Süsivesinikud

Paljude mittemetallide aatomid moodustavad sideme teise samasuguse aatomiga ning tekivad sellised molekulid nagu N₂, O₂, H₂. Harva on aga sellises molekulis üle 2 aatomi. Erandiks on mõned lihtained (S₈, P₄). Süsinik on aga võimeline moodustama üksteisega kovalentselt seotud aatomitest väga pikki ja püsivaid ahelaid. Näiteks teemandis moodustavad üksik­sidemete abil seotud süsiniku aatomid keerulise ruumilise võrgu.

Süsivesinikud, nagu nimetuski näitab, koosnevad süsinikust ja vesinikust. Kõige sagedamini on tegemist alkaanidega, s.t süsivesinikega, mille molekulid sisaldavad ainult üksiksidemeid.

Alkaane on looduses palju. Neid saadakse maagaasist ja naftast. Maagaas koosneb peamiselt metaanist CH₄. Nafta on mitme­suguste süsivesinike segu.

Lähtume metaani molekulist. Asendame selles ühe vesiniku aatomi süsiniku aatomiga (etaani joonisel süsinik numbriga 2), mille külge saame siduda veel kolm vesiniku aatomit. Saame molekuli, milles sidemetevahelised nurgad on samasugused kui metaanis (109º). Selline süsivesinik ongi tegelikult olemas: see kannab nimetust etaan ja selle valem on C₂H₆ ehk CH₃—CH₃. Omadustelt on etaan metaaniga väga sarnane (värvitu ja lõhnatu, hästi põlev gaas).

Kui asendame parempoolse süsiniku aatomi (2) juures veel ühe vesiniku aatomi süsiniku aatomiga ja seome selle külge jällegi kolm vesiniku aatomit, saame uue molekuli. Ka selline süsivesinik on olemas: selle valem on C₃H₈ ehk CH₃—CH₂—CH₃ ja see kannab nimetust propaan.

Jätkates sama tegevust, saame 4 süsiniku aatomiga süsivesiniku butaani valemiga C₄H₁₀ ehk CH₃—CH₂—CH₂—CH₃. Nii saame koostada ükskõik kui pika ahelaga süsivesinike molekule. Kõik nad on tegelikult olemas ning on omadustelt üsna sarnased metaaniga, ainult molekuli suurenedes ei ole nad enam gaasid, vaid vedelikud ja lõpuks isegi tahked ained, näiteks parafiin.

Kui asendada süsiniku aatomiga vesiniku aatom, mis asub propaanis keskmise süsiniku aatomi juures, saame molekuli, mis sisaldab samuti nelja süsiniku aatomit nagu butaan, kuid butaan see ei ole. Summaarne valem on küll sama (C₄H₁₀), kuid täpsemalt välja­kirjutatuna näeks see välja nii:

See on isobutaan, mis omadustelt on butaaniga väga sarnane. Isobutaani molekulis on süsinikahel hargnenud. Selline hargnenud ahel püsib sama hästi koos kui sirge ahel. Tegelikult ei ole ka sirge ahel päris sirge, vaid siksakiline, sest tetra­eedriliselt paigutatud üksik­sidemetega süsiniku aatomeid ei saa täiesti sirgesse ritta järjestada (vt jooniseid ja videot). Paberil aga kujutame lihtsuse mõttes ahelat sirgena, pidades samal ajal meeles, et see tegelikult nii ei ole.

Butaani molekulil on veel üks huvitav omadus: molekuli üht poolt saab teise suhtes pöörata, näiteks nii, et pöörlemisteljeks on 2. ja 3. süsiniku aatomi vaheline C—C-side. Sellise pööramisega ei lõhuta ühtki sidet ning molekulis jääb aatomite järjestus samaks, olgugi et molekuli kuju muutub.

Ka butaani tegelik molekul käitub samamoodi. Järelikult on pikk süsinikahel nõtke nagu lülidest koosnev kett ning võib kuju muuta. Näiteks kuuest süsiniku aatomist koosnev ahel võib välja näha nii:

Kolmanda molekuli (c) puhul on 1. ja 6. süsiniku aatom üksteisest parajasti sellisel kaugusel, et nad võiksid pärast ühe vesiniku aatomi loovutamist moodustada omavahel sideme. Lahtine ahel muutuks kinniseks ringiks ehk tsükliks. Mudeli peal võib proovida, millise suurusega tsükkel tekib kõige kergemini. Püüame sidemeid mitte painutada, üksiksideme ümber võib molekuli osasid pöörata nii nagu vaja. Selgub, et kõige parem ongi kokku panna 6-lülilist tsüklit. See tsükkel ei ole küll tasa­pinnaline, vaid samasugune siksakiline nagu varem vaadeldud süsinik­ahelad. Tasapinnal peame seda tsüklit kujutama pealtvaates. Sellised 6-lülilised üksiksidemetega seotud süsinik­tsüklid on tegelikult olemas ning on üsna püsivad. Tsüklilise süsivesiniku omadused on väga sarnased sama süsinike arvuga lahtise ahelaga süsivesiniku omadega.

Tähelepanelikul vaatlemisel leiame täpselt samasuguseid mitte­tasapinnalisi kuuest süsiniku aatomist koosnevaid tsükleid ka teemandi struktuurist (vt ptk 5.1), ainult seal on kõik tsüklid otsa- ja külgepidi liitunud ning iga süsiniku aatom on seotud ainult teiste süsiniku aatomitega. Kõiki ülalvaadeldud süsinikahela kujusid – lahtisi sirgeid ahelaid, hargnenud ahelaid ja tsükleid – võib omavahel mitmeti ühendada ja kombineerida. Sel moel saadakse tohutul hulgal erinevaid süsivesinikke, mille osa omadusi on küll sarnased, teised aga võivad oluliselt erineda – kõik oleneb ahela kujust. Näiteks on sirge ahelaga süsivesinik C₆H₁₄ vedelik, mis tahkub väga madalal temperatuuril (–95 °C) ja keeb temperatuuril 70 °C. Samas kuue süsiniku aatomiga, kuid tsüklilise süsivesiniku tahkumistemperatuur on 5 °C.