Alkanlar

Ekim sonunda Eylül, amcası Fikret'le birlikte yaylada bir gece çadırda kaldı. Sabah çadırın brandası kırağıyla kaplıydı ve çay suyu için kurulan iki küçük kamp ocağından yalnız biri tutuştu. Eylül'ün getirdiği gaz kartuşunun içerik satırında «bütan», amcasınınkinde «izobütan» yazıyordu. Eylül sorunu kendi kartuşunun boşalmasına bağladı: «İkisinin de formülü C₄H₁₀. Aynı formül aynı madde demek; fark olsa olsa miktarda.» Fikret kartuşu kulağının yanında salladı; içeride sıvı çalkalanıyordu. Kartuşu birkaç dakika avuçlarının arasında tuttu, yeniden ocağa taktı ve bu kez cılız, mavi bir alev belirdi. Komşu ocak ise soğuğa hiç aldırmadan yanmayı sürdürüyordu. Eylül iki kartuşa bir süre baktı: dört karbon ve on hidrojen, ayazda biri sıvı kalırken öteki nasıl gaza dönebiliyordu?

• Düz zincirli ve dallı alkanları IUPAC kurallarına göre adlandırır, verilen bir adın kurala uyup uymadığını denetlersin.
• CₙH₂ₙ₊₂ genel formülünden bir alkanın kapalı formülünü, yapı izomerlerini ve tam yanmasındaki madde miktarlarını bulursun.
• Alkanların kaynama noktalarını zincir uzunluğuna ve dallanmaya göre sıralarsın.
• Halojenlenmenin ışıkla yürüyen bir yer değiştirme tepkimesi olduğunu basit ürünleri üzerinden açıklarsın.

Hidrokarbon ve doymuşluk

Yalnız karbon ve hidrojen atomlarından kurulu bileşiklere hidrokarbon denir. Kamp kartuşundaki gaz, mutfak tüpündeki propan, benzinin büyük bölümü ve plastik poşetin zinciri bu ailedendir. Hidrokarbonları birbirinden ayıran şey karbonlar arasındaki bağın türüdür. Bu modül en sade üyeyle, karbonları birbirine yalnız tekli bağla bağlanmış hidrokarbonlarla başlıyor.

Tekli bağlı bir zincirde her karbon, dört bağından komşu karbonlara gitmeyenleri hidrojene verir. Molekül, iskeletini bozmadan taşıyabileceği en fazla hidrojeni taşır; araya bir hidrojen daha sığmaz. Bu yüzden böyle bileşiklere doymuş hidrokarbon, açık zincirli olanlarına alkan denir. Eski adları parafindir; Latince «az ilgi» anlamındaki bir ifadeden türeyen bu ad, alkanların tepkimeye isteksizliğini anlatır. «Hibritleşme» dersinin diliyle alkanlardaki her karbon sp³ hibritleşmiştir: dört bağ bir düzgün dörtyüzlünün köşelerine yönelir ve aralarında 109,5°'ye yakın açılar oluşur. Kâğıda dümdüz yazdığımız zincir gerçekte zikzak çizer.

Genel formül ve homolog seri

Hidrojen sayısını bağ hesabından bulabiliriz. n karbonlu açık bir zincirde komşu karbonları n − 1 tekli bağ birbirine tutturur; bunların her biri iki karbonun birer bağını tüketir. Karbonların toplam 4n bağından 2(n − 1) tanesi böylece harcanır; geriye kalan 4n − 2n + 2 = 2n + 2 bağın her birine bir hidrojen düşer. Sonuç alkanların genel formülüdür: CₙH₂ₙ₊₂. Hesapta dalların nerede durduğu hiç geçmediği için formül dallı zincirlerde de değişmez.

Ardışık iki alkan arasındaki fark tek bir CH₂ birimidir; mol kütlesi her adımda 14 g/mol artar. Aynı genel formüle uyan, benzer yapılı ve benzer kimyasal davranışlı bu diziye homolog seri denir. İlk dört üyenin adı tarihseldir, beşten sonrası sayı köklerinden gelir:

Tablodaki adlar yalnız dalsız (düz) zincirler içindir. Adın sonundaki «-an» eki doymuşluğu, kök de zincirdeki karbon sayısını söyler.

Alkil grupları

Bir alkandan bir hidrojen koparılınca geriye bağ yapmaya hazır bir parça kalır. Bu parçaya alkil grubu denir; genel formülü CₙH₂ₙ₊₁– biçimindedir ve kısaca R– ile gösterilir. Adı, alkan adındaki «-an» yerine «-il» getirilerek kurulur: metandan metil (CH₃–), etandan etil (CH₃–CH₂–, kısaca C₂H₅–). Üç karbonlu parçada hidrojenin nereden koptuğu önem kazanır. Uçtaki karbondan koparsa propil (CH₃–CH₂–CH₂–), ortadaki karbondan koparsa izopropil, (CH₃)₂CH–, oluşur. Dallı alkanları adlandırırken ana zincire takılan her yan dal böyle bir alkil grubudur.

IUPAC kurallarıyla adlandırma

Kartuştaki iki maddenin ayrı adları olması, adın formülden fazlasını taşıması gerektiğini gösterir. Uluslararası kurallar (IUPAC) bir alkanın adını dört adımda kurar:

1. En uzun karbon zincirini bul. Ana zincir, formülün yazıldığı yatay satır olmak zorunda değildir; bir yan daldan girip öbür uçtan çıkan yol daha uzunsa ana zincir odur. Eşit uzunlukta iki yol varsa daha çok dal taşıyan seçilir.
2. Zinciri dala en yakın uçtan numaralandır. İlk dal iki uçtan eşit uzaktaysa ikinci dala bakılır; bütün numaralar yine eşit kalıyorsa alfabede önce gelen dala küçük numara verilir.
3. Dalları numarasıyla yaz. Aynı dal birden çok kez varsa di-, tri-, tetra- ön eki kullanılır ve her dalın numarası ayrı ayrı yazılır: iki metil aynı karbondaysa «2,2-dimetil».
4. Farklı dalları alfabetik sırayla diz, ana zincirin adını sona bitişik yaz. Di- ve tri- ön ekleri sıralamada hesaba katılmaz: «etil», «dimetil»den önce gelir, çünkü sıralamada e ile m karşılaştırılır.

Yazım düzeni şöyledir: numaralar arasında virgül, numara ile ad arasında kısa çizgi kullanılır. CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₃ yapısında en uzun zincir dört karbonludur ve metil, sağdaki uçtan sayınca ikinci karbonda durur: 2-metilbütan. Soldan başlayan sayım «3-metilbütan» verirdi; küçük numara kuralı bunu eler. İkinci ve üçüncü karbonlarında birer metil taşıyan beş karbonlu zincirde dallar bir uçtan 2 ve 3, öbür uçtan 3 ve 4 numarayı alır; doğru ad 2,3-dimetilpentandır.

Birinci adımın tuzağı yan daldaki gizli karbonlardır. CH₃–CH(C₂H₅)–CH₂–CH₂–CH₃ yatay satırda beş karbonlu görünür, ama etil dalının iki karbonu ikinci karbondan sonra ana zinciri sürdürür. Etilin ucundan başlayıp sağdaki CH₃'e giden yol altı karbonludur ve tek dal olarak bir metil kalır: ad «2-etilpentan» değil, 3-metilhekzandır. Bir adda «1-metil» ya da «2-etil» görmek bu hatanın işaretidir; uçtaki bir metil ya da ikinci karbondaki bir etil ana zinciri bir adım uzatır.

Yapı izomerliği

Eylül'ün iki kartuşu bu kuralların neden gerekli olduğunu gösterir. Dört karbon iki biçimde dizilebilir: dalsız zincir CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ bütandır; üç karbonlu zincirin ortasına bir metil takılan CH₃–CH(CH₃)–CH₃ ise 2-metilpropan, yaygın adıyla izobütandır. İkisinin kapalı formülü de C₄H₁₀, mol kütlesi de 58 g/mol'dür, ama atomların bağlanma sırası farklıdır. Kapalı formülleri aynı, yapıları farklı bileşiklere yapı izomerleri denir. Beş karbonda üç izomer vardır: pentan, 2-metilbütan ve 2,2-dimetilpropan. Altı karbonda sayı beşe, yedi karbonda dokuza çıkar. Bu yüzden C₅H₁₂ gibi bir kapalı formül tek bir maddeyi değil, bir izomer grubunu belirtir. İzomer türlerinin tamamı modülün ilerisindeki «İzomeri» dersinde toplanacak; alkanlarda karşılaşılan tür zincir izomerliğidir.

Kaynama noktası: zincir ve dal

Alkan molekülleri apolardır; molekülleri bir arada tutan tek çekim, TYT'de «Van der Waals etkileşimleri» adıyla gördüğümüz ailenin, kalıcı dipolü olmayan moleküller arasında da iş gören türü, yani London kuvvetleridir. Bu kuvvet, molekülün elektron bulutu büyüdükçe ve iki molekülün birbirine değdiği yüzey genişledikçe güçlenir. Homolog seride zincir uzadıkça ikisi birlikte artar; tablodaki kaynama noktalarının metandan dekana düzenli yükselmesi bundandır. İlk dört alkan oda koşullarında gaz, sonrakiler bir süre sıvıdır; daha uzun zincirliler (parafin mumu gibi) katıdır.

Karbon sayısı aynı kaldığında belirleyici olan biçimdir. Düz zincirli moleküller yan yana uzanıp geniş bir yüzey boyunca birbirine değebilir. Dallar molekülü küreye yaklaştırır, temas yüzeyi daralır, London kuvveti zayıflar ve kaynama noktası düşer. Pentan yaklaşık 36 °C'de, 2-metilbütan yaklaşık 28 °C'de, 2,2-dimetilpropan ise yaklaşık 9,5 °C'de kaynar. Kancadaki gözlemin açıklaması da budur: bütan yaklaşık −0,5 °C'de, izobütan yaklaşık −11,7 °C'de kaynar. Sıfırın altındaki bir sabahta bütanın buhar basıncı dışarıdaki hava basıncının altında kalır ve kartuştan ocağa gaz akmaz; izobütan aynı soğukta buharlaşmayı sürdürür. Avuçta ısınan kartuşun yeniden yanması, buhar basıncının sıcaklıkla artmasından gelir.

Alkanlar suda çözünmez; su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarını bozacak bir çekim kuramazlar. Yoğunlukları sudan küçüktür, bu yüzden sıvı alkanlar suyun üstünde ayrı bir tabaka oluşturur. Apolar maddeleri ise iyi çözerler.

Halojenlenme: yer değiştirme

Alkanlar oda koşullarında asitlerle, bazlarla ve çoğu yükseltgenle tepkime vermez. Klor ya da brom ise ışık (mor ötesi ışın) ya da yüksek sıcaklık altında bir alkanla tepkimeye girer: halojen molekülünün bir atomu bir hidrojenin yerini alır, öteki atom o hidrojenle birleşip hidrojen halojenür oluşturur. Etanla klor arasında ilk basamak şöyledir:

C₂H₆ + Cl₂ → C₂H₅Cl + HCl (ışık)

Molekül iskeletine bir atom eklenmez, yalnız bir hidrojen klorla değiş tokuş edilir; bu yüzden tepkimenin türü yer değiştirme (sübstitüsyon) tepkimesidir. Ürünün adı halojenin dal gibi okunmasıyla kurulur: C₂H₅Cl kloroetandır. Klor yeterliyse ikinci, üçüncü hidrojen de yer değiştirir ve bir ürün karışımı oluşur. Propanda hidrojenin uçtaki ya da ortadaki karbondan kopmasına göre iki tek klorlu ürün çıkar: 1-kloropropan ve 2-kloropropan. Hangi hidrojenlerin eşdeğer olduğunu molekülün simetrisi belirler.

Yanma

Alkanların asıl kullanım alanı yakıttır. Yeterli oksijenle tam yanmada bütün karbonlar CO₂'ye, bütün hidrojenler suya geçer ve ısı açığa çıkar. Atomları saymak katsayıları verir: n karbon n mol CO₂, 2n + 2 hidrojen n + 1 mol su eder. Ürünlerdeki oksijen atomları 2n + (n + 1) = 3n + 1 tane olduğundan gereken O₂ (3n + 1)/2 moldür:

CₙH₂ₙ₊₂ + (3n + 1)/2 O₂ → n CO₂ + (n + 1) H₂O

Hekzan için bu katsayılar kesirli çıkar (9,5 mol O₂); denklem ikiyle genişletilince tam sayılı olur: 2C₆H₁₄ + 19O₂ → 12CO₂ + 14H₂O. Alkanlarda suyun molü her zaman CO₂'nin molünden bir fazladır; ürünlerden geriye giderken bu fark işe yarar. Hava kısıtlı olduğunda ise karbonun bir bölümü CO₂'ye kadar gidemez; zehirli karbon monoksit ve is ortaya çıkar.

Halka kapanınca: sikloalkanlar

Zincirin iki ucu birbirine bağlanırsa halkalı doymuş hidrokarbonlar, yani sikloalkanlar oluşur. Uçlardaki iki karbon birer hidrojenini bırakıp birbirine bağlandığı için genel formül CₙH₂ₙ'dir ve en küçük üye üç karbonlu siklopropandır. Siklohekzanda (C₆H₁₂) altı karbonun her biri iki hidrojen taşır; bütün bağlar tekli olduğundan molekül hâlâ doymuştur.

Bağ ikileşince

Sikloalkanlar hidrojen eksikliğini bir halkayla karşıladı. Aynı iki hidrojen, halka kurmadan, iki komşu karbonun ikinci bir bağ paylaşmasıyla da eksilebilir. Ortaya yine CₙH₂ₙ formülü çıkar, ama bu kez zincir doymamıştır ve ikili bağ, alkanların yalnız yer değiştirmeyle aşabildiği isteksizliği ortadan kaldırır. «Alkenler» dersi bu ikili bağın adlandırmaya hangi kuralı eklediğini ve molekülün üzerine atom katan katılma tepkimesini ele alıyor.

Örnek 1 — Yatay satırın yanılttığı ad

Soru: CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH(C₂H₅)–CH₃ biçiminde yazılmış alkana IUPAC kurallarına göre hangi ad verilir?

• A) 2-etil-3-metilpentan
• B) 4-etil-3-metilpentan
• C) 3,4-dimetilhekzan
• D) 2,3-dimetilhekzan
• E) 3,4-dimetilheptan

Çözüm: Yatay satırdaki zincir beş karbonludur, ama sağdan ikinci karbona takılı etil dalı ana zinciri uzatır. Soldaki CH₃'ten başlayıp etilin ucunda biten yol altı karbondur ve geriye iki metil kalır. Bu zincirde metiller hangi uçtan sayılırsa sayılsın 3 ve 4 numaraya düşer: 3,4-dimetilhekzan. A ve B beş karbonlu satırı ana zincir sayar; ikinci karbondaki bir etil görmek bu hatanın işaretidir. D metilleri yanlış karbonlara yerleştirir, E ise karbonları bir fazla saymıştır; kapalı formül C₈H₁₈ olduğundan dokuz karbonlu bir zincir olamaz. Cevap: C.

Örnek 2 — Eşit uzunlukta iki zincir

Soru: CH₃–CH(CH₃)–CH(C₂H₅)–CH₂–CH₂–CH₃ yapısının IUPAC adı hangisidir?

• A) 2-metil-3-etilhekzan
• B) 3-etil-2-metilhekzan
• C) 4-etil-5-metilhekzan
• D) 3-izopropilhekzan
• E) 3-etil-2-metilheptan

Çözüm: Altı karbonlu iki yol vardır. Yatay satır boyunca giden yolda iki dal (metil ve etil) bulunur. Etilin ucundan girip sağdaki CH₃'te biten yol da altı karbonludur, ama üzerinde tek bir dal, izopropil kalır. Uzunluk eşit olduğunda çok dallı zincir seçilir, D elenir. Soldan numaralandırınca dallar 2 ve 3, sağdan 4 ve 5 numarayı alır; C yanlış uçtan saymıştır. Etil alfabede metilden önce geldiği için numarası büyük olsa da önce yazılır; A bu sırayı bozar. Toplam dokuz karbonlu molekülde yedi karbonlu bir ana zincir yoktur, E elenir. Cevap: B.

Örnek 3 — İki kuralı birlikte kullanmak

Soru: Pentan, hekzan, 2-metilpentan ve 2,2-dimetilbütan için kaynama noktası sıralaması hangisidir?

• A) pentan > 2,2-dimetilbütan > 2-metilpentan > hekzan
• B) hekzan > 2,2-dimetilbütan > 2-metilpentan > pentan
• C) hekzan > pentan > 2-metilpentan > 2,2-dimetilbütan
• D) 2,2-dimetilbütan > 2-metilpentan > hekzan > pentan
• E) hekzan > 2-metilpentan > 2,2-dimetilbütan > pentan

Çözüm: Hekzan, 2-metilpentan ve 2,2-dimetilbütan C₆H₁₄ izomerleridir; aralarında dal sayısı arttıkça temas yüzeyi daralır ve kaynama noktası düşer: hekzan > 2-metilpentan > 2,2-dimetilbütan. Pentan ise bir karbon eksik, elektron bulutu daha küçük bir moleküldür. Ölçülmüş değerler (yaklaşık 69, 60, 50 ve 36 °C) bu örnekte iki dallı altı karbonlunun bile pentandan yüksekte kaldığını gösterir. C seçeneği dallanmanın etkisini karbon sayısının etkisinden büyük sanmış, D ise dallanmayı ters yönde uygulamıştır. Cevap: E.

Örnek 4 — Ürünlerden alkana

Soru: 0,2 mol alkan yeterli oksijenle yandığında ürünlerde 1,2 mol CO₂ bulunuyor. Yanmanın tükettiği O₂, 0 °C ve 1 atm'de kaç litre tutar? (Bu koşulda gazın molar hacmini 22,4 L kabul ediniz.)

• A) 42,56 L oksijen
• B) 40,32 L oksijen
• C) 26,88 L oksijen
• D) 85,12 L oksijen
• E) 49,28 L oksijen

Çözüm: Her mol alkan n mol CO₂ verir: 1,2 / 0,2 = 6, alkan C₆H₁₄'tür. Mol başına gereken O₂, (3 × 6 + 1)/2 = 9,5 moldür; 0,2 molde 1,9 mol O₂ harcanır ve bu 1,9 × 22,4 = 42,56 L eder. B, (3n + 1)/2 yerine 3n/2 alıp formüldeki birin payını atlamıştır; C, oluşan CO₂'nin hacmidir; D, O₂ molü yerine oksijen atomu molünü kullanmıştır. Cevap: A.

• Yatay satırı ana zincir sanmak. Uçtaki bir metil ya da ikinci karbondaki bir etil, zinciri uzatan bir yolun habercisidir; «2-etilbütan» gibi bir ad yanlış zincir seçildiğini gösterir, doğrusu 3-metilpentandır.
• Dalları numara sırasıyla yazmak. Dallar alfabetik dizilir: 3-etil-2-metil doğru, 2-metil-3-etil yanlıştır. Di- ve tri- ön ekleri bu sıralamada sayılmaz.
• Aynı karbondaki iki dal için tek numara yazmak. «2-dimetilpropan» eksiktir; her dalın numarası ayrı yazılır: 2,2-dimetilpropan.
• Formülü aynı olanları aynı madde saymak. Bütan ile 2-metilpropan C₄H₁₀ formülünü paylaşır ama kaynama noktaları yaklaşık 11 °C farklıdır; izomerler ayrı maddelerdir.
• Halojenlenmeyi katılma sanmak. Klor alkana eklenmez, bir hidrojenin yerini alır; ikinci ürün HCl'dir. C₂H₆Cl₂ gibi bir ürün dört bağ kuralını çiğner.
• Yanmada suyu n mol yazmak. Alkanda su n + 1 moldür, gereken O₂ (3n + 1)/2 moldür; birin payı unutulunca bütün hesap kayar.