Przeczytaj
Czym są cykloalkany?
Cykloalkany
To klasa węglowodorów cykloalifatycznych. Związki te charakteryzują się występowaniem pierścienia zbudowanego z minimum trzech atomów węgla, połączonych wiązaniami pojedynczymi. Ich wzór ogólny to , gdzie n oznacza liczbę atomów węgla. Poniżej przedstawiono osiem pierwszych cykloalkanówcykloalkanów w szeregu homologicznym.
Właściwości fizykochemiczne
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.
Nazwa | Wzór sumaryczny | temperatura wrzenia [°C] | Temperatura topnieniaTemperatura topnienia [°C] | GęstośćGęstość (T=20°C) |
---|---|---|---|---|
Cyklopropan | -33,0 | -128,0 | 0,617 | |
Cyklobutan | 12,5 | -91,0 | 0,720 | |
Cyklopentan | 49,2 | -93,9 | 0,751 | |
Cykloheksan | 80,7 | 6,5 | 0,778 | |
Cykloheptan | 118,4 | -12,0 | 0,811 | |
Cyklooktan | 149,0 | 14,6 | 0,834 |
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.
Indeks dolny Źródło: John McMurry, Chemia organiczna, Warszawa 2000. Indeks dolny koniecŹródło: 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 . Wynika stąd, że cykloalkany, będące zarówno cieczami, jak i ciałami stałymi, unoszą się na powierzchni wody.
Lotność
LotnośćLotność 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 sięrozpuszczają 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.
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 | ||
---|---|---|
-499,5 | -166,6 | |
-655,9 | -164,0 | |
-793,5 | -158,7 | |
-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 w cząsteczkach cykloalkanów maleje. Wzrost można przypisać większej ilości sił dyspersyjnych Londona – jednego z rodzajów sił międzycząsteczkowych van der Waalsa, charakterystycznych dla cząsteczek niepolarnych. Z kolei spadek wartości można przypisać zmniejszeniu naprężeń w coraz większych pierścieniach, które wynikają z coraz większej wartości kątów pomiędzy wiązaniami.
Pozostałe właściwości fizykochemiczne
Niższe cykloalkany (mające mniej atomów węgla) są szczególnie łatwopalne i tworzą wybuchowe mieszaniny z powietrzem (tlenem).
Cykloalkany są węglowodorami nasyconymi, ponieważ pomiędzy atomami węgla w pierścieniu występują wyłącznie wiązania pojedyncze.
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.
Cyklopropan oraz cyklobutan to związki nietrwałe, ponieważ kąty pomiędzy wiązaniami (60° oraz 90°) powodują duże naprężenia w cząsteczce, osłabiając wiązania między atomami węgla.
Cykloalkany to substancje mające obojętny odczyn oraz charakter.
Słownik
węglowodory nasycone o budowie pierścieniowej (alicykliczne związki); ich właściwości chem. są podobne do właściwości alkanów; występują w ropie naftowej, zwłaszcza cyklopentan i cykloheksan; stosowane jako rozpuszczalniki w syntezie organicznej; właściwości fizyczne substancji i charakterystyczne cechy danej substancji, takie jak: stan skupienia, barwa, rozpuszczalność (rozpuszczanie to zjawisko fizyczne), przewodnictwo elektryczne, przewodnictwo cieplne, temperatury wrzenia i topnienia, twardość, kruchość, kowalność, połysk, gęstość, właściwości magnetyczne, temperatura wrzenia, w której substancja zmienia stan skupienia z ciekłego na gazowy (wrze); im niższe jest ciśnienie atmosferyczne, tym niższa jest temperatura wrzenia cieczy
temperatura, w której substancja zmienia stan skupienia ze stałego na ciekły (topi się); temperatura topnienia zależy od ciśnienia w otoczeniu
zdolność substancji do tworzenia z innymi substancjami układów jednorodnych - roztworów; miarą rozpuszczalności jest maksymalna ilość substancji rozpuszczająca się w określonej ilości ciekłego rozpuszczalnika w danych warunkach (temperatury i ciśnienia);
stosunek masy pewnej ilości substancji do zajmowanej przez nią objętości
cecha substancji mających postać gazu lub łatwo przechodzących w stan gazowy
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.