Źródła węglowodorów i alkany - Chemia Nowej Ery 8

1.Naturalne źródła węglowodorów

Naturalnymi źródłami węglowodorów są paliwa kopalne. Ich głównymi składnikami są pierwiastek węgiel oraz związki organiczne. Ze spalania paliw kopalnych pochodzi większość energii elektrycznej.

2.Związki organiczne

Związki chemiczne zbudowane głównie z atomów węgla i wodoru. Mogą zawierać też atomy innych pierwiastków, np. tlenu, azotu, siarki, fosforu. Wiele z nich stanowi budulec organizmów.

3.Podział związków chemicznych

Ze względu na skład, budowę cząsteczek i właściwości związki chemiczne dzielimy na nieorganiczne (np. tlenki, wodorotlenki, kwasy, sole) i organiczne. Do związków organicznych należą węglowodory (np. alkany, alkeny, alkiny) i pochodne węglowodorów (np. alkohole, kwasy karboksylowe, estry).

4.Atom węgla w związkach organicznych

Atom węgla w związkach organicznych zawsze tworzy cztery wiązania - węgiel jest w nich zawsze czterowartościowy.

5.Węglowodory

Związki organiczne, których cząsteczki są zbudowane wyłącznie z atomów węgla i wodoru.

6.Rodzaje łańcuchów węglowych

Atomy węgla łączą się ze sobą bezpośrednio i tworzą łańcuchy proste, łańcuchy rozgałęzione lub pierścienie. Na przykład węglowodór $\ce{C4H10}$ może mieć łańcuch prosty albo rozgałęziony, a $\ce{C4H8}$ może tworzyć pierścień.

7.Paliwa kopalne: gaz ziemny, ropa naftowa, węgle kopalne

Gaz ziemny - mieszanina gazowych węglowodorów o niewielkiej liczbie atomów węgla w cząsteczce oraz związków nieorganicznych. Ropa naftowa - ciekła mieszanina jednorodna głównie węglowodorów. Węgle kopalne - mieszaniny związków o dużej zawartości węgla, w stałym stanie skupienia.

8.Destylacja ropy naftowej

Ropę naftową ogrzewa się do ok. 400 °C, a jej pary wędrują w górę kolumny destylacyjnej. U góry (najniższa temperatura) odbiera się składniki o małych masach cząsteczkowych i niskich temperaturach wrzenia, a na dole - o dużych masach i wysokich temperaturach wrzenia. Produkty to gaz rafineryjny, benzyny, nafty, oleje napędowe i mazut.

9.Alkany

Węglowodory nasycone, w których cząsteczkach wszystkie atomy węgla są połączone wiązaniami pojedynczymi.

10.Nazwy alkanów

Nazwy wszystkich alkanów mają końcówkę -an: metan, etan, propan, butan. Cztery pierwsze alkany mają nazwy zwyczajowe, a nazwy kolejnych pochodzą od liczebników greckich.

11.Model czaszowy i model pręcikowo-kulkowy

To modele cząsteczek związków organicznych. W modelu czaszowym widać tylko atomy tworzące cząsteczkę. W modelu pręcikowo-kulkowym widać też liczbę i rodzaj wiązań między atomami.

12.Wzór sumaryczny

Wzór, który podaje tylko rodzaj i liczbę atomów w cząsteczce, np. $\ce{C4H10}$ (butan). Na jego podstawie nie można jednoznacznie określić budowy związku organicznego.

13.Wzór strukturalny

Wzór, który pokazuje rodzaj i liczbę atomów w cząsteczce oraz wszystkie utworzone w niej wiązania chemiczne (każde wiązanie to kreska).

14.Wzór półstrukturalny

Wzór, który pokazuje rodzaj i liczbę atomów w cząsteczce oraz tylko wiązania węgiel-węgiel, np. $\ce{CH3-CH2-CH2-CH3}$ (butan).

15.Wzór grupowy

Wzór, który podaje rodzaj i liczbę atomów w cząsteczce, ale pomija wiązania - przedstawia tylko grupy atomów, np. $\ce{CH3(CH2)2CH3}$ (butan).

16.Cztery rodzaje wzorów butanu

Sumaryczny: $\ce{C4H10}$; strukturalny: łańcuch czterech atomów węgla, wszystkie wiązania zapisane kreskami; półstrukturalny: $\ce{CH3-CH2-CH2-CH3}$; grupowy: $\ce{CH3(CH2)2CH3}$.

17.Wiązanie pojedyncze między atomami węgla

W cząsteczkach alkanów atomy węgla łączą się wiązaniami pojedynczymi. Każde takie wiązanie tworzą 2 elektrony walencyjne, czyli 1 para elektronowa.

18.Szereg homologiczny

Zbiór związków organicznych o podobnej budowie i podobnych właściwościach, w którym każdy kolejny związek ma w cząsteczce o jeden atom węgla i dwa atomy wodoru więcej niż poprzedni (różni się o grupę $\ce{-CH2-}$).

19.Szereg homologiczny alkanów (do 4 atomów węgla) i homologi

Metan $\ce{CH4}$, etan $\ce{C2H6}$, propan $\ce{C3H8}$, butan $\ce{C4H10}$ - każdy kolejny ma grupę $\ce{-CH2-}$ więcej. Związki należące do szeregu homologicznego alkanów to homologi.

20.Wzór ogólny alkanów

$\ce{C_{n}H_{2n+2}}$, gdzie n to liczba atomów węgla w cząsteczce (liczba naturalna, $n \geq 1$). Aby ustalić wzór sumaryczny alkanu, podstawiasz liczbę atomów węgla za n i obliczasz liczbę atomów wodoru: $2n+2$.

21.Metan

Najprostszy węglowodór, pierwszy związek w szeregu homologicznym alkanów, wzór $\ce{CH4}$. Jest głównym składnikiem gazu ziemnego (ok. 90 %) i występuje w kopalniach węgla kamiennego, dlatego nazywa się go też gazem kopalnianym.

22.Badanie produktów spalania metanu

Nad płomieniem palnika gazowego trzyma się dnem do góry kolbę zwilżoną od środka wodą wapienną. Obserwacja: na ściankach powstaje biały osad (woda wapienna mętnieje). Wniosek: jednym z produktów spalania metanu jest tlenek węgla(IV).

23.Spalanie całkowite

Reakcja spalania przy nieograniczonym dostępie tlenu, której produktami są tlenek węgla(IV) i woda (para wodna). Jest najbezpieczniejsza i najbardziej ekonomiczna. Dla metanu: $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$.

24.Spalanie niecałkowite

Reakcja spalania przy ograniczonym dostępie tlenu. Produktami są tlenek węgla(II) i woda albo węgiel (sadza) i woda. Dla metanu: $\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}$ lub $\ce{CH4 + O2 -> C + 2H2O}$.

25.Właściwości metanu

Metan to bezbarwny, bezwonny gaz o gęstości mniejszej od gęstości powietrza, nierozpuszczalny w wodzie. Jest mało reaktywny, ale palny - ulega spalaniu całkowitemu i niecałkowitemu (pali się niebieskim płomieniem).

26.Reaktywność

Zdolność związku chemicznego do uczestniczenia w reakcjach chemicznych.

27.Mieszanina wybuchowa metanu z powietrzem

Metan z powietrzem (lub tlenem) tworzy mieszaninę wybuchową, gdy stanowi 5-15 % jej objętości. Może ona eksplodować np. od iskry elektrycznej, ogrzania lub wstrząsu. Dlatego trzeba systematycznie kontrolować szczelność przewodów gazowych; to także śmiertelne zagrożenie w kopalniach.

28.Tlenek węgla(II) (czad) - powstawanie i źródła

Czad powstaje podczas spalania m.in. węgla i węglowodorów przy ograniczonym dostępie tlenu. Źródłem czadu mogą być: nieprawidłowo podłączone urządzenia (kuchenka gazowa, kominek, gazowy podgrzewacz wody), samochód z uruchomionym silnikiem, pożar.

29.Dlaczego czad jest niebezpieczny?

Czad z powietrzem trafia do płuc i krwi. Hemoglobina zamiast z tlenem łączy się z tlenkiem węgla(II), co powoduje niedotlenienie całego organizmu, utratę przytomności, a często śmierć. To „cichy zabójca” - bezwonny, bezbarwny i niedrażniący, więc niewyczuwalny.

30.Jak uniknąć zatrucia czadem?

Trzeba: stosować czujniki tlenku węgla(II), zapewnić stały dopływ świeżego powietrza i regularnie wietrzyć pomieszczenia oraz dbać o drożność przewodów kominowych, kratek i instalacji wentylacyjnych.

31.Etan

Drugi związek w szeregu homologicznym alkanów. Wzór sumaryczny $\ce{C2H6}$, wzór półstrukturalny $\ce{CH3-CH3}$.

32.Równania spalania etanu

Całkowite: $\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}$. Niecałkowite: $\ce{2C2H6 + 5O2 -> 4CO + 6H2O}$ lub $\ce{2C2H6 + 3O2 -> 4C + 6H2O}$. Im mniej tlenu, tym mniejszy współczynnik przy $\ce{O2}$.

33.Właściwości etanu

Etan to bezbarwny, bezwonny gaz o gęstości większej od gęstości powietrza, nierozpuszczalny w wodzie. Jest mało reaktywny i palny - ulega spalaniu całkowitemu i niecałkowitemu.

34.Jaki to alkan?

Propan $\ce{C3H8}$ - trzeci alkan w szeregu homologicznym, wzór półstrukturalny $\ce{CH3-CH2-CH3}$, wzór grupowy $\ce{CH3CH2CH3}$.

35.Jaki to węglowodór?

Butan $\ce{C4H10}$ - czwarty alkan w szeregu homologicznym, wzór półstrukturalny $\ce{CH3-CH2-CH2-CH3}$. Jest gazem, np. w zapalniczkach.

36.Spalanie butanu

Nad płomieniem butanu probówka pokrywa się kroplami wody i czarną sadzą - przy ograniczonym dostępie powietrza zachodzi spalanie niecałkowite: $\ce{2C4H10 + 5O2 -> 8C + 10H2O}$ lub $\ce{2C4H10 + 9O2 -> 8CO + 10H2O}$. Całkowite: $\ce{2C4H10 + 13O2 -> 8CO2 + 10H2O}$.

37.Wspólne właściwości fizyczne alkanów

Wszystkie alkany, niezależnie od stanu skupienia, mają gęstość mniejszą od gęstości wody i nie rozpuszczają się w wodzie.

38.Zmiany właściwości fizycznych alkanów w szeregu homologicznym

Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla: zmienia się stan skupienia (1-4 atomy C - gazy, 5-16 - ciecze, od 17 - substancje stałe), maleją lotność i palność, rosną temperatura wrzenia i gęstość. Temperatura topnienia obniża się dla trzech pierwszych alkanów, potem rośnie.

39.Właściwości chemiczne alkanów

Wszystkie alkany są palne. Gazowe alkany z tlenem lub powietrzem tworzą mieszaniny wybuchowe i są bezwonne oraz bez smaku. Alkany ciekłe i stałe mają charakterystyczne, niezbyt intensywne zapachy, podobne do woni benzyny lub świecy.

40.Benzyna i jej właściwości

Mieszanina ciekłych węglowodorów o 5-12 atomach węgla w cząsteczce, otrzymywana z destylacji ropy naftowej. To bezbarwna ciecz o charakterystycznym zapachu, łatwo się zapala, nie miesza się z wodą i pływa po niej (gęstość mniejsza od wody), dobrze rozpuszcza tłuszcze.