Właściwości alkanów
Jedną z wykorzystywanych w życiu codziennym właściwości substancji jest palność. Na przykład metan to główny składnik gazu ziemnego. Jest wykorzystywany na co dzień do wytwarzania płomienia w kuchenkach gazowych, ogrzewania wody czy mieszkań. Niestety, co roku media informują o wybuchach metanu w kopalniach i śmierci z powodu zaczadzenia. Dlaczego tak się dzieje? Jakie jeszcze właściwości mają alkany i dlaczego ich spalanie może być niebezpieczne?
jaka jest konfiguracja elektronowa i położenie węgla w układzie okresowym;
jakie związki nazywamy węglowodorami nasyconymi;
jak zapisywać wzór sumaryczny alkanu o podanej liczbie atomów węgla;
jak tworzyć wzór ogólny szeregu homologicznego alkanów;
jak rysować wzory strukturalne i półstrukturalne alkanów.
wyjaśniać wpływ długości łańcucha węglowego na właściwości fizyczne alkanów, np. na stan skupienia;
planować doświadczenia pozwalające zbadać właściwości alkanów na przykładzie metanu i etanu;
obserwować i opisywać właściwości fizyczne i chemiczne (reakcje spalania) alkanów na przykładzie metanu i etanu.
1. Właściwości fizyczne alkanów
W jaki sposób można otrzymać metan?
Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.
Metan jest gazem o gęstości większej od gęstości powietrza i możemy go zbierać bezpośrednio do probówki lub zlewki, tak jak tlenek węgla(IV).
Metan jest gazem o mniejszej gęstości od powietrza i słabo rozpuszczalnym w wodzie, dlatego należy go zbierać do probówki lub zlewki napełnionej wodą i odwróconej do góry dnem w naczyniu napełnionym wodą.
3 g octanu sodu,
3 g tlenku wapnia,
3 g wodorotlenku sodu,
moździerz,
krystalizator,
2 probówki,
korek z rurką odprowadzającą,
korek,
statyw,
łapa,
palnik gazowy.
W moździerzu zmieszaj octan sodu, tlenek wapnia i wodorotlenek sodu.
Powstałą mieszaninę umieść w probówce, zamknij korkiem z rurką odprowadzającą i umocuj ukośnie w statywie.
Drugą probówkę napełnij wodą i umieść, odwróconą do góry dnem, w krystalizatorze napełnionym wodą do 1/3 objętości.
Zacznij ogrzewać probówkę z mieszaniną. Wydzielający się gaz zbieraj pod wodą do probówki (po ukończeniu zbierania zamknij probówkę korkiem).
Obserwuj zachodzące zmiany.
R10EU6Kb6Dek91 Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
W wyniku reakcji powstaje bezbarwny, bezwonny gaz, który wypiera wodę z probówki. Bardzo trudno rozpuszcza się w wodzie. Zebranym gazem jest metan.
1. Przedstaw dane z tabeli 1., uwzględniając zależność liczby atomów węgla od temperatury wrzenia i topnienia w postaci wykresu słupkowego.
2. Odczytaj w tablicach chemicznych gęstość pierwszych pięciu węglowodorów z szeregu homologicznego alkanów.
![Alkany](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RmHue45KA4MDd/5/2gOIIY8astbN1C6qLo5haMd1U1Qdcg4c.png)
Właściwości fizyczne alkanów zmieniają się wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w ich cząsteczkach – przechodzą od stanu gazowego, poprzez ciekły, do stanu stałego.
Alkany są związkami bezbarwnymi, o małej gęstości, nie rozpuszczają się w wodzie. Alkany zawierające w cząsteczce od 1 do 4 atomów węgla w cząsteczce to gazy. Węglowodory nasycone zawierające od 5 do 16 atomów węgla w cząsteczce to ciecze, a mające 17 i więcej atomów węgla w cząsteczce – substancje stałe.
![Dwa zdjęcia na pierwszym widać trzy buteleczki z: pentanem C5H12, heksanem C6H14 oraz heptanem C7H16. Drugie zdjęcie przedstawia cztery butle z gazami: metanem, etanem, propanem oraz butanem.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R1KnGvrsTQd5J/3/Jym3Z0UFdNj5w1igczhh4Km5rQ1eWKOo.png)
2. Właściwości chemiczne alkanów
Doświadczenie należy przeprowadzać w okularach ochronnych.
Czy metan jest gazem palnym?
Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.
Metan jest gazem palnym.
Metan nie jest gazem palnym.
palnik gazowy,
zlewka,
woda wapienna,
szczypce.
Zapal palnik gazowy, za pomocą pokrętła ustaw najpierw mały, a następnie duży dostęp powietrza.
Nad palnikiem trzymaj zlewkę zwilżoną wodą wapienną.
Do wylotu palnika zbliż szkiełko zegarkowe, ograniczając dopływ powietrza.
Obserwuj zachodzące zmiany.
![Galeria dwóch zdjęć, na każdym znich włączony palnik oraz ponad szkiełko. 1 zdjęcie przedstawia nieograniczony dostęp tlenu – bladoniebieski płomień, 2 zdjęcie przy ograniczonym dostępie powietrza (tlenu) płomień przyjmuje żółtą barwę, a na trzymanym przy wylocie szkiełku pojawia się czarny nalot – sadza.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RCsYY8JYS96j1/7/1u2KuGIZKGyNBgMT6kI2AeUodSRJ9o9h.png)
Głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan. Jest on gazem palnym. Przy nieograniczonym dostępie powietrza spala się bladoniebieskim płomieniem. Powstaje wtedy para wodna, a w miejscu zwilżenia wodą wapienną widać biały osad, co oznacza, że jednym z produktów spalania jest tlenek węgla(IV). Przy ograniczonym dostępie powietrza (tlenu) płomień przyjmuje żółtą barwę, a na szkiełku pojawia się czarny nalot – sadza.
Reakcję spalania całkowitegospalania całkowitego opisuje równanie:
![](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RALfUyJv5yPUk/4/Hec1v6KQsSFYT7Jj3NVraAh33H25mWpP.png)
Przy ograniczonym dostępie powietrza zachodzi spalanie niecałkowitespalanie niecałkowite:
![](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R17AfWFZSQWHJ/1607684264/15XRFn5xAeD5acHwyL2ZSEOdy0RaaCK5.png)
![](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/ROisPzLpzOvna/5/1y78UiasVpaQKSvXLK4NxqawBx9dtNBb.jpg)
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Animacja przedstawiająca reakcję spalania całkowitego metanu. Wykonywane są obliczenia obrazujące tę reakcję.
W wyniku niecałkowitego spalania metanu, np. w piecykach gazowych, powstaje tlenek węgla(II) zwany czadem. Jest to bezbarwny, bezwonny gaz, który w organizmie człowieka ok. 300 razy szybciej łączy się z hemoglobiną niż tlen.
Tworzy on połączenie, które jest trwalsze niż połączenie tlenu z hemoglobiną. Dochodzi więc do niedotlenienia tkanek, co w wielu przypadkach prowadzi do śmierci. Jedynym ratunkiem jest natychmiastowa transfuzja krwi.
W pomieszczeniach, w których występuje ryzyko emisji tlenku węgla(II), montuje się detektory przeznaczone do stałej kontroli obecności tego gazu. Po przekroczeniu określonych wartości stężenia tlenku węgla(II) w powietrzu zostaje uruchomiony odpowiedni sygnał.
![Fotografia przedstawiajaca czujnik dwutlenku węgla z diodą alarm, zasilanie test i pokazanym na wyświetlaczu wskaźnikiem.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RkkCwHySbCSec/5/2ZhwiWYo2ryVo5h5utqlF8tF5CNIXzOB.png)
Produktami spalania całkowitego innych alkanów są – tak jak w przypadku metanu – tlenek węgla(IV) i woda. Natomiast podczas spalania niecałkowitego powstają odpowiednio tlenek węgla(II) i woda lub węgiel i woda.
W wyniku spalania całkowitego etanu powstaje zatem:
![](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/Rcf3NptSg6eEb/4/NAnBAkwYvAHuGNvj2LK2vJg4THSRBguW.png)
![](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RCFuWSaRScPAw/3/1W75yo2CDcjWU2aNxsk8YO2rGzYDHsnv.jpg)
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Animacja przedstawiająca reakcję spalania całkowitego etanu gdzie są uzgadniane wartości po stronie substratów i produktów.
Przy ograniczonym dostępie tlenu zachodzi spalanie niecałkowite:
![](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R35hDogjq1jBt/4/M4tCZc2qfY4cEg6eV5ECD3qt8crDSKOd.png)
![](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RJ6E7EQ0FxVNG/5/2BCxQowmD2kaSED4sAORqENSaQQmpVWo.jpg)
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Prezentowane są odpowiednio wymieniane sprzęty laboratoryjne i odczynniki. Eksperymentator wlewa do krystalizatora wodę, dodaje detergent. Eksperymentator wprowadza wężykiem gaz z butli do krystalizatora z wodą. Na powierzchni krystalizatora tworzą się bańki. Po zebraniu większej ilości baniek eksperymentator odstawia butlę. Eksperymentator zbliża do baniek zapalone łuczywko. Pojawia się duży płomień.
Mieszanina metanu z powietrzem w stężeniu objętościowym 4,5–15% ma właściwości wybuchowe. Tworzenie się tej mieszaniny wskutek przedostania się metanu do zamkniętych pomieszczeń bywa przyczyną groźnych w skutkach eksplozji, zarówno w budynkach mieszkalnych, jak i kopalniach. W mieszaninie o proporcji powyżej 15% metan pali się płomieniowo. Mieszanina wybuchowa eksploduje np. pod wpływem ognia czy iskry elektrycznej. Dlatego gdy podejrzewasz, że ulatnia się gaz, zamknij jego dopływ i otwórz szeroko okna. Pod żadnym pozorem nie zapalaj ognia ani nie włączaj urządzeń elektrycznych. Jak naszybciej opuść mieszkanie i zawiadom pogotowie gazowe (tel. 992).
![Samochód z numerem telefonu pogotowia gazowego](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R1ba8SPd1aqza/5/2TRJSVIXU2G3nCJ5CJctQkuPkGM7LJTb.png)
Doświadczenie należy przeprowadzać w okularach ochronnych.
Czy węglowodory ciekłe i stałe są palne?
Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.
Węglowodory stałe i ciekłe są palne.
Węglowodory stałe i ciekłe nie są palne.
palnik gazowy,
2 parownice,
nafta lub pentan,
parafina,
szczypce,
trójnóg,
siatka ze spiekiem ceramicznym,
łuczywo.
W ogrzanej parownicy umieść niewielką ilość pentanu (lub nafty). Zapal go (ją), używając łuczywa.
Umieść parownicę z niewielką ilością parafiny na trójnogu z siatką ceramiczną i ogrzewaj. Po chwili zapal ją, używając łuczywa.
Obserwuj zachodzące zmiany.
Nafta jest mieszaniną ciekłych, a parafina – stałych węglowodorów. Po ogrzaniu nafty jej pary zapaliły się. Podobnie było w przypadku parafiny – stopiła się, a jej pary zapaliły się. Wszystkie alkany są palne, a temperatura zapłonu wzrasta z liczbą atomów węgla w cząsteczce węglowodoru.
![Grafika składająca się z 2 zdjęć przedstawiających spalanie pentanu i parafiny z dobrze widocznymi płomieniami.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R6jDNGK7SfMAw/3/mcR6Nt8HN0ptSYUlssA68SGem8sp5NGt.png)
![](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RGkBgo0wTyuVS/5/1u3cZXOMvsLcIqzcFtZOALvBqMcUhDTN.jpg)
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Animacja prezentuje sposób obliczania wzoru sumarycznego i nazwy alkanu na podstawie masy cząsteczkowej, lektor kolejno objaśnia kolejne kroki jakie należy wykonać w ćwiczeniu, a na ekranie wyświetlane są kolejne obliczenia.
Badanie zachowania się metanu w obecności wodnego roztworu wody bromowej.
![](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R7QFe8LbdB5wn/5/aldvHKiaz096CxYKlk8bJJJZ48VBg995.jpg)
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.
Pod wpływem wysokiej temperatury lub światła metan reaguje m.in. z bromem i chlorem.
Czy propan i butan odbarwiają roztwór manganianu(VII) potasu?
Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.
Propan i butan nie odbarwiają roztworu manganianu(VII) potasu.
Propan i butan odbarwiają roztwór manganianu(VII) potasu.
2 probówki,
korek,
rozcieńczony roztwór manganianu(VII) potasu,
mieszanina propanu i butanu (np. gaz do napełniania zapalniczek).
Do pierwszej probówki wlej do 1/3 jej objętości rozcieńczony roztwór manganianu(VII) potasu.
Drugą probówkę napełnij mieszaniną propanu i butanu Następnie wlej taką samą ilość roztworu manganianu(VII) potasu. Probówkę zamknij korkiem i dobrze wymieszaj przez wytrząsanie.
Obserwuj zachodzące zmiany.
Porównaj zawartość obu probówek.
![Zdjęcie przedstawia roztwór manganianu(VII) potasu oraz brak odbarwienia w przypadku mieszaniny propanu i butanu z roztworem manganianu(VII) potasu.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R1AYdlGWO0BYW/6/1R3YTThcIkVAqxtTXnliaiRQXZj68Ih3.png)
Mieszanina propanu i butanu nie odbarwia roztworu manganianu(VII) potasu, czyli z nim nie reaguje. Węglowodory nasycone są mało reaktywne. Wynika to z ich budowy i obecności w cząsteczce wiązań pojedynczych, które są trudne do rozerwania.
Podsumowanie
Właściwości fizyczne alkanów zmieniają się wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego.
Alkany są związkami mało reaktywnymi chemicznie, w temperaturze pokojowej ulegają reakcjom spalania.
Określ stan skupienia związków chemicznych o wzorach: , , , .
Narysuj wzór strukturalny i półstrukturalny alkanu, którego masa cząsteczkowa wynosi 100 u.
Przedstaw w formie plakatu informacje na temat postępowania w przypadku nieszczelności instalacji gazowej.
Słowniczek
proces spalania węglowodorów przy nieograniczonym dostępie powietrza (tlenu); jego produktami są tlenek węgla(IV) i woda
proces spalania węglowodorów przy ograniczonym dostępie powietrza (tlenu); jego produktami są tlenek węgla(II) (czad) oraz woda lub węgiel (sadza) i woda
Zadania
Rozwiąż zadanie.
![](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R9BUrBjx6yLQW/6/1jz8CTDIEMAZa8xztWTJ03HtOu3QC01l.png)
Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D6pTjIwIF
Uzupełnij równanie reakcji opisującej przebieg niecałkowitego spalania pewnego węglowodoru nasyconego. W wyniku tego procesu nie powstaje czad. Wstaw wzory związków i pierwiastków chemicznych oraz współczynniki stechiometryczne we właściwe miejsca.
, , , 5, 4, 3, , , 2, 6, 7, ,
............ + ............ ............ + ............ ............
Na podstawie tabeli oceń prawdziwość podanych informacji. Wskaż, które zdanie jest prawdziwe, a które fałszywe.
Alkan | Wzór chemiczny | Temperatura wrzenia (°C) | Temperatura topnienia (°C) | Stan skupienia (przy 20°C) |
Metan | -162 | -183 | gaz | |
Etan | -89 | -172 | gaz | |
Propan | -42 | -188 | gaz | |
Butan | -138 | gaz | ||
Pentan | 36 | -130 | ciecz | |
⁞ | ||||
Heksadekan | 287 | 18 | ciecz | |
Heptadekan | 302 | 22 | ciało stałe |
Prawda | Fałsz | |
Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce alkanów maleje temperatura wrzenia. | □ | □ |
Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce alkanów wzrasta temperatura wrzenia. | □ | □ |
Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce alkanów maleje temperatura topnienia. | □ | □ |
Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce alkanów wzrasta temperatura topnienia. | □ | □ |
Pentan w temperaturze 20°C jest gazem. | □ | □ |