Węglowodory nasycone – alkany
Znasz już pojęcie roztworu nasyconego – to taki roztwór, w którym (w danej temperaturze) rozpuszczono maksymalną ilość substancji. Określenie „nasycony” jest również używane w odniesieniu do opisu niektórych związków organicznych. Dlaczego? Jest to związane z ich budową, zatem przeanalizujmy ją.
jaka jest konfiguracja elektronowa i położenie węgla w układzie okresowym;
jakie związki nazywamy węglowodorami;
jakie są naturalne źródła węglowodorów.
definiować terminy alkany i węglowodory nasycone;
tworzyć wzór ogólny szeregu homologicznego alkanów;
zapisywać wzór sumaryczny dowolnego alkanu o podanej liczbie atomów węgla w cząsteczce;
zapisywać wzory strukturalne i półstrukturalne alkanów.
1. Metan
Najprostszym węglowodorem jest metan, którego cząsteczki są zbudowane z jednego atomu węgla i atomów wodoru. Położenie węgla w układzie okresowym wskazuje na to, że ma on cztery elektrony walencyjne. W związkach organicznych węgiel jest zawsze czterowartościowy – może utworzyć maksymalnie cztery wiązania chemiczne. Atom węgla połączony z czterema atomami wodoru tworzy związek o wzorze , czyli metan.
Cząsteczka metanu ma kształt tetraedru (czworościanu foremnego). Wszystkie wiązania między atomem węgla a atomami wodoru są takie same (kąty pomiędzy wiązaniami wynoszą 109°28').
Metan powstaje w warunkach beztlenowych podczas rozkładu materii organicznej. Jest głównym składnikiem gazu ziemnego, na terenach bagiennych wydziela się jako gaz błotny. Źródłem metanu są także wysypiska śmieci. Produkują go również zwierzęta przeżuwające (bydło, owce).
Pierwsze na świecie udane wydobycie gazu z hydratów metanu
Prawie pół wieku temu odkryto znaczne ilości „zamrożonego” metanu na dnie oceanów. Jednak dopiero w 2013 r. udało się wydobyć gaz z hydratów metanu, zwanych „płonącym lub metanowym lodem”. Nie było to proste zadanie, ponieważ przy wydobyciu metan może w sposób niekontrolowany wydostawać się w postaci „bąbelków”, zwiększając emisję gazu cieplarnianego i jednocześnie zabierając organizmom wodnym duże ilości tlenu. Rządy USA, Kanady, Norwegii, Chin i Japonii zaczęły inwestować w opracowanie technologii pozwalających wydobyć „metan uwięziony w lodzie”. W USA wykonano już nawet testowe instalacje do eksploatacji hydratów metanu w pobliżu Alaski, ale to Japończycy pierwsi ogłosili, że im się to powiodło.
(Źródło: Japończycy wydobyli gaz z hydratów metanu, Hydraty – paliwo przyszłości?)
*Hydraty metanu – to szczelnej budowy struktury krystaliczne, złożone z molekuł metanu zamkniętych w klatkach cząsteczek wody.
Czy metan powoduje odbarwienie wody bromowej?
Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.
Metan odbarwia wodę bromową.
Metan nie powoduje odbarwienia wody bromowej.
2 probówki,
korek,
woda bromowa (roztwór bromu),
metan (np. z małej butli).
Do pierwszej probówki wlej do 1/3 jej objętości roztwór bromu (wodę bromową).
Drugą probówkę napełnij metanem i wlej taką samą ilość wody bromowej. Probówkę zamknij korkiem i dobrze wymieszaj przez wytrząsanie.
Obserwuj zachodzące zmiany.
Porównaj zawartość obu probówek.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Na ekranie widać konieczne do przeprowadzenia eksperymentu sprzęty i substancje. Po wypowiedzeniu przez lektora kolejnych poleceń prezentowane jest ich wykonanie. Czynności eksperymentatora: do pierwszej probówki wlewamy do 1/3 jej objętości roztworu bromu (wody bromowej).Drugą probówkę napełniamy metanem i wlewamy taką samą objętość bromu (wody bromowej). Probówkę zamykamy korkiem i mieszamy przez wytrząsanie. Zbliżenie na obie probówki.
Metan nie odbarwia bromu, czyli z nim nie reaguje. Oznacza to, że jest on węglowodorem nasyconym, mało reaktywnym, co wynika z jego budowy i obecności w cząsteczce metanu wiązań pojedynczych, które są trudne do rozerwania.
2. Węglowodory nasycone
Składnikami gazu ziemnego oprócz metanu są: etan, propan, butan. Ich nazwy są zwyczajowe. Począwszy od pentanu, nazwy tworzy się od greckich liczebników: penta- (pięć), heksa- (sześć) itd., oznaczających liczbę atomów węgla w cząsteczce, przez dodanie zakonczenia -an.
AlkanyAlkany są to węglowodory nasycone, w których cząsteczkach między atomami węgla występują wyłącznie pojedyncze wiązania.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Animacja przedstawiająca sposoby rysowania wzorów strukturalnych i półstrukturalnych alkanów na podstawie polecenia.
Wszystkie cząsteczki alkanów w szeregu homologicznym mają wiązania pojedyncze (czyli do każdego atomu węgla jest przyłączona maksymalna liczba atomów wodoru lub węgla), dlatego nazywa się je węglowodorami nasyconymi.
Wzór ogólny alkanów:
– liczba atomów węgla w cząsteczce
Nazwy wszystkich alkanów mają zakończenie -an.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Na ekranie np. tablicy zapisywany jest wzór: CnH2n+2 – wzór ogólny alkanów. Zadanie 1. Zapisz wzór sumaryczny alkanu o 4 atomach węgla. Są wykonane obliczenia dzięki którym można zapisać wzór sumaryczny alkanu. Zadanie 2. Zapisz wzór sumaryczny alkanu o 20 atomach węgla. Są wykonane obliczenia dzięki którym można zapisać wzór sumaryczny alkanu. Zadanie 3. Zapisz wzór sumaryczny alkanu o 18 atomach wodoru. Są wykonane obliczenia dzięki którym można zapisać wzór sumaryczny alkanu.
Alkany lub inne związki organiczne o tym samym wzorze sumarycznym mogą różnić się budową – związki takie nazywamy izomeramiizomerami. Znane są związki o łańcuchu „prostym”, w których wszystkie atomy węgla są związane z nie więcej niż dwoma innymi atomami węgla, oraz związki o łańcuchu „rozgałęzionym”, w których przynajmniej jeden z atomów węgla jest związany z więcej niż dwoma innymi atomami węgla. Im więcej jest atomów węgla w cząsteczce alkanu, tym więcej możliwości połączeń między nimi. Jeżeli w cząsteczce alkanu wszystkie atomy węgla są ustawione w jednym szeregu i nie ma rozgałęzień, to można jego nazwę podać z literą n- na początku (skrót od normalny).
Butan o wzorze sumarycznym może utworzyć związek chemiczny o łańcuchu prostym (n‑butan) lub rozgałęzionym (izobutan).
Podsumowanie
Węgiel w związkach organicznych jest zawsze czterowartościowy.
Węglowodory nasycone (alkany) to węglowodory, w których cząsteczkach między atomami węgla występują wyłącznie wiązania pojedyncze.
Węglowodory nasycone tworzą szereg homologiczny o wzorze ogólnym .
Sprawdź, czy związki chemiczne o wzorach: ,, , należą do szeregu homologicznego alkanów.
Przedstaw modele pięciu kolejnych alkanów, zaczynając od metanu. Wykonaj je z dowolnych materiałów, np. plasteliny i zapałek.
Napisz wzory strukturalny i półstrukturalny alkanu zawierającego 10 atomów węgla w cząsteczce.
Słowniczek
węglowodory nasycone, związki organiczne zbudowane z atomów węgla i wodoru, zawierające między atomami węgla wyłącznie wiązania pojedyncze
związki chemiczne o tym samym wzorze sumarycznym, ale różniące się budową (ułożeniem atomów w cząsteczce)
szereg związków organicznych uporządkowanych według wzrastającej liczby atomów węgla, np. alkanów, w którym dwa kolejne związki różnią się od siebie o grupę atomów
Zadania
Ułóż szereg homologiczny alkanów, zaczynając od metanu.
- metan
- butan
- pentan
- heksan
- heptan
- etan
- propan
- nonan
- dekan
- oktan
Zbuduj model cząsteczki butanu, wstawiając dostępne elementy we właściwe miejsca.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D19FInmrs
Zbuduj model cząsteczki etanu, wstawiając dostępne elementy we właściwe miejsca.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D19FInmrs
Zbuduj model cząsteczki heptanu, wstawiając dostępne elementy we właściwe miejsca.
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D19FInmrs
Połącz w pary nazwy alkanów z odpowiednimi wzorami sumarycznymi.
metan, oktan, dekan, nonan, etan, pentan, butan, propan, heksan, heptan
Wyznacz liczbę atomów wodoru alkanu o 6 atomach węgla, uzupełniając zapis odpowiednimi elementami.
4, 5, , 6, 14, 10, , 2, , 12
Wzór ogólny alkanów ............ ............ za , podstawiamy ............. Alkan o 6 atomach węgla ma cząsteczce ............ atomów wodoru.