Alkany - właściwości fizyczne i chemiczne - Alkany - właściwości fizyczne i chemiczne

Poniższy materiał stanowi uzupełnienie treści zawartych w materiale: https://zpe.gov.pl/a/wlasciwosci-alkanow/Dw3ToRi0J

Czy wiesz, jaki gaz spalany jest podczas używania palników w kuchence gazowej? Najczęściej taka kuchenka podłączona jest do gazu ziemnegogaz ziemnygazu ziemnego z sieci, którego głównym składnikiem, stanowiącym około $90 %$ , jest metan. To najprostszy alkan zbudowany z jednego atomu węgla i czterech atomów wodoru, jest gazem łatwopalnym i spala się niebieskim płomieniem. Czy wiesz, jakie produkty powstają w wyniku reakcji spalania metanu?

Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:

charakterystykę węglowodorów nasyconych i grupę węglowodorów, którą do nich zaliczamy;
sposób tworzenia wzorów sumarycznych alkanów i ich nazewnictwo;
sposób zapisu wzorów strukturalnych i półstrukturalnych (grupowych) alkanów.

Nauczysz się

badać i opisywać właściwości fizyczne alkanów;
analizować zależności pomiędzy długością łańcucha węglowego a właściwościami fizycznymi alkanów;
badać i opisywać właściwości chemiczne alkanów;
zapisywać równania reakcji spalania alkanów.

AlkanyalkanyAlkany należą do grupy węglowodorów nasyconych, czyli związków węgla i wodoru, w których pomiędzy atomami węgla występują wyłącznie wiązania pojedyncze. Charakteryzują się wzorem ogólnym:

C_{n} H_{2 n + 2}

gdzie n stanowi liczbę atomów węgla, dlatego pierwszy alkan w szeregu homologicznym alkanówszereg homologiczny alkanówszeregu homologicznym alkanów ma wzór ${CH}_{4}$ , a kolejne: $C_{2} H_{6}$ , $C_{3} H_{8}$ , $C_{4} H_{10}$ , $C_{5} H_{12}$ itd.

AlkanyalkanyAlkany pod względem właściwości fizycznychwłaściwości fizyczne substancjiwłaściwości fizycznych wykazują wiele podobieństw, ale również różnic. Przeanalizujmy zatem poniższą tabelę i sprawdźmy, czym wybrane alkany różnią się od siebie.

W poniższej tabeli przedstawiono wybrane właściwości fizyczne niektórych alkanów:

Wzór sumaryczny alkanu	Nazwa systematyczna alkanu	Masa cząsteczkowa	Gęstość $[\frac{g}{{cm}^{3}}]$	Temperatura wrzenia $[° C]$	Temperatura topnienia $[° C]$	Stan skupienia w warunkach normalnych ( $0 ° C$ , $1013 hPa$ )
${CH}_{4}$	metan	$16 u$	$0,42$	$- 162$	$- 182$	gaz
$C_{2} H_{6}$	etan	$30 u$	$0,55$	$- 89$	$- 183$	gaz
$C_{3} H_{8}$	propan	$44 u$	$0,59$	$- 42$	$- 188$	gaz
$C_{4} H_{10}$	butan	$58 u$	$0,57$	$0$	$- 138$	gaz
$C_{5} H_{12}$	pentan	$72 u$	$0,63$	$36$	$- 130$	ciecz
$C_{8} H_{18}$	oktan	$114 u$	$0,70$	$126$	$- 57$	ciecz
$C_{16} H_{34}$	heksadekan	$226 u$	$0,77$	$287$	$18$	ciało stałe
$C_{20} H_{42}$	ikozan	$282 u$	$0,79$	$343$	$37$	ciało stałe

Analizując wartości w powyższej tabeli, możemy zauważyć, że wraz ze wzrostem długości nierozgałęzionego łańcucha węglowego alkanów wzrasta zarówno ich gęstość, jak i temperatury wrzenia i topnienia. W związku z tym zmienia się również ich stan skupienia – od gazowego, przez ciekły po stały. Zmiany właściwości fizycznych są wynikiem wzrostu mas cząsteczkowych w szeregu homologicznym nierozgałęzionych alkanów. Im dłuższe łańcuchy węglowe (większe masy cząsteczkowe), tym więcej oddziaływań pomiędzy cząsteczkami (sił van der Waalsa), zatem większe ich uporządkowanie. Pamiętajmy bowiem, że największe uporządkowanie cząsteczek obserwujemy w stanie stałym, mniejsze w stanie ciekłym, a najmniejsze w stanie gazowym. Dlatego alkany o najkrótszych, nierozgałęzionych łańcuchach węglowych (najniższych masach cząsteczkowych, czyli alkany od $1$ do $4$ atomów węgla w cząsteczce) to gazy, te o średniej długości łańcuchach węglowych (alkany od $5$ do $16$ atomów węgla w cząsteczce) to ciecze, a te o najdłuższych łańcuchach węglowych (alkany, w których jest powyżej $16$ atomów węgla) to ciała stałe. Ponadto należy pamiętać, że im dłuższe łańcuchy węglowe alkanów, tym należy dostarczyć więcej energii, aby rozerwać oddziaływania międzycząsteczkowe, co z kolei wiąże się ze zmianą stanu skupienia.

W jaki sposób określić stan skupienia danego związku chemicznego, analizując jego temperaturę topnienia i wrzenia?

Przeanalizuj poniższy przykład, a następnie rozwiąż ćwiczenie. Pewien alkan charakteryzuje się temperaturą wrzenia równą $98 ° C$ , a temperaturą topnienia równą $- 91 ° C$ . W jakim stanie skupienia występuje ten związek w temperaturze pokojowej ( $25 ° C$ ) i pod ciśnieniem normalnym ( $1013 hPa$ )?

Krok $1$

Narysuj oś i zaznacz na niej wartości temperatury topnienia i wrzenia.

R1atWQYOfT88y

Na ilustracji ukazano strzałkę skierowaną w prawą stronę. Z prawej strony, pod strzałką znajduje się zapis T wyrażone w stopniach Celsjusza. W jej początkowej części znajduje się zapis minus dziewięćdziesiąt jeden, a w jej końcowej części – dziewięćdziesiąt osiem. — Krok $1$
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Krok $2$

Wrzenie to zmiana stanu skupienia z ciekłego na gazowy, a topnienie to zmiana stanu skupienia ze stałego na ciekły. Dlatego poniżej temperatury $- 91 ° C$ omawiany alkan występuje w postaci ciała stałego, powyżej $98 ° C$ jest gazem. Pomiędzy tymi wartościami temperatur alkan ten jest cieczą. Zaznacz te informacje na osi.

Rl4blHG9bUS23

Krok $3$

Zaznacz na osi szukaną temperaturę i odczytaj stan skupienia alkanu.

R10ZxlNOp2WNp

Zatem szukany alkan w temperaturze równej $25 ° C$ jest cieczą.

Polecenie 1

Zapisz, w jakim stanie skupienia występuje omówiony alkan w temperaturze równej $- 92 ° C$ .

R1ErrNe0TePVf

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Temperatura $- 92 ° C$ znajduje się poniżej temperatury topnienia tego alkanu.

Do właściwości fizycznych alkanów należy również ich rozpuszczalność w różnych rozpuszczalnikach. Substancje polarne, czyli takie, w których występują przede wszystkim wiązania jonowe i kowalencyjne spolaryzowane, z reguły dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych, takich jak np. woda, etanol czy metanol. Substancje niepolarne, czyli takie, w których występują przede wszystkim wiązania kowalencyjne niespolaryzowane, z reguły dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych, takich jak np. benzyna czy nafta (które stanowią mieszaninęmieszaninamieszaninę ciekłych węglowodorów). Warto pamiętać zatem zasadę „podobne rozpuszcza się w podobnym”. Dlatego też alkany bardzo słabo rozpuszczają się w wodzie, a bardzo dobrze w ciekłych węglowodorach (alkanach) czy innych rozpuszczalnikach organicznych.

ReW8aAMXn4Biu

Na ilustracji ukazano dwie probówki. Probówka z lewej strony zawiera dwie warstwy substancji: heksan na górze i wodę na dole. Podpisana jest jako niejednorodna mieszanina wody i heksanu. Druga probówka zawiera zmieszany heksan z naftą. Podpisana jest jako jednorodna mieszanina heksanu i nafty. — Porównanie mieszaniny niejednorodnej i jednorodnej
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Heksan z wodą tworzą mieszaninę niejednorodnąmieszanina niejednorodnamieszaninę niejednorodną. Ten pierwszy jest rozpuszczalnikiem niepolarnym, a drugi – polarnym. Substancje te nie mieszają się ze sobą. Z kolei heksan z naftą (mieszaniną węglowodorów, których cząsteczki zawierają od $12$ do $15$ atomów węgla) tworzą mieszaninę jednorodnąmieszanina jednorodnamieszaninę jednorodną, gdyż obie stanowią substancje niepolarne.

Do właściwości chemicznychwłaściwości chemiczne substancjiwłaściwości chemicznych alkanów zaliczamy przede wszystkim ich palność. Wszystkie alkany są palne, a produkty ich spalania zależą od dostępności tlenu. Przy nieograniczonym dostępie powietrza (tlenu) następuje spalanie alkanów do tlenku węgla( $IV$ ). Jest to spalanie całkowite.

C_{3} H_{8} + 5 O_{2} \to 3 {CO}_{2} + 4 H_{2} O

2 C_{4} H_{10} + 13 O_{2} \to 8 {CO}_{2} + 10 H_{2} O

Przy ograniczonym dostępie powietrza (tlenu) następuje spalanie węglowodorów do węgla, czyli sadzy. Jest to jeden z typów spalania niecałkowitego.

C_{3} H_{8} + 2 O_{2} \to 3 C + 4 H_{2} O

2 C_{4} H_{10} + 5 O_{2} \to 8 C + 10 H_{2} O

Możliwe jest również spalanie węglowodorów do tlenku węgla( $II$ ), czyli czadu. Jest to drugi rodzaj spalania niecałkowitego.

2 C_{3} H_{8} + 7 O_{2} \to 6 CO + 8 H_{2} O

2 C_{4} H_{10} + 9 O_{2} \to 8 CO + 10 H_{2} O

Wirtualne laboratorium

Laboratorium 1

Alkany charakteryzują się różnymi wartościami temperatur wrzenia. Przeprowadź doświadczenie w wirtualnym laboratorium chemicznym polegające na zbadaniu temperatur wrzenia wybranych alkanów. Czy długość łańcucha węglowego alkanu ma wpływ na jego temperaturę wrzenia? Rozwiąż problem badawczy i zweryfikuj hipotezę. W formularzu zapisz obserwacje, a następnie sformułuj wnioski.

R1dfAge5OQNmw

Wirtualne laboratorium

pt .

Właściwości alkanów

Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RC0hQw8P5ZzzF1

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 2

Zapoznaj się z opisem doświadczenia zamieszczonym poniżej, a następnie wykonaj polecenia.

Hipoteza:

Im dłuższy łańcuch węglowy alkanu, tym wyższa temperatura wrzenia.

Sprzęt laboratoryjny:

mieszadło magnetyczne z funkcją grzania;
kamyczki wrzenne;
termometr;
kolba okrągłodenna;
chłodnica;
kolba płaskodenna;
cylinder miarowy;
łyżeczka.
statyw.

Odczynniki chemiczne:

pentan;
heksan;
heptan;
oktan;
nonan;
dekan.

Przebieg eksperymentu:

Do kolby okrągłodennej odmierzono za pomocą cylindra miarowego pięćdziesiąt $50 {cm}^{3}$ wybranego alkanu. Następnie dodano do kolby kamyczki wrzenne. W kolejnym kroku umieszczono kolbę w płaszczu grzejnym znajdującym się w zamontowanym zestawie. Następnie odkręcono wodę i włączono ogrzewanie kolby. Dalej obserwowano moment, w którym ciecz zaczęła parować, a następnie pary zaczęły się skraplać. Odczytano temperaturę na wyświetlaczu i zanotowano ją.

Obserwacje:

Pentan zaczął wrzeć w temperaturze $36 ° C$ .
Heksan zaczął wrzeć w temperaturze $69 ° C$ .
Heptan zaczął wrzeć w temperaturze $89 ° C$ .
Oktan zaczął wrzeć w temperaturze $126 ° C$ .
Nonan zaczął wrzeć w temperaturze $151 ° C$ .
Dekan zaczął wrzeć w temperaturze $174 ° C$ .

Wyniki:

Im dłuższy łańcuch węglowy alkanu, tym wyższa temperatura wrzenia.

Wnioski:

Hipoteza została potwierdzona.

Polecenie 2

RswSFopjM8Mjo

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 3

R13r6uznmItx9

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 4

R1eSSyQ85zqyr

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Narysuj oś temperatury, zaznacz na niej temperaturę wrzenia i topnienia propanu. Oznacz również trzy stany skupienia. Temperatura $0 ° C$ znajduje się powyżej temperatury wrzenia i topnienia. Odczytaj, jakiemu stanowi skupienia odpowiada ta temperatura.

Aplikacja

RGdVBDU0u29UQ1

RdLbjdxvRQ35r

Ćwiczenie 1

R1H4h8eG7TWCF

Ćwiczenie 2

R1KafdP9uJDdk

Ćwiczenie 3

Polecenie 5

ROkkdvybDNwRR

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 6

RPOmmEnQkqo3x

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 7

R1Q6YYvtCADQr

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

gaz ziemny

mieszanina gazowych węglowodorów, w tym przede wszystkim metanu i etanu;

alkany

Związki węgla i wodoru, należące do węglowodorów nasyconych, czyli takich, w których pomiędzy atomami węgla występują wyłącznie wiązania pojedyncze

szereg homologiczny alkanów

zestawienie alkanów uporządkowanych według zwiększającej się liczby atomów węgla w cząsteczce. W szeregu tym każdy następny węglowodór różni się od poprzedniego o jeden atom węgla i dwa atomy wodoru

właściwości fizyczne substancji

charakterystyczne cechy danej substancji, takie jak: stan skupienia, barwa, rozpuszczalność (rozpuszczanie to zjawisko fizyczne), przewodnictwo elektryczne, przewodnictwo cieplne, temperatury wrzenia i topnienia, twardość, kruchość, kowalność, połysk, gęstość, właściwości magnetyczne

właściwości chemiczne substancji

cechy substancji, które można określić na podstawie jej zachowania wobec innych substancji; do właściwości chemicznych zaliczamy między innymi: palność, reaktywność, zapach, smak

mieszanina

Jest to układ składający się z co najmniej dwóch substancji zmieszanych w dowolnych proporcjach, np. siarki i oleju, piasku i magnezu

mieszanina jednorodna

Jest to układ składający się z co najmniej dwóch substancji, których nie można odróżnić gołym okiem lub za pomocą prostych przyrządów optycznych, takich jak np. lupa bądź woda z sokiem z malin

mieszanina niejednorodna

Jest to układ składający się z co najmniej dwóch substancji, które można odróżnić gołym okiem lub za pomocą prostych przyrządów, takich jak np. lupa bądź woda z oliwą z oliwek

Ćwiczenia

Pokaż ćwiczenia:

R10HzsuRpaCwQ1

Ćwiczenie 1

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 2

Gazowe alkany zbiera się najczęściej do probówki umieszczonej do góry dnem, wypełnionej wodą i umieszczonej w krystalizatorze z wodą w sposób, jaki przedstawiono na poniższym rysunku.

RMM7I2j32JghT

Ilustracja przedstawia krystalizator wypełniony wodą, w którym umieszczona została probówka do góry dniem, w taki sposób, że jest do połowy wypełniona wodą. W probówce umieszczona została końcówka szklanej rurki, którą do probówki dostaje się gaz. — Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Gazowe alkany zbiera się najczęściej do probówki umieszczonej do góry dnem, wypełnionej wodą i umieszczonej w krystalizatorze z wodą. Do probówki włożona jest rurka, przez którą wprowadzany jest gaz.

RtE7YcG2HS0nE

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 3

Na poniższym schematycznym rysunku przedstawiono mieszaninę dwóch substancji. Która lub które z poniższych mieszanin mogły znaleźć się w probówce?

RjtvfvVi9Offv

Ilustracja przedstawia probówkę, w której znajdują się dwie odznaczające się od siebie substancje. Ta znajdująca się wyżej jest przeźroczysta. — Źródło: GroMar sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W probówce znajduje się mieszanina dwóch substancji, które nie mieszają się ze sobą, tworząc dwie warstwy.

R1Axjk5s0r03b

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R176tBPufAJJE1

Ćwiczenie 4

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 5

RXaIY1Xzlk6jB

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Narysuj oś temperatury, zaznacz na niej temperaturę wrzenia i topnienia alkanu. Oznacz również na niej trzy stany skupienia. Temperatura $25 ° C$ znajduje się pomiędzy temperaturą wrzenia i topnienia. Odczytaj, jaki stan skupienia znajduje się pomiędzy temperaturą wrzenia i topnienia.

RHsDvbXZP6J8q2

Ćwiczenie 6

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 7

Analizują budowę cząsteczek alkanów, wskaż zależność pomiędzy długością łańcucha węglowego a ich gęstością, temperaturą wrzenia i topnienia.

R1a7aSFf64tDX

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 8

Zapalniczki gazowe zawierają w zbiorniczkach butan w stanie skroplonym. Po naciśnięciu przycisku (spustu), butan w postaci gazowej wydostaje się na zewnątrz. Otwiera się wówczas zaworek zbiornika, a ciśnienie powoduje wyrzucanie gazu i jego zmieszanie z powietrzem.

Przeprowadzono doświadczenie chemiczne, w których sprawdzano palność butanu. W tym celu napełniano probówkę butanem z zapalniczki przez kilkanaście sekund. Probówkę z gazem trzymano ustawioną do góry dnem. Następnie przystawiono do wylotu probówki źródło ognia. Pojawił się wówczas pomarańczowy płomień u wylotu probówki, a jej wnętrze pokryło się czarnym osadem. Zapisz równanie reakcji, która zaszła.

R6fL2MAEcJDo2

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

2 C_{4} H_{10} + 5 O_{2} \to 8 C + 10 H_{2} O

Ćwiczenie 9

R1Hs7QELHWopm

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Glossary

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa, 2022.

Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.

Łasiński D., Sporny Ł., Strutyńska D., Wróblewski P., Podręcznik dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Mac Edukacja 2020.

Jones L., Atkins P., Leroy L., Warszawa 2020, wyd. 2.

bg‑gray3

Notatnik

R9CJRuGAZdq6p

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.