Температуры кипения циклоалканов выше температуры кипения алкенов или алканов с тем же числом атомов углерода в молекуле. Плотность соединений этой группы выше плотности соответствующих н-алканов, но ниже плотности аренов. Это свойство иногда используется для определения группового состава фракций нефти. Наличие радикалов-заместителей резко снижает температуру плавления углеводорода, и тем значительнее, чем меньше углеродных атомов содержит алкильный заместитель.
По физическим и химическим свойствам циклоалканы можно условно разделить на следующие группы: с малыми (С2—С4), обычными (С5, С6, С7), средними (C9—C12) и большими циклами (>C12).
Химические свойства циклоалканов изменяются под влиянием углового (байеровского) напряжения.
Циклопропан и циклобутан в иефтях не содержатся.
Многие химические свойства циклоалканов напоминают свойства алканов. Они вступают в реакции замещения, например с галогенами, нитруются азотной кислотой. Концентриро-ванная серная кислота практически не растворяет циклоалканы (Сь и выше), олеум и хлорсульфоновая кислоты реагируют с ними с выделением SO2.
Циклоалканы С5 и Се достаточно устойчивы, однако под влиянием хлорида и бромида алюминия подобно алканам претерпевают изомеризацию, причем происходит расширение или сужение цикла. Так, циклогексан превращается при 30—80 °С в метилциклопентан. Реакция не протекает количественно слева направо: она остановится в момент, когда состав смеси соответствует 75 % циклогексана и 25 °/р метилциклопентана. Пяти и шестичленные углеродные циклы образуются значительно легче, чем меньшие и большие циклы. Поэтому в нефтях обнаружены многочисленные производные циклогексана и циклопентана, в то время как производные остальных циклоалканов встречаются реже.
Нормальный угол между двумя валентностями насыщенного атома углерода (с гибридизацией sp3) равен 109°28'. Как установлено Байером в 1885 г., в циклоалканах валентности углерода отклоняются от их нормальной ориентации, вследствие чего возникает напряжение в цикле, энергия молекулы возрастает. В трехчленном кольце циклопропана каждая валентность имеет отклонение от нормального направления на 24°44', в четырехчленном— на 9°44', в циклопентане — на 0°44', в циклогексане на —5°16', но молекула циклогексана не является плоской, и в ней отсутствуют напряжения.
Устойчивость различных циклов видна из сравнения, теплот сгорания (табл. 8.21). Так, теплота сгорания наиболее устойчивого циклоалкана — циклогексана — в расчете на группу СНг (659,03 кДж/моль) почти совпадает с теплотой сгорания группы СНг алифатических углеводородов. Циклопентан менее устойчив, чем циклогексан.
Кроме байеровского в ряде случаев проявляется напряжение заслонения (торсионное, или иитцеровское), обусловленное вынужденным отклонением от наиболее выгодной нечетной конформации.
 
Питцеровское напряжение сильно снижается в неплоской молекуле циклопентана. Циклопентан существует в двух конформациях: «конверта» и «полукресла». На рис. 8.4 изображены эти конформации в трех проекциях. В проекциях 1 и V указаны величины (в нм) выхода атомов углерода из средней плоскости кольца; 2, 2' и 3, 3' — проекции на эту плоскость.
Атомы углерода циклопентана не занимают жестко закрепленного положения, кольцо как бы находится в постоянном волнообразном движении —псевдовращении.
Для обозначения пространственного расположения заместителей в стереоизомерах ряд авторов использует систему отсчета расположения заместителей относительно какого-нибудь радикала, обычно с цис-ориентацией. По этой номенклатуре изображенный ниже изомер называется цис,цис,транс-\,\-\,\-т-метил-3-этилциклопентаном.
Ал. А. Петров использует другой тип номенклатуры, по которой взаимное расположение заместителей отсчитывается попарно от каждого предыдущего с каждым последующим заместителем. В этом случае приведенный выше углеводород следует назвать цис,цис-1,2-диметил-З-этилциклопентан. Этот способ позволяет сразу видеть количество цис- (или транс-) вицинально расположенных пар заместителей (у срседних углеродных атомов), что определяет совокупность физических и ряда химических свойств пространственных изомеров.
Имеющиеся в литературе экспериментальные данные по свойствам 1,2-диалкилциклопентанов позволяют считать доказанным, что среди углеводородов состава С7—С10 температуры кипения стереоизомеров подчиняются правилу Ауверса—Скита, по которому они выше для цис-изомеров.
Согласно основному положению конформационного анализа — принципу минимального отталкивающего взаимодействия несвязанных атомов —энергия взаимодействия атомов боковых заместителей (в углеводородах это атомы Н в замещающих радикалах) является основным фактором, определяющим относительную термодинамическую устойчивость стереоизомеров.
В цис-изомере 1,2-диметилциклопентана наблюдается перекрывание вандерваальсовых радиусов алкильных заместителей, а в транс-изомере — нет.
1,3-Дизамещенные циклопентаны также существуют в виде двух пространственных изомеров: цис- и транс-. В обоих изомерах отсутствуют взаимодействия несвязанных между собой атомов, поэтому термодинамическая устойчивость этих изомеров практически одинакова.
Пространственную стереоизомерию в три- и тетраалкилциклопентанах удалось установить совсем недавно.
В общем случае при разных или несимметрично расположенных заместителях 1,2,3-триалкилзамещенные циклопентаны могут иметь четыре пространственных изомера, составляющие три группы.

Принадлежность того или иного изомера к определенной группе обусловлена взаимным положением вицинальных заместителей. Изомеры, выкипающие раньше и, следовательно, принадлежащие к первой группе, должны иметь, в соответствии с правилом Ауверса — Скита, транс-положение вицинальных заместителей.
1,2,3,4-Тетраалкилциклопентаны существуют в виде восьми пространственных изомеров. В случае одинаковых заместителей их число равно шести. Все изомеры можно разбить на четыре группы, в которых изомеры каждой последующей группы отличаются от изомеров предыдущих групп нз одну пару цис-вицинально расположенных заместителей. Наиболее устойчивыми являются стереоизомеры, не имеющие цис-вицинальных взаимодействий. Далее по устойчивости располагаются изомеры с одним таким взаимодействием, затем — с двумя и, наконец, с тремя.
Молекулы циклогексана при комнатной температуре существуют практически только в кресловидной форме. Методами ИК-спектроскопии, анализом спектров комбинационного рассеяния и дифракции электронов доказано, что однозамещенные производные циклогексана обладают практически только экваториальной конформацией е (С—Н связи ориентированы близко к плоскости кольца), аксиальные стереоизомеры а (С—Н связи ориентированы параллельно оси кольца) отсутствуют.
 
Дизамещенные соединения циклогексана существуют каждое в двух конформациях: цис- и транс-. У транс- 1,2-диметил-циклогексана конформация е,е более устойчива. У цис-1,2-диметилциклогексана единственно возможной является конформация а,е. Следовательно, транс-1,2-диметилциклогексан устойчивее цис-изомера. Аналогичное положение наблюдается и у цис,транс-изомеров 1,4-диметилциклогексана. В случае 1,3-дизамещенных производных циклогексана цис-изомер (конформация е,е) устойчивее транс-изомера (а,е).
У полизамещенных производных циклогексана возможна более сложная конформационная изомерия. Из-за легкости инверсии кольца полизамещенные циклогексаны имеют такую конформацию, при которой число аксиально ориентированных заместитедей наименьшее. Переход заместителя из аксиального положения в экваториальное сопровождается энергетическим выигрышем.
Увеличение числа цис-вицинальных взаимодействий неизменно ведет к уменьшению термодинамической устойчивости стереоизомеров. В то же время увеличение общего числа заместителей заметно повышает относительную устойчивость изомеров, имеющих цис-вицинальные взаимодействия, и снижает устойчивость углеводородов, не имеющих таких взаимодействий.
В углеводородах ряда циклогексана фактором, определяющим устойчивость стереоизомеров, является число аксиально ориентированных заместителей в кольце. По мере увеличения числа аксиальных заместителей устойчивость стереоизомеров падает. В то же время относительная устойчивость стереоизомеров с одной или двумя аксиальными группами по мере увеличения общего числа заместителей в кольце несколько возрастает.
Потенциальный барьер, разделяющий формы кресла и ванны циклогексана (данные ЯМР), равен 42—46 кДж/моль. В молекуле циклогексана пространственное расположение двух пар атомов в основании ванны (С = 1 и С = 6, С = 3 и С = 4) сопровождается увеличением потенциальной энергии. Кроме того, конформация ванны невыгодна и потому, что в ней происходит отталкивание пары атомов водорода, находящихся в вершинах ванны.
Однако форма ванны обладает гибкостью, подвижностью и может принять конформацию искаженной ванны (твист-форма), которая энергетически несколько выгоднее, так как в ней нет полностью заслоненных конформаций.
В средних циклах (8—12 звеньев) нет углового (байеровского) напряжения, и они построены из нечетных конформаций, т. е. питцеровского напряжения в них тоже нет. Причина повышенной энергии этих циклов — «внутримолекулярная теснота», которая приводит к тому, что несвязанные атомы располагаются на расстояниях, меньших сумм их вандерваальсовых радиусов (прелоговское напряжение).
Одна из важных отличительных особенностей средних циклов (на примере циклодекана) —возможность таких конформаций, в которых часть связей углеродных атомов направлена внутрь кольца. Такие связи называются интранулярными; связи, расположенные снаружи кольца, — экстранулярными. Циклодекан в своей наиболее выгодной конформаций имеет 6 интранулярных и 14 экстранулярных атомов водорода. Следовательно, группы СН2 циклодекана неравноценны: среди них есть группы, у которых оба атома водорода экстранулярны, а также такие, у которых один Н-атом экстранулярен, другой интранулярен. Кроме того, два последних типа СНггрупп различаются и тем, что в одном случае экстранулярный водород экваториален, в другом — аксиален. Таким образом, именно интранулярные атомы водорода и создают «внутримолекулярную тесноту» и ответственны за повышение энергии молекулы циклодекана.
Циклы с числом звеньев больше 12 обладают большей конформационной подвижностью. В этом случае вследствие почти свободного вращения вокруг связей С—С здесь не могут существовать цис.транс-изомеры; трудно зафиксировать и определенные конформаций. Считается, что большие циклы существуют в основном в виде вытянутых прямоугольников, составленных из зигзагообразных конформаций.
Устойчивость молекул циклоалканов можно рассмотреть исходя из принципа сохранения системой минимума свободной энергии их образования (энергии Гиббса). С изменением длины цепи циклоалкана на одну СН2-группу происходит изменение свободной энергии молекулы на 8,60 кДж при 300 К.
Значения свободной энергии образования циклопентана и его производных находятся в хорошей корреляции с действительным содержанием этих соединений в легких фракциях нефтей.