유기화학- 알케인

알케인(Alkane)

사슬 구조를 갖는 지방족 포화 탄화수소입니다. 수소와 탄소로만 구성되어 있으며, 분자 내의 모든 결합은 단일 결합으로 이루어져 있습니다.

 

알케인의 구조

알케인의 분자 구조는 그 물리적·화학적 성질에 직접적인 영향을 미칩니다. 알케인의 분자 구조는 탄소 원자가 이루는 4개의 공유 결합에 따라 결정되며, 알케인 내부의 탄소 원자는 항상 sp3 혼성 오비탈을 이룹니다. 이들은 모두 같은 에너지를 가지므로 이론적으로 정사면체 구조를 가지며, 각 꼭짓점 사이의 각도는 약 109.47° 입니다. 알케인은 탄소 원자들이 오직 단일 결합으로만 결합되어 있기 때문에 결합을 축으로 하여 회전이 가능합니다. 알케인은 크게 직선형, 가지형, 고리형의 세 가지 구조로 분류할 수 있습니다. IUPAC의 정의에 따르면 알케인은 직선형 및 가지형만을 포함하며, 고리형은 별도로 사이클로알케인이라 부릅니다.  포화 탄화수소는 세 가지 구조가 조합된 형태로도 존재할 수 있는데, 모든 공유 결합이 단일 결합이라는 조건만 만족하면 이들 또한 알케인의 이성질체로 인정됩니다.

 

알케인의 일반식은 CnH2n+2입니다(n은 정수). 탄소 1개와 수소 4개로 이루어진 알케인은 메테인(metane)으로 화학식은 CH4입니다.

 

사슬형 알케인

• CH4 메테인(methane)
• C2H6 에테인(ethane)
• C3H8 프로페인(propane)
• C4H10 뷰테인(butane)
• C5H12 펜테인(pentane)
• C6H14 헥세인(hexane)
• C7H16 헵테인(heptane)
• C8H18 옥테인(octane)
• C9H20 노네인(nonane)
• C10H22 데케인(decane)
• C11H24 운데케인(undecane)
• C12H26 도데케인(dodecane)
• C13H28 트라이데케인(tridecane)
• C14H30 테트라데케인(tetradecane)
• C15H32 펜타데케인(pentadecane)
• C16H34 헥사데케인(hexadecane)

 

알케인 내에서 각각의 탄소 원자는 이웃한 탄소 원자 및 수소 원자들과 결합하여 총 4개의 공유 결합을 형성하며, 모든 수소 원자는 각자 탄소 원자에 결합되어 있습니다. 탄소와 수소는 전기음성도 차이로 인해 극성 공유 결합을 하지만 전체적으로는 모든 쌍극자 모멘트가 상쇄되므로 무극성을 띱니다. 탄소 원자의 개수에 따라서 알케인의 크기가 달라집니다. 보통 탄소 수에는 제한이 없으나, 분자가 고리형이 아닌 사슬형 구조이고 포화 탄화 수소라는 조건을 만족해야 합니다.

 

알케인 이성질체

탄소 수 4개 이상의 알케인은 탄소 원자들이 다양한 구조로 배열될 수 있는데, 이를 구조 이성질체라고 합니다. 가장 간단한 알케인 이성질체는 가지 없이 오직 사슬형으로만 배열된 구조입니다. 이는 보통 n-(노말-)이라는 접두사가 붙습니다. 이외에도 탄소 원자들의 배열에 따라 여러 지점에서 가지가 달린 이성질체가 수없이 많이 존재하며, 탄소 원자의 개수가 증가함에 따라 이성질체의 숫자가 급격하게 증가합니다.

 

탄소수에 따른 이성질체의 개수

• CH4(메테인) 구조 이성질체 수 : 1개
• C2H6(에테인) 구조 이성질체 수 : 1개
• C3H8(프로페인) 구조 이성질체 수 : 1개
• C4H10(뷰테인) 구조 이성질체 수 : 2개 (iso-뷰테인, n-뷰테인)
• C5H12(펜테인) 구조 이성질체 수 : 3개 ( n-펜테인, iso-펜테인, neo-펜테인)
• C6H14(헥세인) 구조 이성질체 수 : 5개 ( iso-헥세인, n-헥세인, 3-메틸펜테인, 2,3-다이메틸뷰테인, 2,2-다이메틸뷰테인)

 

알케인 성질

모든 알케인은 무색 무취입니다. 대체로 물보다 밀도가 작아 물 위에 뜨는 성질이 있습니다  알케인은 분자 간에 반데르발스 힘을 받습니다. 이러한 분자간 힘이 클수록 알케인의 끓는점이 높아지게 되며, 보통 분자 주위를 둘러싸는 전자의 개수가 많을수록, 분자량이 클수록, 분자의 표면적이 넓을수록 끓는점이 높아집니다.

표준 상태에서 탄소 수 4개까지의 알케인은 기체, 탄소 수 5개에서 17개까지의 알케인은 액체, 탄소 수 18개 이상부터는 고체로 존재합니다. 일반적으로 알케인의 끓는점은 분자량에 거의 정비례하며, 사슬에 탄소가 1개 추가될 때마다 약 20~30℃ 정도 끓는점이 증가합니다.  또, 곧은 사슬 모양의 알케인이 가지 달린 알케인보다 끓는점이 높습니다. 이는 분자의 표면적이 더 넓어 이웃한 분자들과의 반데르발스 힘이 더 커지기 때문입니다.

알케인의 녹는점은 알케인의 끓는점과 마찬가지 이유로 비슷한 경향을 보이지만, 탄소 수 18 이상의 고체 알케인은 액체나 기체 상태로 존재하는 알케인보다 더 단단한 구조를 가지고 있으므로 이러한 구조를 허물기 위해 더 많은 에너지를 필요로 합니다. 따라서 고체 구조가 잘 밀집되어 있을수록 녹는점도 증가합니다.

가지형 알케인의 녹는점은 고체 상태에서 밀집되는 정도에 따라 곧은 사슬 구조의 알케인보다 높을 수도 있고 낮을 수도 있습니다. 이러한 경향은 아이소알케인에서 특히 잘 나타납니다. 알케인은 전기 전도도가 없으며, 전기장에서 비유전율도 매우 낮습니다. 따라서 이들은 수소 결합을 형성하지 않으며, 물과 같은 극성 용매에 녹지 않습니다. 물 분자 간에 작용하는 수소 결합은 알케인 분자를 피해서 형성되므로 알케인과 물을 섞어놓으면 서로의 접촉 면적을 최소화하려는 경향을 나타내, 알케인은 소수성입니다. 반대로 알케인은 무극성 용매에 잘 용해됩니다.