Gli alcani non sono formati solo da molecole lineari e ramificate ma anche da strutture cicliche. Infatti, se immaginiamo di saldare insieme l’estremità di queste catene otteniamo proprio delle molecole a struttura ciclica, cioè con gli atomi di carbonio legati ad anello. A questo tipo di idrocarburi è stato dato il nome di cicloalcani.
Un cicloalcano è un idrocarburo saturo (alcano) che presenta nella formula di struttura almeno un anello di atomi di carbonio. La loro formula generale è CnH2n, ci sono cioè due atomi di idrogeno in meno rispetto ai corrispondenti alcani a catena aperta, in quanto i due atomi di carbonio terminali si sono uniti.
Il loro nome si forma anteponendo il prefisso ciclo- al nome dell’alcano a catena lineare cha ha lo stesso numero di atomi di carbonio.
Il più semplice cicloalcano è il ciclopropano, a tre atomi di carbonio.
Per rappresentare i cicloalcani sono stati utilizzati dei poligoni regolari planari: si sottintende che in ogni vertice del poligono ci sia un atomo di carbonio, legato a tanti atomi di idrogeno quanti ne occorrono perché ogni carbonio formi quattro legami.
Bisogna però ricordare con attenzione che da cicloesano in poi tali rappresentazioni sono errate in quanto le molecole devono essere considerate nello spazio.
Il ciclopropano e il ciclobutano presentano angoli di legame rispettivamente di 60° e di 90° che si allontanano notevolmente dal valore di 109,5° previsto per gli alcani a catena aperta.
A causa di ciò tali molecole sono molto instabili in quanto presentano una forte tensione angolare, che comporta un’alta reattività chimica con facile apertura dell’anello.
Il ciclopentano, invece, presenta l’angolo di legame di 108°, è quello che più si avvicina all’angolo tetraedrico e perciò presenta una minore tensione angolare.
Il cicloesano, se fosse costituito da molecole planari, dovrebbe assumere la forma di esagono regolare con angoli di 120° e perciò dovrebbe presentare una notevole tensione angolare. Invece, le sue molecole assumono particolari assetti, con gli atomi di carbonio disposti su diversi piani in maniera da rispettare al meglio il valore dell’angolo tetraedrico, dando luogo a particolari conformazioni il cui studio è possibile solo attraverso l’uso dei modelli molecolari.
I cicloalcani possono portare legati alla molecola uno o più gruppi alchilici, dando luogo a cicloalcani sostituiti, come:
– metilciclopropano;
– dimetilcicloesano;
– isopropilciclopentano.
La nomenclatura dei cicloalcani è analoga a quella degli alcani, con poche eccezioni:
– quando l’anello ha un solo sostituente non è necessario numerare gli atomi di carbonio dell’anello;
– se l’anello ha più sostituenti, si numerano gli atomi di carbonio a partire da sostituente che precede gli altri in ordine alfabetico.

Gli isomeri di uno stesso composto possono essere anche più di uno. Il diverso modo di disporsi degli atomi in una molecola è già evidente in quelle costituite solo da carbonio e idrogeno. E’ questo, ad esempio, il caso dell’esano C6H14 che può presentarsi, oltre che a catena chiusa, anche con quattro diverse catene ramificate aperte.
Anche la possibilità di dare strutture cicliche implica l’esistenza di molecole con uguale formula molecolare e diversa disposizione degli atomi nello spazio.
Le diverse combinazioni che gli atomi di carbonio e idrogeno possono produrre portano alla formazione di isomeri che differiscono principalmente per le proprietà fisiche, come la densità e il punto di ebollizione. Infatti, gli idrocarburi isomeri hanno proprietà chimiche molto simili, mentre differiscono in modo marcato per alcune proprietà fisiche. In particolare, le sostanze con molecole ramificate bollono a temperature più basse rispetto a quelle con molecole lineari. Ciò succede perché i legami intermolecolari possono stabilirsi in misura minore quando la superficie di contatto fra e molecole è ridotta: le molecole ramificate tendono a chiudersi, formando una sorta di sfera, un solido che racchiude in sé un determinato volume con la minima superficie.
Quanto più si allunga la catena degli atomi di carbonio, tanto più aumenta, in modo esponenziale, il numero dei possibili isomeri. Abbiamo:

– l’ottano C8H18, che può avere 18 isomeri;
– il decano C10H22, che può avere 75 isomeri;
– il pentadecano C15H32, che può avere oltre 4343 isomeri;
– l’idrocarburo C30H62 ha la possibilità teorica di esistere in più di quattro milioni di forme strutturali diverse.

In natura, non tutti gli isomeri esistono o riescono ad essere sintetizzati, ma si crea in ogni caso il problema della loro denominazione.
Il problema è stato affrontato è risolto con la denominazione IUPAC (Internazional  Union of Pure and Applied Chemistry), sin dal Congresso di Ginevra del 1892, quando si preoccupò di fissare un sistema per assegnare i nomi alla sterminata quantità di composti organici. La nomenclatura IUPAC è diffusa in tutto il mondo ma è bene sapere che per molti composti accanto ai nomi sistematici o razionali, ricavati col metodo IUPAC, sono presenti ancora oggi i nomi correnti o comuni, ricavati in base alla loro origine, al loro uso o ad una loro particolare proprietà. I chimici, infatti, indicano a volte lo stesso composto in due o più modi diversi. Molti composti organici hanno dei nomi tradizionali che affondano le radici nella storia della chimica e che non possono essere sistematizzati. Questi nomi possono essere imparati solo col tempo; tuttavia, come già detto, l’infinito numero di composti organici ha reso necessaria la definizione di una nomenclatura sistematica, secondo la quale abbiamo che:

– la catena ramificata di un idrocarburo si può considerare costituita da una catena lineare fondamentale e da uno o più diramazioni, costituite da frammenti di catene più corte che sono dette radicali alchilici, indicati generalmente con R. Un radicale si ottiene rimuovendo da una molecola di un idrocarburo un atomo di idrogeno (con il suo elettrone). I radicali degli alcani prendono il nome sostituendo il suffisso -ano con il suffisso -ile;
– per denominare i composti organici torna assai utile numerare gli atomi di carbonio in base alla loro posizione nella formula di struttura. Nelle molecole ramificate, in caso dubbio, si sceglie come catena lineare fondamentale quella più lunga. Nella nomenclatura IUPAC ciò che determina il nome della molecola è proprio questa catena, detta catena di base o catena principale.
– la numerazione deve partire dall’estremità della catena più lunga e più prossima alla posizione dei sostituenti. I sostituenti sono gruppi di atomi (radicali alchilici per esempio) che, idealmente, vanno a sostituire gli atomi di idrogeno dell’idrocarburo corrispondente alla catena più lunga. Pertanto, si attribuisce un numero progressivo a ogni atomo di carbonio, partendo dall’estremità più vicina alle ramificazioni, e ciò consente di assegnare alla posizione di ogni ramificazione il numero più piccolo possibile. Ad esempio, il pentano indica che vi sono cinque atomi di carbonio nella catena più lunga, che va numerata da destra a sinistra per assegnare al metile il numero più piccolo possibile;
– se i radicali alchilici che costituiscono le ramificazioni sono tutti uguali, si scrivono i loro nomi preceduti dai numeri che indicano la posizione dell’atomo di carbonio al quale sono attaccati e dal prefisso –di, –tri, –tetra, che indica il numero complessivo;
– se i radicali alchilici che costituiscono le ramificazioni sono di diverso tipo, si elencano in ordine alfabetico, sempre preceduti dal numero che ne indica la posizione;
– dopo aver indicato le diverse ramificazioni, si scrive il nome del composto al quale si riferisce la catena fondamentale.

La nomenclatura di tutti i composti organici si basa su quella degli alcani. Dopo aver individuato la catena principale, si utilizzano gli opportuni prefissi e la desinenza varia da famiglia a famiglia.
Un radicale alchilico corrisponde a ciò che resta di un alcano a catena lineare, dopo aver sottratto un atomo di idrogeno al carbonio terminale della catena.
I gruppi alchilici sono i sostituenti saturi legati alla catena base della molecola: contengono solo carbonio e idrogeno e presentano solo legami semplici tra gli atomi di carbonio. Oltre ai gruppi alchilici, si possono anche trovare come sostituenti atomi di alogeni che vengono indicati con il loro nome, ad eccezione dello iodio che viene contratto in iodo. Come già detto, ogni radicale alchilico viene denominato come l’alcano, ma con la desinenza in -ile:
– da —CH4 (metano) si ottiene il radicale metilico —CH3, detto anche gruppo metilico o semplicemente metile;
– da CH3—CH3 si ottiene il radicale etilico o etile —CH2—CH3;
– da CH3—CH2—CH3 (propano) si ottiene il radicale propilico o propile —CH2—CH2—CH3;
– da CH3—CH2—CH2—CH3 (butano) si ottiene il radicale butilico o butile —CH2—CH2—CH2—CH3.
Inoltre, dalla definizione risulta che ogni radicale alchilico è monovalente e può sostituire un atomo di idrogeno nella molecola di un alcano.
Ad esempio, se un idrogeno dell’atomo di carbonio secondario del propano viene sostituito con un gruppo —CH3, si ottiene l’isobutano che prende il nome di 2-metil-propano.

I composti organici, compresi gli idrocarburi, presentano il fenomeno dell’isomeria.
Quando un idrocarburo è costituito da una catena con un numero di atomi di carbonio superiore a tre, si verifica tale fenomeno. Quindi, a volte due composti rappresentati dalla stessa formula bruta possono essere radicalmente diversi, come accade nel caso dell’alcol etilico e dell’etere etilico. La loro formula bruta è C2H6O.
Pertanto, gli atomi di carbonio possono legarsi tra loro per formare lunghe catene lineari (gli n-alcani), ma possono anche dare strutture più complesse e ramificate.
L’esempio più semplice di alcano ramificato che possiamo trovare in chimica organica è l’isobutano. L’isobutano e il butano sono isomeri di struttura. Il butano in condizioni standard è un gas e ha punto di ebollizione -0,6 °C. Invece l’isobutano è il suo isomero che, pur avendo la stessa formula molecolare, ha caratteristiche chimico-fisiche diverse da quelle del butano normale: il suo punto di ebollizione, ad esempio, è -10 °C.
Si definiscono isomeri (dal greco isos: uguale e meros: parte) i composti aventi la stessa formula molecolare (o bruta) ma diversa formula di struttura.
In pratica, due isomeri di struttura sono formati dagli stessi atomi, che però possono essere legati tra loro in diverse combinazioni. Questo fenomeno è piuttosto esteso in chimica organica: oltre al butano, il pentano (C5H12) possiede tre forme isomeriche; il esano (C6H14) possiede cinque forme isomeriche; possono essere calcolati fino a 75 isomeri per il decano (C10H22) e si possono prevedere 6,5 〮10(alla 13esima).
La diversa struttura che caratterizza gli isomeri spesso conferisce loro proprietà fisiche e chimiche diverse.
Esistono diversi tipi di isomeria che si possono distinguere in due categorie fondamentali:
– isomeria di posizione o di catena: in tali isomeri gli atomi occupano nella molecola posizioni diverse;
– stereoisomeria: in questo caso gli isomeri, generalmente chiamati stereoisomeri, differiscono perché gli atomi delle loro molecole sono legati nella stessa sequenza, ma diversamente orientati nello spazio.
La stereoisomeria comprende gli isomeri conformazionali e gli isomeri configurazionali. Questi ultimi, a loro volta, possono essere distinti in isomeri geometrici e isomeri ottici.
Gli atomi di carbonio che sono legati a un solo altro atomo di carbonio, come quelli posti agli estremi di una catena lineare, sono detti atomi primari; mentre quelli intermedi, che sono cioè legati ad altri atomi due atomi di carbonio, sono detti atomi secondari e, infine, quelli che, in una catena ramificata, sono legati ad altri tre oppure quattro atomi di carbonio, sono detti rispettivamente atomi terziari o quaternari.
Il butano normale presenta due atomi di carbonio primari e due secondari.
L’iso-butano ha tre atomi di carbonio primari e un atomo di carbonio terziario.
Il tipo di isomeria che si instaura quando la catena di atomi di carbonio di un composto passa dalla forma lineare alla forma ramificata, è detta isomeria di struttura.
Per rappresentare i diversi isomeri tornano utili le formule condensate, dette anche formule razionali. Prima di utilizzare tali formule è opportuno sapere che le formule di struttura ordinarie rappresentano solo in modo approssimato le strutture reali delle molecole. Le molecole sviluppano le loro strutture nello spazio tridimensionale rispettando canoni geometrici piuttosto rigorosi, mentre le formule di struttura ordinarie utilizzano uno spazio bidimensionale e solitamente rappresentano soltanto il legame fra gli atomi ma non il modo con cui gli atomi si legano. Nel caso degli alcani, ad esempio, gli angoli di legame, determinati dall’utilizzo di orbitali ibridi sp3, sono di 109°28’ e la geometria delle loro molecole è basata sul modulo del tetraedro. Le formule di struttura, invece, non forniscono queste informazioni.
Le formule di struttura condensate o razionali non consentono di osservare le molecole nello spazio, ma possono qualificare la natura del composto e di distinguere fra loro i diversi isomeri.

Gli alcani sono idrocarburi in cui tutti gli atomi di carbonio presentano ibridazione sp3, sono legati tra loro solo da legami semplici e sono legati al massimo numero di atomi di idrogeno. Essi sono idrocarburi saturi così qualificati per la loro pienezza in atomi di idrogeno. in generale, sono detti saturi tutti i composti organici in cui gli atomi di carbonio sono collegati fra loro solo da legami semplici.
Gli alcani costituiscono una serie omologa a cui corrisponde la formula generale CnH2n+2 (n è il numero di atomi di carbonio variabile da un membro all’altro della serie).
In chimica organica per serie omologa si intende una classe di composti che differiscono per una specifica unità strutturale.
Nel caso degli alcani l’unità strutturale specifica è —CH2—, chiamata gruppo metilico. In generale, i membri di una serie omologa presentano proprietà fisiche differenti, in base alla lunghezza della catena, e proprietà chimiche simili, in base al tipo di legami presenti nella catena o alle sue estremità.
Se si considera una catena aperta di atomi di carbonio, per esempio cinque, si può notare che ogni atomo di carbonio è legato a due atomi di carbonio vicini e a due atomi di idrogeno; fanno eccezione i due atomi di carbonio posti alle due estremità della catena che, avendo un solo atomo di carbonio vicino, si legano a un terzo atomo di idrogeno.
Ciò che si ottiene è un gruppo —CH3 iniziale e un gruppo —CH3 finale che racchiudono tre gruppi —CH2—. Pertanto, il composto si scrive nella formula condensata:

CH3—CH2—CH2—CH2—CH3

Il numero degli atomi di idrogeno presenti nella molecola è uguale al doppio del numero degli atomi di carbonio, più due, corrispondenti ai due atomi di idrogeno aggiunti agli estremi della catena, perciò la formula grezza del composto risulta essere C5H12. Il composto ottenuto a cinque atomi di carbonio è detto pentano.
Il composto più semplice è il metano, che possiede un solo atomo di carbonio.
La denominazione varia al variare dell’aumento del numero degli atomi di carbonio che allungano la catena.
Facendo eccezione per i primi quattro e cioè metano, etano, propano e butano, il nome del composto presenta il prefisso numerico penta, esa, epta seguita dal suffisso -ano, dalla catena con cinque atomi in poi.
Talvolta gli alcani sono anche denominati paraffine (dal latino parum affinis: poco affine), nome originariamente attribuito a questi idrocarburi a causa della loro scarsa reattività con i più comuni reagenti di laboratorio, ossia acidi e basi.
La loro relativa inerzia chimica è dovuta alla struttura delle loro molecole: le catene che le rappresentano non hanno più alcuna capacità di legame. Tuttavia, gli alcani, adeguatamente innescati, si rivelano ottimi combustibili.
Le temperature di fusione e di ebollizione aumentano regolarmente all’aumentare del numero di atomi di carbonio contenuti nelle molecole degli alcani. Gli alcani che vanno da C5 a C17 sono liquidi a temperatura ambiente e risultano più leggeri dell’acqua, il petrolio, ad esempio, galleggia sull’acqua. Un’altra caratteristica degli alcani è la loro insolubilità in acqua: tutti gli alcani sono composti non polari e perciò sono solubili in solventi non polari, come il tetracloruro di carbonio e il benzene.
Come già detto, l’alcano più semplice è il metano. La sua struttura è tridimensionale tetraedrica, la sua formula CH4 può essere adeguatamente rappresentata da appositi modelli molecolari che servono a visualizzare meglio la geometria della molecola.
L’etano C2H6 è un altro idrocarburo ottenuto dall’unione di due atomi di carbonio legati tra loro a loro volta legati a sei atomi di idrogeno. Come nel metano, anche in questa molecola ogni atomo di carbonio è legato ad altri quattro atomi, con l’unica differenza che uno dei quattro atomi è un atomo di carbonio. L’etano è un componente minoritario del gas naturale.
Il successivo idrocarburo è il propano C3H8 . Esso contiene tre atomi di carbonio e otto di idrogeno legati tra loro. Il propano è il componente principale del combustibile GPL (Gas di Petrolio Liquefatti).
Il butano C4H10, è costituito dall’unione di quattro atomi di carbonio legati a loro volta a dieci atomi di idrogeno. Il butano viene anche commercializzato in bombole, liquefatto sotto pressione, con il nome di butan-gas.
E’ sorprendente notare come da questo liquido si possono separare due differenti composti ai quali però corrisponde sempre la stessa formula molecolare C4H10. Essi, inoltre, hanno la stessa densità ma punti di ebollizione diversi (-0,5 e -11,7 °C): probabilmente queste due sostanze differiscono soltanto per il modo in cui gli atomi sono legati tra loro. Come si può facilmente verificare e rilevare con i modelli molecolari, alla formula C4H10 corrispondono due modi diversi di concatenare gli atomi di carbonio.
Come è facile notare, nella serie degli alcani, ogni termine differisce dal precedente per un gruppo CH2 in più. Perciò ogni termine può essere ottenuto aggiungendo semplicemente un gruppo CH2 al termine precedente, ottenendo in tal modo un numero indefinito di atomi di carbonio. Ora la formula generale (CnH2n+2) appare senza dubbio più chiara e meno mnemonica di quel che sembra, basta ricordare il suo significato e il gioco è fatto!
Tuttavia, la formula generale CnH2n+2 indica soltanto quanti atomi di carbonio e di idrogeno sono presenti nella molecola, ma non fornisce informazione alcuna sulla sua struttura, invece esaurientemente rappresentata dalla formula di struttura che sta ad indicare anche in che modo gli atomi sono concatenati tra loro.
Per moti composti organici è utile scrivere formule di struttura condensate. Una formula di struttura condensata è semplicemente un modo più breve per rappresentare una molecola; per esempio, nel caso del butano, la formula di struttura condensata sarà:

CH3CH2CH2CH3

Ciò non vuol dire che la sequenza dei legami sia:

C—H—H—H—C—H—H—C—H—H—C—H—H—H

Sarebbe infatti assurdo, dato che il carbonio deve formare quattro legami mentre l’idrogeno può formarne uno solo. Nella formula di struttura condensata è implicito il fatto che la catena è costituita dagli atomi di carbonio e che gli atomi di idrogeno sono rispettivamente legati al carbonio adiacente. L’utilità di questa rappresentazione sta nel fatto di poter descrivere in modo breve ed efficace una molecola.
Gli alcani composti da un’unica catena non ramificata sono detti normal-alcani o semplicemente n-alcani. Gli n-alcani con più di tre atomi di carbonio sono solitamente rappresentati tenendo conto che l’unità —CH2— si ripete sempre allo stesso modo.
Se il numero di atomi di carbonio componenti n-alcano aumenta, cresce anche il suo punto di ebollizione. Negli alcani i punti di ebollizione aumentano all’aumentare del peso molecolare e delle interazioni intermolecolari.
Metano, etano, propano e butano a temperatura ambiente sono dei gas, mentre il termine successivo della serie, il pentano, è un liquido.
Il pentano è un componente minoritario della benzina.

I numerosissimi composti organici, attualmente circa cinque milioni, possono essere raggruppati in categorie o famiglie o classi. Quasi tutte le diverse classi possono essere considerate come derivate da un’unica grande classe di composti: gli idrocarburi.
Per questo motivo, spesso si definisce la chimica organica come la chimica degli idrocarburi e dei loro derivati.
Gli idrocarburi, come dice il nome stesso, sono composti binari formati soltanto da carbonio e idrogeno. Questo è un chiaro esempio della straordinaria varietà e complessità della natura: occorrono due soli elementi, carbonio e idrogeno, per formare  centinaia di migliaia di composti diversi.
Lo studio sistematico di questi composti è facilitato da alcune regolarità di comportamento chimico che consentono di raggrupparli in classi relativamente omogenee, a ciascuna delle quali compete la stessa formula generale grezza e analoghe reazioni.
La classificazione fondamentale degli idrocarburi dipende dalle proprietà chimiche  delle classi, per certi aspetti molto diverse.
A seconda del tipo di legame C—C presente nelle molecole, gli idrocarburi si suddividono in tre classi fondamentali:

– idrocarburi saturi, in cui tutti gli atomi presenti nella catena del carbonio che costituisce lo scheletro della molecola sono tetragonali, cioè con orbitali ibridi sp3 e pertanto i legami C—C sono tutti legami semplici di tipo σ;
– idrocarburi insaturi, in cui due o più atomi presenti nella catena del carbonio che costituisce lo scheletro della molecola hanno forma trigonale perché sono ibridati sp3, oppure hanno forma lineare perché sono ibridati sp, perciò nello scheletro della molecola è presente almeno un doppio legame, σ + π;
– idrocarburi aromatici o areni, che costituiscono una particolare classe di composti ciclici insaturi e hanno proprietà chimiche particolari che li distinguono dagli altri idrocarburi. Il capostipite degli idrocarburi aromatici è il benzene. Tutti gli idrocarburi aromatici contengono un anello esagonale benzenico e, come il benzene, sono tutti insaturi. Gli idrocarburi aromatici furono così chiamati perché molti di essi hanno un odore intenso e gradevole. L’odore gradevole di questi idrocarburi spesso però trae in inganno, in quanto molti di essi sono tossici o cancerogeni.

Sono detti alifatici gli idrocarburi che possiedono molecole con atomi di carbonio legati fra loro in modo da formare catene lineari o ramificate, mentre sono detti ciclici quelli che possiedono molecole con atomi di carbonio legati fra loro in modo da formare degli anelli.
Gli idrocarburi alifatici furono così chiamati perché le loro molecole presentano analogie con quelle dei grassi animali: alifatici e lipidi, termine alternativo a grassi, si originano infatti dalla stessa radice greca. Il capostipite di questa famiglia è il metano.
Le caratteristiche fisiche e chimiche della grande varietà dei composti organici esistenti dipendono perciò, in ultima analisi, dagli elementi che entrano nella composizione delle loro molecole e da come essi si comportano.
Gli idrocarburi sono i principali componenti, per esempio, del petrolio e del gas naturale e hanno un ruolo molto importante nella vita dell’uomo perché da essi è ricavabile la maggiore quantità di energia. E’ sorprendente, infatti, capire come lo sviluppo socio-economico di un paese dipenda considerevolmente da queste molecole relativamente semplici e come il loro potenziale esaurimento sia uno dei pericoli più temuti da tutta l’umanità.