Come si può dedurre dal loro nome, paraffine (poco affini, poco reattivi), gli alcani non possiedono una grande reattività dal punto di vista chimico; le uniche reazioni a cui partecipano di fatto sono la combustione e l’alogenazione per via radicalica (visita il link per maggiori dettagli). Vediamo invece le proprietà fisiche.
In base al numero di carboni che compongono la molecola e alla loro disposizione, gli alcani a temperatura ambiente si possono presentare in tutti e tre gli stati fisici (gassoso, liquido, solido).
A causa dell’assenza di eteroatomi elettronegativi, gli alcani non presentano dipoli elettrici, dunque le uniche interazioni tra le molecole sono interazioni di tipo Van der Waals.
All’aumentare della lunghezza della catena dunque, le interazioni tra molecole aumentano e ciò causa l’aumento dei punti di fusione ed ebollizione salendo lungo la serie omologa (in cui l’alcano successivo presenta un gruppo metilenico -CH2– in più, ad esempio: metano-etano-propano-butano-pentano-etc…).
Si osserva che, a parità di formula bruta, molecole più ramificate presentano punti di ebollizione e fusione minori, poiché le interazioni inter-molecolari sono minori.
Rotazioni e Conformeri
Gli alcani possiedono soltanto legami singoli carbonio-carbonio (oltre a legami C-H): attorno a questi legami i gruppi collegati possono ruotare.
Ad esempio, consideriamo l’etano CH3CH3:
L’immagine a fianco è solo una delle possibili configurazioni possibili che possiede la molecola, in particolare questa è detta sfalsata.
Come si osserva dall’immagine a sinistra infatti, gli idrogeni dei due metili si alternano.
A temperatura ambiente però i due gruppi metili possono ruotare liberamente attorno al legame singolo C-C acquistando altre configurazioni.
Un’altra tra le infinite possibili è quella eclissata, in cui gli idrogeni si trovano faccia a faccia.
Chiaramente le diverse configurazioni (dette conformeri), presentano energie differenti:
la configurazione eclissata si trova ad energia maggiore, a causa dell’interazione tra le nuvole elettroniche degli idrogeni che tendono a respingersi (ingombro sterico), mentre la configurazione sfalsata si trova ad energia più bassa.
In ogni caso a temperatura ambiente si possono trovare entrambe i conformeri.
La differenza di energia tra i due nel caso dell’etano è così bassa (circa 3 kcal/mol) che c’è un continuo passaggio tra le diverse conformazione.
Se consideriamo l’omologo superiore, il propano, si ha una situazione simile:
- Una configurazione sfalsata, ad energia più bassa
- Una configurazione eclissata ad energia maggiore
In questo caso, avendo un metile al posto di un idrogeno, nella configurazione eclissata l’ingombro sterico è maggiore, di conseguenza la differenza di energia tra i due conformeri è maggiore (3,2 kcal/mol).
Se passiamo al butano la situazione si fa più complicata; questa volta infatti si hanno più conformazioni possibili.
- Il conformero sfalsato con i metili dalla parte opposta, detto anti
- Il conformero completamente sfalsato con i due metili vicini , detto gauche
- Il conformero in cui i due metili sono eclissati
- La configurazione in cui il metile è eclissato con un idrogeno
Tra le tre possibili configurazioni, quella sfalsata anti è quella a più bassa energia, mentre quella con i metili eclissati è il conformero ad energia più alta (la differenza tra le due è di 4,9 kcal/mol). L’energia della configurazione gauche ed eclissata con i metili di fronte agli idrogeni si pongono invece tra le altre due.