આલ્કેન સંયોજનો

આલ્કેન સંયોજનો (alkanes) : સંતૃપ્ત એલિફેટિક હાઇડ્રોકાર્બન શ્રેણીનાં સંયોજનો. તેમનું સામાન્ય સૂત્ર C_nH_2n+2 છે. શ્રેણીના પ્રથમ ત્રણ સભ્યો મિથેન (CH₄), ઇથેન (C₂H₆) અને પ્રોપેન (C₃H₈) માટે એક જ બંધારણીય સૂત્ર શક્ય છે. બ્યુટેન(C₄H₁₀)નાં બે બંધારણીય સૂત્રો અને તેથી બે સમઘટકો (isomers) શક્ય છે.

આલ્કેનના અણુમાં જેમ કાર્બન-પરમાણુઓની સંખ્યા વધતી જાય તેમ તેમ સમઘટકોની સંખ્યા પણ વધતી જાય છે (કોઠો-1).

કોઠો – 1

કાર્બન પરમાણુઓની સંખ્યા	સમઘટકોની સંખ્યા
5	3
6	5
7	9
8	18
9	35
10	75
20	3,66,319
30	4,111,846,763

C₁₀H₂₂ સૂત્રવાળા હાઇડ્રોકાર્બન સુધીના દરેક શક્ય સમઘટકનું પ્રયોગશાળામાં સંશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું છે.

નામકરણ : કાર્બનિક રસાયણના વિકાસની શરૂઆતમાં આપેલાં નામો રૂઢ થઈ ગયાં છે. સંયોજનોની સંખ્યા જેમ જેમ વધતી ગઈ તેમ તેમ અસંદિગ્ધ (unambiguous) નામોની જરૂરત ઊભી થતી ગઈ. હાલમાં ઇન્ટરનેશનલ યુનિયન ઑવ્ પ્યૉર ઍન્ડ ઍપ્લાઇડ કેમિસ્ટ્રી(IUPAC)ની પદ્ધતિ અનુસાર નામો યોજાય છે. આલ્કેનના નામકરણમાં નીચેના નિયમો લક્ષમાં લેવાય છે :

1. આલ્કેનના અણુમાં રહેલા કાર્બન-પરમાણુઓની સંખ્યા માટેના ગ્રીક કે લૅટિન શબ્દને ane પ્રત્યય લગાડીને આલ્કેનનું નામ પડાય છે; દા.ત., C₆H₁₄ હેક્ઝેન (હેક્ઝા=છ), C₁₀H₂₂ ડેકેન (ડેકા=દસ). આલ્કેનના સૂત્રમાંથી એક હાઇડ્રોજન ઓછો કરતાં મળતા સમૂહ(સંયોજકતા=1)નું નામ યોજવા માટે aneના બદલે yl મુકાય છે. CH₄ મિથેન (methane), -CH₃ મિથાઇલ (methyl)

2. ઉપશાખાવાળા આલ્કેનનું નામ પાડવા માટે લાંબામાં લાંબી સુરેખ શૃંખલા પસંદ કરીને તેમાંના કાર્બન-પરમાણુઓનો ક્રમ આંકડા વડે એવી રીતે દર્શાવવામાં આવે છે કે ઉપશૃંખલાવાળા કાર્બનનો આંક નાનામાં નાનો આવે.

3. એક કરતાં વધુ એક જ જાતના સમૂહો હોય તો તેમના નામ આગળ di, tri વગેરે ઉપસર્ગો મુકાય છે.

ઉપશાખાના સમૂહોના નામને પાયાની શૃંખલાના નામમાં પૂર્વગ (prefix) તરીકે લઈને, તેમનું સ્થાન આંકડા વડે દર્શાવીને સંયોજનનું નામ યોજવામાં આવે છે.

સમૂહનાં નામોનો ક્રમ અંગ્રેજી મૂળાક્ષરોના ક્રમ પ્રમાણે હોય છે.

આલ્કેનનું ત્રિપરિમાણી બંધારણ : સગવડની દૃષ્ટિએ કાર્બનિક સંયોજનોનાં બંધારણીય સૂત્રોમાં પરમાણુઓને એક જ તલમાં દર્શાવવામાં આવે છે, પરંતુ આ પરમાણુઓ ખરેખર તો ત્રિપરિમાણમાં રહેલા હોય છે. જ્યારે કાર્બન-પરમાણુ ચાર પરમાણુઓ કે સમૂહો સાથે જોડાયેલા (બધા જ એક બંધ) હોય છે ત્યારે નિયમિત સમચતુષ્ફલક(regular tetrahedron)રૂપ સ્થાયી રચના યોજાય છે, જેના કેન્દ્રમાં કાર્બન-પરમાણુ હોય છે, અને સમચતુષ્ફલકના ચાર ખૂણે ચાર પરમાણુઓ કે સમૂહો ગોઠવાયેલ હોય છે. આ ગોઠવણી અનુસાર મિથેનમાં બધા જ કોણ 109.5⁰ના થાય છે. જો મિથેન અણુ એક તલમાં હોય તો આ ખૂણો 90⁰નો થાત જે હકીકતમાં નથી. બંધ-કોણમાં થોડા ફેરફાર (109-112⁰) સાથે બધા જ આલ્કેનમાં સમચતુષ્ફલક રચના હોય છે.

આલ્કેનમાં C-C અને C-H બંધ અંતર અનુક્રમે 1.54 Å અને 1.09 Å હોય છે.

સંરૂપતા (conformation) : એક-બંધ વડે જોડાયેલ કાર્બન કાર્બન વચ્ચે ભ્રમણ શક્ય છે, જેથી નજીકના હાઇડ્રોજન-પરમાણુઓ વચ્ચેના અંતરમાં ફેરફાર જોવા મળે છે. ઇથેનમાં આ ઘટના જોવા મળે છે. સાંતરિત સંરૂપતા(staggered conformation)માં બે હાઇડ્રોજન વચ્ચેનું અંતર મહત્તમ હોય છે જ્યારે ગ્રસ્ત સંરૂપતા(eclipsed conformation)માં બે હાઇડ્રોજન વચ્ચેનું અંતર લઘુતમ હોય છે. સાંતરિત સંરૂપતાવાળો ઇથેનનો સમઘટક વધુ સ્થાયી છે અને સામાન્ય તાપમાને ઇથેનના ઘણાખરા અણુઓ આ સમઘટક રૂપે હોય છે. ગ્રસ્ત સંરૂપતાવાળો સમઘટક ઓછો સ્થાયી છે. બે હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ વચ્ચેના અપાકર્ષણને લીધે આ ગોઠવણી નભાવવા વધુ ઊર્જાની જરૂર પડે છે. બંને વચ્ચેનો ઊર્જા-અવરોધ 12.6 કિજૂ./મોલ (3 કિકે/મોલ) છે, જેથી કરીને બે સમઘટકો વચ્ચેનું રૂપાંતર સરળતાથી શક્ય બને છે.

ભૌતિક ગુણધર્મો : પરમાણુસંખ્યામાં વધારો થતાં અણુઓની વચ્ચે આકર્ષણ વધે છે. આ કારણે અણુઓને સહેલાઈથી અલગ કરી શકાતા નથી. પીગળવા તથા બાષ્પ બનવા માટે અણુઓનું અલગ થઈને મુક્ત થવું જરૂરી છે. આ કારણે અણુભાર વધતાં સરળ શૃંખલાવાળા આલ્કેનનાં સંયોજનોનાં ઉત્કલનબિન્દુઓ, ગલનબિંદુઓ, વિશિષ્ટ ઘનતા તથા શ્યાનતા(viscosity)માં ક્રમશ: વધારો થાય છે (કોઠો – 2). ઉપશૃંખલાઓને કારણે અણુઓ એકબીજાની વધુ નજીક આવી શકતા નથી. આથી સમાન કાર્બનસંખ્યા ધરાવતા સરળ શૃંખલાવાળા સમઘટકોની સરખામણીમાં ઉપશૃંખલાયુક્ત સમઘટકોનાં ઉત્કલનબિંદુઓ નીચાં હોય છે. પેન્ટેનના સમઘટકોનાં ઉત્કલનબિંદુઓ સરખામણી માટે નીચે આપ્યાં છે :

કોઠો 2

n–આલ્કેનના ભૌતિક અચળાંકો

નામ	સૂત્ર	ઉ. બિં.	ગ. બિં.	વિ.ઘ.
મિથેન	CH4	– 164	– 182.5	0.466
ઇથેન	C2H6	– 88.6	– 183.3	0.572
પ્રોપેન	C3H8	– 42	– 189.7	0.501
n-બ્યુટેન	C4H10	– 0.5	– 138.35	0.601
n-પેન્ટેન	C5H12	+ 36.1	– 129.7	0.626
n-હેક્ઝેન	C6H14	+ 68.9	– 95.0	0.660
n-હેપ્ટેન	C7H16	+ 98.4	– 90.6	0.684
n-ઑક્ટેન	C8H18	+ 125.6	– 56.8	0.703

પ્રાપ્તિ અને સંશ્લેષણ : પેટ્રોલિયમ અને કુદરતી વાયુમાંથી આલ્કેન સંયોજનો મોટા પ્રમાણમાં મેળવવામાં આવે છે. કુદરતી વાયુમાં 60 %-80 % મિથેન, 5 %-9 % ઇથેન, 3 %-18 % પ્રોપેન અને 2 %-14 % વધુ કાર્બન પરમાણુયુક્ત આલ્કેન મળે છે. પેટ્રોલિયમમાં 150થી વધુ હાઇડ્રોકાર્બન સંયોજનોનું અસ્તિત્વ સાબિત થયું છે. આમાંનાં અડધાં આલ્કેન અથવા સાઇક્લોઆલ્કેન સંયોજનો છે. ઉષ્મીય અને ઉદ્દીપકીય ભંજન(cracking)થી અને કોલસાના હાઇડ્રોજનીકરણથી મોટા પ્રમાણમાં આલ્કેન મેળવી શકાય છે અને તેમાંનાં કેટલાંકને મોટા પ્રમાણમાં શુદ્ધ રૂપમાં અલગ કરી શકાય છે. ઓછા કાર્બન-પરમાણુઓવાળાં આલ્કેન લાખો ટનના હિસાબે હાલમાં ઉપલબ્ધ છે.

પ્રયોગશાળામાં આલ્કેનનું સંશ્લેષણ નીચે પ્રમાણે કરી શકાય છે :

(1) કાર્બનિક ઍસિડનું વિદ્યુતવિભાજન :

(2) વુર્ટ્ઝ પ્રક્રિયા :

આ પ્રક્રિયા ફક્ત કાર્બનની બેકી સંખ્યા ધરાવતા આલ્કેન માટે જ ઉપયોગી છે.

(3) અસંતૃપ્ત હાઇડ્રોકાર્બનના હાઇડ્રોજનીકરણથી :

CH₃CH = CH₂ + H₂ → CH₃CH₂CH₃

       પ્રોપીન                 પ્રોપેન

(4) ફીશર-ટ્રોપ્સ સંશ્લેષણ :

ભવિષ્યમાં આ પ્રક્રિયા આલ્કેનના ઔદ્યોગિક સંશ્લેષણ માટે વિચારાય તેવી શક્યતા છે.

રાસાયણિક ગુણધર્મો : આલ્કેન ઉપર સામાન્ય તાપમાને ઍસિડ, આલ્કલી અને ઉપચાયક (oxidising) તથા અપચાયક (reducing) પ્રક્રિયકોની અસર થતી નથી. આથી આલ્કેનને પૅરાફિન (ઓછા ક્રિયાશીલ) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

વિસ્થાપન એ આલ્કેનની વિશિષ્ટ પ્રક્રિયા ગણી શકાય :

આ પ્રક્રિયા મુક્તમૂલક મારફત થતી હોવાનું માલૂમ પડ્યું છે.

શરૂઆતમાં પ્રકાશ-ઊર્જાથી અલ્પ પ્રમાણમાં ક્લોરિન-મૂલકો પેદા થાય છે. પ્રક્રિયા (ક)માં ઉત્પન્ન થયેલ ક્લોરિનમૂલક, (ખ) પ્રમાણે પ્રક્રિયામાં ભાગ લે છે અને પ્રક્રિયાશૃંખલા સતત ચાલુ રહે છે.

ક્લોરિનના વધુ પ્રમાણમાં, CH₂Cl₂ મિથિલીન ક્લોરાઇડ, CHCl₃ ક્લૉરોફૉર્મ અને CCl₄ કાર્બન-ટેટ્રાક્લોરાઇડ બને છે.

વધુ કાર્બનયુક્ત આલ્કેનનો ઉપયોગ કરી પ્રક્ષાલક તરીકે વપરાતા આલ્કાઇલ સલ્ફૉનિક ઍસિડ મેળવવામાં આવે છે.

5. સમાવયવીકરણ (isomerisation) : આલ્કેનને નિર્જલ ઍલ્યુમિનિયમ ક્લોરાઇડ સાથે ગરમ કરીને ઉપશૃંખલાયુક્ત આલ્કેન મેળવવામાં આવે છે.

આ પ્રક્રિયા પેટ્રોલના શુદ્ધીકરણમાં ઉપયોગી છે.

6. વિભંજનપ્રક્રિયા : ઉચ્ચ આલ્કેનનું ઉદ્દીપકીય ભંજન કરતાં ઓછા કાર્બનવાળાં આલ્કેન અને અસંતૃપ્ત હાઇડ્રોકાર્બન મળે છે. આ પ્રક્રિયા પેટ્રોરસાયણ-ઉદ્યોગમાં ઉપયોગી છે.

CH₃CH₂CH₃ → CH₃CH = CH₂ + H₂

CH₃CH₂CH₃ → CH₄ + CH₂ = CH₂

7. ઍરોમેટાઇઝેશન-પ્રક્રિયા : આલ્કેન સંયોજનોને યોગ્ય ઉદ્દીપક સાથે ગરમ કરતાં ચક્રીકરણ (cyclisation) થતાં ઍરોમેટિક હાઇડ્રોકાર્બન મળે છે. આ પ્રક્રિયા પેટ્રોરસાયણ ઉદ્યોગમાં ઍરોમેટિક સંયોજનો મેળવવામાં ઉપયોગી છે.

n-C₆H₁₄ → C₆H₆ + 4H₂

n-હેક્ઝેન    બેન્ઝિન

8. દહન : આલ્કેનનું દહન ઉદ્યોગની દૃષ્ટિએ ઘણું અગત્યનું છે; કારણ, આ દહન દરમિયાન ઉત્પન્ન થતી ઊર્જા વિદ્યુત પેદા કરવામાં વપરાય છે.

CH₄ + O₂ → CO₂ + 2H₂O + 885.4 કિજૂ.

9. હાઇડ્રોજન તથા સંશ્લેષિત વાયુનું ઉત્પાદન : મિથેન અને આલ્કેનની સાથે વરાળની પ્રક્રિયા ઉદ્દીપકની હાજરીમાં કરવાથી હાઇડ્રોજન તથા સંશ્લેષિત વાયુ મળે છે. ઉદ્યોગમાં આ પ્રક્રિયા ખાતરના કારખાનાની પાયાની પ્રક્રિયા છે.

ઉપયોગો : મોટા ભાગનાં આલ્કેનો બળતણ તરીકે ઉપયોગી છે. ઘરવપરાશનો વાયુ (liquified petroleum gas, LPG), પ્રોપેન અને બ્યુટેનનું મિશ્રણ છે. મિથેનમાંથી હાઇડ્રોજન અને સંશ્લેષિત વાયુ (CO + H₂), ક્લોરિનયુક્ત સંયોજનો, હાઇડ્રોજન સાયનાઇડ, કાર્બન-ડાયસલ્ફાઇડ, ઍસેટિલીન અને કાર્બન બ્લૅક (મેશ) મેળવવામાં આવે છે. આલ્કેનના વિભંજનથી પ્રોપીન, બ્યુટીન, બ્યુટાડાઇન અને આઇસોપ્રીન મેળવવામાં આવે છે, જે પેટ્રો-રસાયણ ઉદ્યોગ માટે પાયાનાં રસાયણો છે. હેક્ઝેન, ખોળમાંથી તેલના નિષ્કર્ષણમાં વપરાય છે. ગૅસોલીન, કેરોસીન, પૅરાફિન તેલ અને મીણ આલ્કેનોનું મિશ્રણ છે.

કુંજબિહારી  નટવરલાલ ત્રિવેદી