Alkany: spalanie i substytucja chloru

Alkany to węglowodory nasycone, czyli związki zbudowane tylko z atomów węgla i wodoru, w których między atomami węgla występują wyłącznie wiązania pojedyncze. Dla alkanów łańcuchowych obowiązuje wzór ogólny $C_nH_{2n+2}$.

Do szeregu homologicznego alkanów należą m.in. metan $CH_4$, etan $C_2H_6$, propan $C_3H_8$ i butan $C_4H_{10}$. Kolejne związki różnią się o fragment $-CH_2-$. Podobna budowa powoduje podobne właściwości chemiczne, dlatego alkany omawia się jako jedną rodzinę związków.

W szkole średniej ważne jest rozpoznawanie, że alkany nie mają wiązań podwójnych ani potrójnych. To odróżnia je od alkenów i alkinów oraz tłumaczy, dlaczego typową reakcją alkanów nie jest addycja, lecz spalanie i substytucja.

Spalanie to reakcja związku z tlenem. Dla alkanów ma ona duże znaczenie praktyczne, ponieważ prowadzi do wydzielania energii, więc jest reakcją egzoenergetyczną. Gdy tlenu jest pod dostatkiem, zachodzi spalanie całkowite, a produktami są tylko dwutlenek węgla $CO_2$ i woda $H_2O$.

Przykład dla metanu:

$$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$$

Przykład dla propanu:

$$C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O$$

Podczas uzgadniania równań spalania najwygodniej postępować w kolejności:

• najpierw wyrównać liczbę atomów węgla,
• potem liczbę atomów wodoru,
• na końcu dobrać współczynnik przed tlenem.

Jeżeli dostęp tlenu jest zbyt mały, alkany ulegają spalaniu niecałkowitemu. Wtedy zamiast samego $CO_2$ mogą powstawać tlenek węgla(II) $CO$ albo nawet węgiel $C$ w postaci sadzy oraz woda.

Przykład spalania niecałkowitego propanu do $CO$:

$$2C_3H_8 + 7O_2 \rightarrow 6CO + 8H_2O$$

Przykład spalania niecałkowitego do węgla:

$$C_3H_8 + 2O_2 \rightarrow 3C + 4H_2O$$

Im mniejsza ilość tlenu, tym bardziej niepełne utlenienie atomów węgla. W praktyce może to oznaczać powstawanie czadu, czyli $CO$, który jest gazem silnie toksycznym.

Drugą ważną reakcją alkanów jest substytucja, czyli reakcja podstawienia. W jej przebiegu atom wodoru w cząsteczce alkanu zostaje zastąpiony atomem chloru. Reakcja zachodzi w obecności światła, najczęściej promieniowania UV, co zapisuje się nad strzałką jako $h\nu$ lub słownie „światło”.

Najprostszy przykład to chlorowanie metanu:

$$CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl$$

Powstający związek $CH_3Cl$ to chlorometan, czyli monochloropochodna metanu. W tej reakcji nie dochodzi do przyłączania chloru do wiązania wielokrotnego, bo alkany takich wiązań nie mają. Dlatego jest to substytucja, a nie addycja.

W zadaniach maturalnych często trzeba rozpoznać po produktach, czy zaszło spalanie czy chlorowanie. Obecność $HCl$ i chloropochodnej wskazuje na substytucję, a obecność $CO_2$ i $H_2O$ na spalanie.

Chlorowanie metanu może zachodzić etapami. Po otrzymaniu chlorometanu możliwa jest dalsza wymiana kolejnych atomów wodoru na chlor. Otrzymuje się wtedy następno:

• dichlorometan $CH_2Cl_2$,
• trichlorometan $CHCl_3$,
• tetrachlorometan $CCl_4$.

Kolejne równania można zapisać następująco:

$$CH_3Cl + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl_2 + HCl$$

$$CH_2Cl_2 + Cl_2 \rightarrow CHCl_3 + HCl$$

$$CHCl_3 + Cl_2 \rightarrow CCl_4 + HCl$$

Warto zauważyć, że w każdym etapie powstaje także chlorowodór $HCl$. W metanie można więc zastąpić maksymalnie cztery atomy wodoru, ponieważ dokładnie tyle ich zawiera jedna cząsteczka metanu.

W liceum najczęściej pojawiają się trzy typy poleceń: rozpoznawanie alkanów po wzorze, zapisywanie równań spalania oraz odróżnianie spalania od substytucji z chlorem. Trzeba też umieć poprawnie nazwać chloropochodne, zwłaszcza dla metanu i etanu.

Najczęstsze błędy uczniów to:

• mylenie spalania całkowitego ze spalaniem niecałkowitym,
• zapominanie, że chlorowanie alkanów wymaga zwykle światła,
• uznawanie chlorowania za addycję, choć jest to substytucja,
• błędne dobieranie współczynników przy tlenie podczas uzgadniania równań,
• nierozróżnianie produktów: $CO_2$ i $H_2O$ należą do spalania, a chloropochodna i $HCl$ do chlorowania.

Dobrą strategią jest najpierw ustalić, jaki jest typ reakcji, a dopiero potem zapisywać produkty. Jeśli w treści zadania pojawia się tlen, myślimy o spalaniu. Jeśli występują alkan, chlor i światło, najbardziej typowa będzie substytucja.