Alkany: spalanie i substytucja z chlorem
Chemia
Zestaw obejmuje budowę i nazewnictwo alkanów oraz ich reakcje spalania całkowitego i niecałkowitego. Wyjaśnia także substytucję rodnikową alkanów z chlorem, warunki jej przebiegu, produkty i typowe zadania maturalne.
1.Alkany
Nasycone węglowodory łańcuchowe zawierające wyłącznie atomy węgla i wodoru, połączone wiązaniami pojedynczymi. Dla alkanów o łańcuchach otwartych obowiązuje wzór ogólny CₙH₂ₙ₊₂.
2.Szereg homologiczny alkanów
Zbiór alkanów, których kolejne związki różnią się o grupę –CH₂– i mają podobne właściwości chemiczne. Przykłady: metan, etan, propan, butan.
3.Spalanie całkowite alkanu
Reakcja alkanu z dostateczną ilością tlenu, w której powstają dwutlenek węgla i woda. Jest to proces egzotermiczny, czyli połączony z wydzielaniem energii.
4.Spalanie niecałkowite do tlenku węgla(II)
Spalanie alkanu przy niedoborze tlenu, w którym powstają tlenek węgla(II), CO, i woda. Tlenek węgla(II) jest bezbarwnym, bezwonnym i silnie toksycznym gazem.
5.Spalanie niecałkowite do węgla
Spalanie alkanu przy bardzo dużym niedoborze tlenu, w którym produktami są węgiel, często widoczny jako sadza, oraz woda.
6.Produkty spalania alkanów
Przy spalaniu całkowitym produktami są CO₂ i H₂O. Przy spalaniu niecałkowitym mogą powstać CO i H₂O albo C i H₂O.
7.Substytucja
Typ reakcji, w której atom lub grupa atomów w cząsteczce zostaje zastąpiona innym atomem lub grupą. W chlorowaniu alkanu atom wodoru zostaje zastąpiony atomem chloru.
8.Chlorowanie alkanów
Reakcja alkanu z chlorem, zachodząca pod wpływem światła ultrafioletowego lub podwyższonej temperatury. Powstaje chloroalkan i chlorowodór.
9.Warunek chlorowania alkanu
Chlorowanie alkanów wymaga najczęściej naświetlania światłem ultrafioletowym, zapisywanym nad strzałką jako hν lub UV. Bez tego reakcja w typowych warunkach nie zachodzi zauważalnie.
10.Chlorometan
Produkt monochlorowania metanu o wzorze CH₃Cl. Powstaje w reakcji CH₄ z Cl₂ pod wpływem światła, a produktem ubocznym jest HCl.
11.Monochlorowanie
Substytucja, w której jeden atom wodoru w cząsteczce alkanu zostaje zastąpiony atomem chloru. Produktem jest monohalogenoalkan.
12.Dalsze chlorowanie
W obecności nadmiaru chloru i światła kolejne atomy wodoru w chloroalkanie również mogą zostać zastąpione atomami chloru. Dlatego chlorowanie alkanów często prowadzi do mieszaniny produktów.
13.Równanie spalania alkanu
Dla alkanu CₙH₂ₙ₊₂ spalanie całkowite można zapisać schematem: CₙH₂ₙ₊₂ + ((3n+1)/2)O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O. W praktyce współczynniki dobiera się, zachowując bilans atomów.
14.Bilansowanie spalania
Podczas uzgadniania równania spalania liczba atomów każdego pierwiastka po obu stronach równania musi być taka sama. Nie zmienia się indeksów we wzorach, lecz dobiera współczynniki przed wzorami.
15.Płomień przy spalaniu alkanu
Spalanie całkowite zwykle daje niebieski, mniej kopcący płomień. Niedobór tlenu sprzyja powstawaniu sadzy i tlenku węgla(II), dlatego płomień może być żółty i kopcący.
16.Znaczenie praktyczne alkanów
Alkany są składnikami gazu ziemnego, benzyn i innych paliw. Wykorzystuje się je przede wszystkim jako źródła energii, ale ich spalanie może powodować emisję CO₂, a przy niedoborze tlenu także toksycznego CO.
Notatka
Budowa i szereg homologiczny alkanów
Alkany to nasycone węglowodory łańcuchowe. W ich cząsteczkach występują wyłącznie wiązania pojedyncze między atomami węgla i wodoru. Dla związków o łańcuchach otwartych obowiązuje wzór ogólny CₙH₂ₙ₊₂.
Najprostsze alkany to metan CH₄, etan C₂H₆, propan C₃H₈ i butan C₄H₁₀. Kolejne związki szeregu homologicznego różnią się o grupę –CH₂–, dlatego mają podobne właściwości chemiczne, lecz stopniowo zmieniają się ich właściwości fizyczne.
Zapamiętaj
Alkany są nasycone: nie zawierają wiązań podwójnych ani potrójnych.
Spalanie całkowite
Spalanie alkanu to jego reakcja z tlenem. Gdy tlenu jest wystarczająco dużo, zachodzi spalanie całkowite. Węgiel obecny w alkanie utlenia się do dwutlenku węgla, a wodór do wody. Reakcja jest egzoenergetyczna, więc wydziela się energia.
Dla przykładu spalanie propanu opisuje równanie:
C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O
Równanie należy bilansować, czyli dobrać współczynniki tak, aby liczba atomów każdego pierwiastka po obu stronach była taka sama. Najwygodniej najpierw uzgodnić węgiel, następnie wodór, a na końcu tlen.
Przykład
W spalaniu całkowitym butanu: 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O.
Spalanie niecałkowite
Jeżeli dopływ tlenu jest zbyt mały, zachodzi spalanie niecałkowite. W zależności od ilości tlenu produktami mogą być:
- tlenek węgla(II), CO, oraz woda;
- węgiel, C, często widoczny jako sadza, oraz woda.
Tlenek węgla(II), nazywany czadem, jest bezbarwnym, bezwonnym i silnie toksycznym gazem. Łączy się z hemoglobiną i utrudnia transport tlenu w organizmie. Sadza świadczy o tym, że część węgla nie została całkowicie utleniona.
Ważne
Żółty, kopcący płomień oraz niedostateczna wentylacja mogą wskazywać na spalanie niecałkowite i zagrożenie czadem.
Substytucja alkanów z chlorem
Substytucja polega na zastąpieniu atomu lub grupy atomów innym atomem lub grupą. Alkany reagują z chlorem pod wpływem promieniowania UV, zapisywanego nad strzałką jako UV lub hν. W reakcji atom wodoru zostaje zastąpiony atomem chloru, a drugim produktem jest chlorowodór.
Przykład monochlorowania metanu:
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl
Powstający CH₃Cl to chlorometan. Ponieważ w jego cząsteczce nadal znajdują się atomy wodoru, przy dalszym działaniu chloru i światła mogą zachodzić kolejne podstawienia. W praktyce chlorowanie może więc prowadzić do mieszaniny produktów, a nie tylko jednego związku.
Zapamiętaj
Chlorowanie alkanu wymaga światła UV i prowadzi do chloroalkanu oraz HCl.
Jak rozwiązywać zadania?
W zadaniach dotyczących spalania najpierw rozpoznaj, czy podano dostateczną ilość tlenu. CO₂ oznacza spalanie całkowite, natomiast CO lub C wskazuje na spalanie niecałkowite. Następnie bilansuj równanie, nie zmieniając indeksów we wzorach chemicznych.
W zadaniach dotyczących chlorowania sprawdź, czy nad strzałką podano UV lub hν. Jeżeli jeden atom wodoru jest zastępowany chlorem, produktem organicznym jest monohalogenoalkan, a dodatkowo powstaje HCl. Trzeba odróżniać tę substytucję od addycji, która zachodzi typowo w związkach zawierających wiązania wielokrotne.
Przy interpretacji doświadczeń pamiętaj, że kopcenie płomienia nie oznacza powstawania chlorowodoru — jest związane z obecnością cząstek węgla podczas spalania niecałkowitego.
Quizy w tym zestawie
17 pytań w 2 etapach — odblokujesz je po dodaniu zestawu