Alkany i alkeny - węglowodory nasycone i nienasycone

1.Węglowodory

Związki chemiczne zbudowane wyłącznie z atomów węgla i wodoru. Należą do związków organicznych, a ich naturalnymi źródłami są gaz ziemny i ropa naftowa. Dzielimy je na nasycone (alkany) i nienasycone (np. alkeny i alkiny).

2.Węglowodory nasycone

Węglowodory, w których cząsteczkach między atomami węgla występują wyłącznie wiązania pojedyncze. Należą do nich alkany, np. metan $\mathrm{CH_4}$ i etan $\mathrm{C_2H_6}$.

3.Węglowodory nienasycone

Węglowodory, w których cząsteczkach między atomami węgla występuje co najmniej jedno wiązanie wielokrotne: podwójne (alkeny) lub potrójne (alkiny). Są bardziej reaktywne niż węglowodory nasycone.

4.Metan

$\mathrm{CH_4}$ - najprostszy alkan. Bezbarwny, bezwonny, palny gaz, lżejszy od powietrza i praktycznie nierozpuszczalny w wodzie. Główny składnik gazu ziemnego; występuje też jako gaz błotny i gaz kopalniany, który z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową.

5.Alkany

Węglowodory nasycone - w cząsteczkach mają tylko wiązania pojedyncze. Wzór ogólny: $\mathrm{C_nH_{2n+2}}$, gdzie n to liczba atomów węgla. Nazwy mają końcówkę -an: metan, etan, propan, butan.

6.Szereg homologiczny

Szereg związków o podobnej budowie i podobnych właściwościach, w którym każdy kolejny związek różni się od poprzedniego o grupę $\mathrm{CH_2}$. Przykład: metan $\mathrm{CH_4}$, etan $\mathrm{C_2H_6}$, propan $\mathrm{C_3H_8}$. Wszystkie związki szeregu opisuje jeden wzór ogólny.

7.Etan

$\mathrm{C_2H_6}$, wzór półstrukturalny $\mathrm{CH_3-CH_3}$. Drugi alkan w szeregu homologicznym; bezbarwny, palny gaz, składnik gazu ziemnego.

8.Propan i butan

Propan $\mathrm{C_3H_8}$ ($\mathrm{CH_3-CH_2-CH_3}$) i butan $\mathrm{C_4H_{10}}$ ($\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH_3}$) to palne gazy. Ich mieszanina, czyli gaz propan-butan, wypełnia butle turystyczne i zbiorniki samochodów na LPG, a butan także zapalniczki.

9.Alkany od pentanu do dekanu

Pentan $\mathrm{C_5H_{12}}$, heksan $\mathrm{C_6H_{14}}$, heptan $\mathrm{C_7H_{16}}$, oktan $\mathrm{C_8H_{18}}$, nonan $\mathrm{C_9H_{20}}$, dekan $\mathrm{C_{10}H_{22}}$. Nazwy od pentanu tworzy się od liczebników greckich i łacińskich (penta = pięć, heksa = sześć, okta = osiem, deka = dziesięć).

10.Zmiana właściwości w szeregu alkanów

Im więcej atomów węgla w cząsteczce, tym wyższa temperatura wrzenia i topnienia. Alkany od metanu do butanu to gazy, od pentanu kolejne są cieczami (np. składniki benzyny), a najdłuższe to ciała stałe (parafina). Alkany nie rozpuszczają się w wodzie i są od niej lżejsze.

11.Alkeny

Węglowodory nienasycone z jednym wiązaniem podwójnym między atomami węgla. Wzór ogólny: $\mathrm{C_nH_{2n}}$, gdzie $n \geq 2$. Nazwy tworzy się od nazw alkanów przez zamianę końcówki -an na -en, np. z etanu powstaje nazwa eten, a z propanu propen.

12.Eten (etylen)

$\mathrm{C_2H_4}$, wzór półstrukturalny $\mathrm{CH_2=CH_2}$. Najprostszy alken: bezbarwny, palny gaz, słabo rozpuszczalny w wodzie. Przyspiesza dojrzewanie owoców (wydzielają go np. dojrzałe jabłka i banany), a w przemyśle produkuje się z niego polietylen.

13.Propen i buten

Propen $\mathrm{C_3H_6}$, wzór $\mathrm{CH_2=CH-CH_3}$, oraz buten $\mathrm{C_4H_8}$, np. $\mathrm{CH_2=CH-CH_2-CH_3}$. To kolejne alkeny w szeregu homologicznym; każdy różni się od poprzedniego o grupę $\mathrm{CH_2}$.

14.Wiązanie podwójne

Połączenie dwóch atomów dwiema wspólnymi parami elektronów, we wzorze oznaczane dwiema kreskami: $\mathrm{C=C}$. Jedno z tych dwóch wiązań łatwo pęka, dlatego alkeny chętnie przyłączają inne atomy i są bardziej reaktywne od alkanów.

15.Alkiny (dla porównania)

Węglowodory nienasycone z jednym wiązaniem potrójnym $\mathrm{C\equiv C}$. Wzór ogólny $\mathrm{C_nH_{2n-2}}$; najprostszy jest etyn (acetylen) $\mathrm{C_2H_2}$, czyli $\mathrm{CH\equiv CH}$. Podobnie jak alkeny odbarwiają wodę bromową.

16.Wzór sumaryczny

Pokazuje, z jakich atomów i w jakiej liczbie zbudowana jest cząsteczka, ale nie pokazuje połączeń między nimi. Przykład: etan $\mathrm{C_2H_6}$, eten $\mathrm{C_2H_4}$.

17.Wzór strukturalny

Pokazuje wszystkie atomy w cząsteczce i wszystkie wiązania między nimi, rysowane jako kreski. W metanie atom węgla łączy się czterema kreskami z czterema atomami wodoru, bo węgiel w związkach organicznych jest czterowartościowy.

18.Wzór półstrukturalny (grupowy)

Skrócony wzór strukturalny: rysuje się tylko wiązania między atomami węgla, a atomy wodoru dopisuje grupami przy każdym węglu. Przykład: propan $\mathrm{CH_3-CH_2-CH_3}$, propen $\mathrm{CH_2=CH-CH_3}$.

19.Spalanie całkowite

Spalanie przy dostatecznym dostępie tlenu; produktami są tlenek węgla(IV) i woda. Dla metanu: $\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}$. Płomień jest niebieski i nie kopci.

20.Półspalanie

Spalanie przy ograniczonym dostępie tlenu; powstaje tlenek węgla(II), czyli czad, i woda, np. $\mathrm{2CH_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO + 4H_2O}$.

21.Spalanie niecałkowite

Spalanie przy bardzo małym dostępie tlenu; powstaje węgiel (sadza) i woda: $\mathrm{CH_4 + O_2 \rightarrow C + 2H_2O}$. Płomień jest żółty i kopcący. Niektóre podręczniki spalaniem niecałkowitym nazywają oba rodzaje spalania przy niedoborze tlenu.

22.Tlenek węgla(II) - czad

Bezbarwny, bezwonny, silnie trujący gaz, który powstaje podczas spalania przy niedostatecznym dostępie tlenu, np. w źle działającym piecyku gazowym. Blokuje przenoszenie tlenu przez krew. Chroni przed nim sprawna wentylacja i czujnik czadu.

23.Reakcja przyłączania (addycji)

Reakcja, w której do cząsteczki z wiązaniem wielokrotnym przyłączają się atomy, a wiązanie podwójne zamienia się w pojedyncze. Przykład: $\mathrm{CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br}$ (powstaje 1,2-dibromoetan). Ulegają jej alkeny i alkiny, a nie alkany.

24.Odbarwianie wody bromowej

Sposób odróżniania węglowodorów nasyconych od nienasyconych. Żółtopomarańczowa woda bromowa odbarwia się w kontakcie z alkenem lub alkinem, bo brom przyłącza się do wiązania wielokrotnego. Alkany jej nie odbarwiają.

25.Odbarwianie roztworu manganianu(VII) potasu

Drugi sposób odróżniania węglowodorów: fioletowy, rozcieńczony roztwór $\mathrm{KMnO_4}$ odbarwia się w obecności alkenów i alkinów, a w obecności alkanów nie zmienia barwy.

26.Polimeryzacja etenu

Reakcja łączenia się wielu małych cząsteczek (monomerów) w jedną bardzo dużą cząsteczkę (polimer). Z etenu powstaje polietylen: $\mathrm{nCH_2=CH_2 \rightarrow (-CH_2-CH_2-)_n}$. Polietylen to tworzywo sztuczne, z którego robi się torebki, folie i pojemniki.