanówcykloalkanycykloalkanów w szeregu homologicznym.

Cykloalkany różnią się od alkanów budową, jednak wykazują do nich bardzo podobne właściwości fizykochemiczne. Poniżej przedstawiono najważniejsze właściwości fizyczne cykloalkanów.

Tabela nr 1. Właściwości fizyczne pierwszych ośmiu węglowodorów w szeregu homologicznym cykloalkanów.

Stan skupienia

Stan skupienia cykloalkanów zmienia się wraz ze wzrostem ilości atomów węgla budujących cząsteczkę.

Cyklopropan i cyklobutan są więc gazami w temperaturze pokojowej, podczas gdy cyklopentan, cykloheksan i cykloheptan są cieczami. Pozostałe cykloalkany w temperaturze pokojowej to ciała stałe. Wynika to z coraz większej ilości oddziaływań van der Waalsa, czyli sił międzycząsteczkowych, ze względu na coraz większe pierścienie, czyli mówiąc inaczej – większą możliwość kontaktu między cząsteczkami. Więcej sił międzycząsteczkowych oznacza, że należy dostarczyć więcej energii do tego, aby rozerwać wiązania w cząsteczce.

Temperatura wrzenia i topnienia

Temperatury wrzenia cykloalkanów wykazują stopniowy wzrost wartości wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej, czyli ilości atomów węgla budujących pierścień.

Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce, siły van der Waalsa są coraz liczniejsze, zatem cykloalkany będą miały coraz wyższe temperatury wrzenia. W przypadku temperatur topnienia, zauważalny jest stopniowy wzrost wartości wraz ze wzrostem mas cząsteczkowych, ale zależność ta nie jest regularna, jak pokazano na poniższym wykresie. Powodem tego są różne kształty cząsteczek cykloalkanów, z których wynika różne upakowanie w strukturze krystalicznej.

R1O866AxmyDRt

Ilustracja przedstawia zależność temperatur topnienia i wrzenia od wielkości pierścienia cykloalkanu. Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w pierścieniu temperatura wrzenia i topnienia wzrasta, jednak zmiany temperatury topnienia nie są tak wyraźne jak temperatur wrzenia.

Indeks dolny Źródło: John McMurry, Chemia organiczna, Warszawa 2000. Indeks dolny koniec_{Źródło: John McMurry, Chemia organiczna, Warszawa 2000.}

Gęstość

Gęstość cykloalkanów wzrasta stopniowo wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej.

Wartości gęstości cykloalkanów są wyższe niż dla odpowiadających im n‑alkanów. Wynika to również z większej ilości oddziaływań ven der Waalsa pomiędzy cząsteczkami, ponieważ zwiększający się pierścień pozwala na coraz większy obszar oddziaływań.

Wartości gęstości cykloalkanów są mniejsze od wartości gęstości wody wynoszącej 1 $\frac{\mathrm{g}}{{\mathrm{cm}}^3}$. Wynika stąd, że cykloalkany, będące zarówno cieczami, jak i ciałami stałymi, unoszą się na powierzchni wody.

Lotność

LotnośćlotnośćLotność cykloalkanów maleje stopniowo wraz z ilością atomów węgla tworzących pierścień. Taka zależność wynika z coraz większych mas cząsteczkowych cykloalkanów.

Rozpuszczalność

Cykloalkany, jako związki niepolarne, bardzo dobrze rozpuszczają sięrozpuszczalnośćrozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, niepolarnych, np. alkoholach czy eterach (np. etanolu oraz eterze dietylowym). Natomiast praktycznie nie rozpuszczają się w wodzie, czyli rozpuszczalniku polarnym. Wynika to z rodzaju wiązań występujących w cykloalkanach. Różnica elektroujemności między atomami węgla jest równa 0, natomiast między atomami węgla i wodoru jest zbyt niska, aby wiązania były spolaryzowane. Wiązania w cykloalkanach są więc kowalencyjne niespolaryzowane.

R4qEFNjowYXSU

Na ilustracji znajdują się dwie probówki. W pierwszej znajdują się dwie niemieszające się ze sobą ciecze: cykloheksan oraz woda. Można wyróżnić dwie odrębne fazy. Woda wykazująca wyższą gęstość stanowi fazę niższą, podczas gdy cykloheksan znajduje się powyżej. W drugiej probówce znajduje się mieszanina eteru dietylowego i cykloheksanu. Związki te mieszają się ze sobą, nie można wyróżnić faz.

Co ciekawe, cykloalkany ciekłe są dobrymi rozpuszczalnikami dla innych związków organicznych.

Spalanie

Poniżej przedstawiono entalpię spalania (efekt energetyczny reakcji spalania) czterech pierwszych węglowodorów, które tworzą szereg homologiczny cykloalkanów.

Wzór cykloalkanu	$∆{\mathrm{H}}_{\mathrm{spalania}}$$\left[\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\right]$	$\frac{∆{\mathrm{H}}_{\mathrm{spalania}}}{{\mathrm{CH}}_2}$$\left[\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}\right]$
R2HMk1MK99Vjp Na ilustracji znajduje się wzór szkieletowy cyklopropanu, który przedstawiono w postaci trójkąta.	-499,5	-166,6
RIENOGF4y91xj Na ilustracji znajduje się wzór szkieletowy cyklobutanu, który przedstawiono w postaci kwadratu.	-655,9	-164,0
R90ZiikO6BrAc Na ilustracji znajduje się wzór szkieletowy cyklopentanu, który przedstawiono w postaci pięciokąta.	-793,5	-158,7
R6WdwB3OHNOml Na ilustracji znajduje się wzór szkieletowy cykloheksanu, który przedstawiono w postaci sześciokąta.	-944,5	-157,4

Bezwzględna wartość entalpii spalania rośnie wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cykloalkanie. Należy pamiętać o tym, że ujemny znak odpowiada efektowi energetycznemu, towarzyszącemu reakcji spalania, a więc jest to reakcja egzoenergetyczna. Natomiast stosunek bezwzględnej wartości entalpii spalania do liczby grup metylenowych ${\text{CH}}_2$ w cząsteczkach cykloalkanów maleje. Wzrost $∆{\mathrm{H}}_{\mathrm{spalania}}$ można przypisać większej ilości sił dyspersyjnych Londona – jednego z rodzajów sił międzycząsteczkowych van der Waalsa, charakterystycznych dla cząsteczek niepolarnych. Z kolei spadek wartości $\frac{∆{\mathrm{H}}_{\mathrm{spalania}}}{{\mathrm{CH}}_2}$ można przypisać zmniejszeniu naprężeń w coraz większych pierścieniach, które wynikają z coraz większej wartości kątów pomiędzy wiązaniami.

Pozostałe właściwości fizykochemiczne

1. Niższe cykloalkany (mające mniej atomów węgla) są szczególnie łatwopalne i tworzą wybuchowe mieszaniny z powietrzem (tlenem).

2. Cykloalkany są węglowodorami nasyconymi, ponieważ pomiędzy atomami węgla w pierścieniu występują wyłącznie wiązania pojedyncze.

3. Cykloalkany charakteryzują się niską reaktywnością ze względu na silne wiązania pojedyncze węgiel‑węgiel i węgiel‑wodór, z wyjątkiem mniejszych pierścieni, takich jak cyklopropan. Jest on najbardziej reaktywnym związkiem w porównaniu z innymi cykloalkanami.

4. Cyklopropan oraz cyklobutan to związki nietrwałe, ponieważ kąty pomiędzy wiązaniami (60° oraz 90°) powodują duże naprężenia w cząsteczce, osłabiając wiązania między atomami węgla.

R1RalojthaX6h

Na ilustracji znajduje się model kulkowy cząsteczki cyklopropanu, można wyróżnić dwa rodzaje kulek oznaczające atomy wodoru(sześć mniejszych kul) i węgla(trzy większe kule), Kule połączone są ze sobą grubymi kreskami. Kule oznaczające atomy węgla tworzą cztery wiązania – dwa z sąsiednimi atomami węgla oraz z dwoma atomami wodoru. Kąt między wiązaniami węgiel – węgiel – węgiel wynosi 60 stopni.

R1bhumYd2kqEc

Na ilustracji znajduje się model kulkowy cząsteczki cyklobutanu, można wyróżnić dwa rodzaje kulek oznaczające atomy wodoru(osiem mniejszych kul) i węgla(cztery większe kule), Kule połączone są ze sobą grubymi kreskami. Kule oznaczające atomy węgla tworzą cztery wiązania – dwa z sąsiednimi atomami węgla oraz z dwoma atomami wodoru. Kąt między wiązaniami węgiel – węgiel – węgiel wynosi 90 stopni.

5. Cykloalkany to substancje mające obojętny odczyn oraz charakter.

Słownik

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek  M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

McMurry J., Chemia organiczna, tłum. H. Koroniak i in., t. 4, Warszawa 2018.