Właściwości alkanów

Jedną z wykorzystywanych w życiu codziennym właściwości substancji jest palność. Na przykład metan to główny składnik gazu ziemnegogaz ziemnygazu ziemnego. Jest wykorzystywany do wytwarzania płomienia w kuchenkach gazowych, ogrzewania wody czy mieszkań. Niestety, co roku media informują o jego wybuchach w kopalniach bądź o czyjejś śmierci z powodu zaczadzenia. Dlaczego tak się dzieje? Jakie jeszcze właściwości mają alkany i dlaczego ich spalanie może być niebezpieczne?

Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:

położenie atomu węgla w układzie okresowym oraz jego konfigurację powłokową;
budowę atomu tlenu (zawartość protonów i elektronów) oraz jego konfigurację powłokową;
definicję i przykłady węglowodorów nasyconych;
sposób zapisu wzoru sumarycznego alkanu o podanej liczbie atomów węgla;
wzór ogólny szeregu homologicznego alkanów;
metody rysowania wzorów strukturalnych i półstrukturalnych alkanów.

Nauczysz się

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.

iFt4DyYaIB_d5e215

1. Właściwości fizyczne alkanów

Otrzymywanie metanu i badanie właściwości fizycznych – pokaz nauczycielski

Doświadczenie 1

R1HgjWxZJYAHq

Otrzymywanie metanu oraz sposób jego zbierania.

Problem badawczy

W jaki sposób można zbierać metan powstający w reakcji chemicznej?

Hipoteza

Metan można otrzymać w wyniku reakcji octanu sodu z wodorotlenkiem sodu pod wpływem tlenku wapnia. To gaz o mniejszej gęstości od powietrza i słabo rozpuszczalny w wodzie, dlatego należy go zbierać do probówki lub zlewki napełnionej wodą i odwróconej do góry dnem w naczyniu napełnionym wodą.

Co będzie potrzebne

$3 g$ octanu sodu;
$3 g$ tlenku wapnia;
$1,5 g$ wodorotlenku sodu;
moździerz;
krystalizator;
dwie probówki;
korek z rurką odprowadzającą;
korek;
statyw;
łapa;
palnik gazowy.

Instrukcja

W moździerzu zmieszano octan sodu, tlenek wapnia i wodorotlenek sodu. Powstałą mieszaninę umieszczono w probówce, zamknięto korkiem z rurką odprowadzającą i umocowano ukośnie w statywie. Drugą probówkę napełniono wodą i umieszczono, odwróconą do góry dnem, w krystalizatorze napełnionym wodą do $\frac{1}{3}$ objętości. Zaczęto ogrzewać probówkę z mieszaniną. Wydzielający gaz zbierano pod wodą do probówki (po ukończeniu zbierania zamknięto probówkę korkiem). Zaobserwowano zachodzące zmiany.

Obserwacje

W wyniku reakcji powstaje bezbarwny, bezwonny gaz, który wypiera wodę z probówki.

Wybrana hipoteza

Metan można otrzymać w wyniku reakcji octanu sodu w wodorotlenkiem sodu, pod wpływem tlenku wapnia. Jest gazem o mniejszej gęstości od powietrza i słabo rozpuszczalny w wodzie, dlatego należy go zbierać do probówki lub zlewki napełnionej wodą i odwróconej do góry dnem w naczyniu napełnionym wodą.

Wnioski

Zebranym gazem jest metan.

RtmjqoQXClRIt

Grafika przedstawiająca zestaw do otrzymywania metanu. Po lewej stronie grafiki jest końcówka palnika z widocznym ogniem. Nad palnikiem jest ułożona pod kątem probówka na dnie której są CH indeks dolny 3 koniec indeksu COONa, NaOH i CaO. Probówka jest zamknięta korkiem z rurką. Rurka jest poprowadzona w prawą stronę i zanurzona w wodzie w szklanym naczyniu. Koniec rurki jest włożony w korek wetknięty do probówki. Probówka jest zanurzona korkiem w wodzie, dno jest u góry. W probówce znajduje się woda H indeks dolny 2 koniec indeksu O, przy dnie jest pusto. W wodzie w probówce widoczne są bąbelki. W pustej, przydennej części probówki gromadzi się metan CH indeks dolny 4 koniec indeksu. — Zestaw do otrzymywania metanu
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 1

R1YgGbbYm2VXT

Polecenie 1

Jakie związki chemiczne są potrzebne, aby otrzymać metan?

R19Qxgkgm3u6Z

RGrdJUkaDDEYK1

Grafika przedstawia tabelę podzieloną na pięć kolumn podpisanych kolejno alkany, wzór chemiczny, temperatura wrzenia wyrażona w stopniach celsjusza, temperatura topnienia wyrażona w stopniach celsjusza i stan skupienia przy 20 stopniach celsjusza. Pierwszy wiersz zaczyna się od metan, C H indeks dolny 4 koniec indeksu, minus 162, minus 183, gaz. Kolejne wiersze opisane są następująco. Etan, C indeks dolny 2 koniec indeksu H indeks dolny 6 koniec indeksu, minus 89, minus 172, gaz; propan, C indeks dolny 3 koniec indeksu H indeks dolny 8 koniec indeksu , minus 42, minus 188, gaz; butan, C indeks dolny 4 koniec indeksu H indeks dolny 10 koniec indeksu, 0, minus 138, gaz; pentan, C indeks dolny 5 koniec indeksu H indeks dolny 12 koniec indeksu, 36, minus 130, ciecz; heksan, C indeks dolny 6 koniec indeksu H indeks dolny 14 koniec indeksu, 69, minus 95, ciecz; heptan, C indeks dolny 7 koniec indeksu H indeks dolny 16 koniec indeksu, 98, minus 91, ciecz; oktan, C indeks dolny 8 koniec indeksu H indeks dolny18 koniec indeksu dolnego, 126, minus 57, ciecz; heksadekan, C indeks dolny 16 koniec indeksu H indeks dolny 34 koniec indeksu, 287, 18, ciecz; heptadekan, C indeks dolny 17 koniec indeksu H indeks dolny 36 koniec indeksu, 302, 22, ciało stałe. — Alkany
Źródło: Krzysztof Jaworski, epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 2

$1$ . Przedstaw dane z tabeli nr 1 w postaci wykresu punktowego, uwzględniając zależność temperatury wrzenia i topnienia alkanów od liczby atomów węgla w ich cząsteczkach. Następnie uzupełnij zdanie.

R15r7WCaNOQSP

R1UNpa0dz1AFA

$2$ . Odczytaj w tablicach chemicznych gęstość pierwszych pięciu węglowodorów z szeregu homologicznego alkanów. Następnie uzupełnij zdanie.

R18llUhMjR24I

$2$ . Gęstość podana dla $T = 20 ° C$ oraz $p = 1013 hPa$ :

Wzór	Nazwa związku	d $[\frac{g}{{cm}^{3}}]$
${CH}_{4}$	metan

Źródło: CRC Handbook of Chemistry and Physics, D.R. Lide (red.), wyd. $90$ , Boca Raton: CRC Press, $2009$ , ISBN $978 - 1 - 420 - 9084 - 0$ (ang.)

R19lZW0WksBzH

Wykres punktowy. Lista elementów: 1. zestaw danych:Temperatura: 1Liczba atomów węgla: 1Temperatura wrzenia [

° C

]: -162temperatura topnienia: -1832. zestaw danych:Temperatura: 2Liczba atomów węgla: 2Temperatura wrzenia [

° C

]: -89temperatura topnienia: -1723. zestaw danych:Temperatura: 3Liczba atomów węgla: 3Temperatura wrzenia [

° C

]: -42temperatura topnienia: -1884. zestaw danych:Temperatura: 4Liczba atomów węgla: 4Temperatura wrzenia [

° C

]: 0temperatura topnienia: -1385. zestaw danych:Temperatura: 5Liczba atomów węgla: 5Temperatura wrzenia [

° C

]: 36temperatura topnienia: -1306. zestaw danych:Temperatura: 6Liczba atomów węgla: 6Temperatura wrzenia [

° C

]: 69temperatura topnienia: -957. zestaw danych:Temperatura: 7Liczba atomów węgla: 7Temperatura wrzenia [

° C

]: 98temperatura topnienia: -918. zestaw danych:Temperatura: 8Liczba atomów węgla: 8Temperatura wrzenia [

° C

]: 126temperatura topnienia: -57

Źródło: epodręczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

R36cbgOqlgKKO

Wykres punktowy. Lista elementów: 1. zestaw danych:liczba atomów węgla: -183Liczba atomów węgla: 1; Podpis osi wartości: temperatura (°C)Temperatura topnienia [

° C

]: -183; Podpis osi wartości: temperatura (°C)2. zestaw danych:liczba atomów węgla: -172Liczba atomów węgla: 2; Podpis osi wartości: temperatura (°C)Temperatura topnienia [

° C

]: -172; Podpis osi wartości: temperatura (°C)3. zestaw danych:liczba atomów węgla: -188Liczba atomów węgla: 3; Podpis osi wartości: temperatura (°C)Temperatura topnienia [

° C

]: -188; Podpis osi wartości: temperatura (°C)4. zestaw danych:liczba atomów węgla: -138Liczba atomów węgla: 4; Podpis osi wartości: temperatura (°C)Temperatura topnienia [

° C

]: -138; Podpis osi wartości: temperatura (°C)5. zestaw danych:liczba atomów węgla: -130Liczba atomów węgla: 5; Podpis osi wartości: temperatura (°C)Temperatura topnienia [

° C

]: -130; Podpis osi wartości: temperatura (°C)6. zestaw danych:liczba atomów węgla: -95Liczba atomów węgla: 6; Podpis osi wartości: temperatura (°C)Temperatura topnienia [

° C

]: -95; Podpis osi wartości: temperatura (°C)7. zestaw danych:liczba atomów węgla: -91Liczba atomów węgla: 7; Podpis osi wartości: temperatura (°C)Temperatura topnienia [

° C

]: -91; Podpis osi wartości: temperatura (°C)8. zestaw danych:liczba atomów węgla: -57Liczba atomów węgla: 8; Podpis osi wartości: temperatura (°C)Temperatura topnienia [

° C

]: -57; Podpis osi wartości: temperatura (°C)

Źródło: epodręczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 2

Zastanów się i napisz, jaka jest zależność pomiędzy temperaturą wrzenia oraz topnienia i stanem skupienia względem liczby atomów węgla cząsteczkach alkanów.

R6tTI4J7JttBt

Podsumowanie właściwości fizycznych alkanów

1. Właściwości fizyczne alkanów o prostych łańcuchach węglowych zmieniają się wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w ich cząsteczkach.

W temperaturze pokojowej $25 ° C$ alkany o prostych łańcuchach węglowych od metanu ${CH}_{4}$ do butanu $C_{4} H_{10}$ to gazy, od pentanu $C_{5} H_{12}$ do heksadekanu $C_{16} H_{34}$ to ciecze, natomiast od heptadekanu $C_{17} H_{36}$ wszystkie alkany charakteryzują się stałym stanem skupienia.

R1E0dmkrD6Tzj1

Grafika przedstawia zmianę stanu skupienia alkanów w zależności od długości łańcucha. Przedstawione jest to za pomocą poziomej, pomarańczowej strzałki w prawo pod którą wypisane są ilości atomów węgla od C indeks dolny 2 koniec indeksu do C indeks dolny 20 koniec indeksu ... C indeks dolny n koniec indeksu. Nad prostą pomarańczową strzałką znajdują się trzy łuki zakończone z dwóch stron grotami strzałek. Pierwszy czerwony łuk narysowany jest nad oznaczeniami od C indeks dolny 1 koniec indeksu do C indeks dolny 4 koniec indeksu i podpisany jest gazy. Kolejny niebieski łuk zaczyna się przy C indeks dolny 5 koniec indeksu i kończy się przy C indeks dolny 16 koniec indeksu i podpisany jest ciecze. Ostatni zielony łuk zaczyna się przy C indeks dolny 17 koniec indeksu i kończy przy C indeks dolny n koniec indeksu oraz podpisany jest ciała stałe. — Stany skupienia alkanów
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla rosną zarówno temperatury wrzenia, jak i topnienia alkanów.

RwlLJiGF2g0zB1

Grafika przedstawia zmianę temperatury wrzenia oraz temperatury topnienia w zależności od liczby atomów węgla. Przedstawione jest to jako dwie strzałki skierowane w prawą stronę. Pierwsza różowa strzałka jest podpisana jako "wzrost temperatury wrzenia", druga, zielona strzałka jako "wzrost temperatury topnienia". Obie strzałki podpisane są dodatkowo z prawej strony "liczba atomów węgla". — Zależność temperatury topnienia i wrzenia od ilości atomów węgla w cząsteczce alkanu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wraz z długością łańcucha węglowego zwiększa się również gęstość alkanów, jednak pozostaje mniejsza od gęstości wody wynoszącej $1 \frac{g}{{cm}^{3}}$ .

R1IkiN5o2prVb1

Grafika przedstawia zmianę gęstości alkanów w zależności od liczbą atomów węgla. Żółta pozioma strzałka skierowana w prawą stronę. Nad strzałką napis "wzrost gęstości", po prawej stronie pod strzałką napis "liczba atomów węgla". — Zależność zmiany gęstości alkanów w zależności od liczby atomów węgla w cząsteczce
Źródło: epodreczniki.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

2. Alkany są związkami bezbarwnymi, nie rozpuszczają się w wodzie.

Ry8lSgvs3FSPE1

Grafika składa się z dwóch zdjęć. Na zdjęciu po lewej widać trzy szklane buteleczki z bezbarwnymi cieczami. Pierwsza butelka podpisana jest pentan C5H12, druga heksan C6H14, a trzecia heptan C7H16. Na drugim zdjęciu przedstawiono cztery metalowe butle z gazami. Od lewej znajduję się niebieska butla podpisana metan, obok niej znajduję się biała butla podpisana etan, następna jest czerwona butla z podpisem propan i ostatnia szara butla ma podpis butan. — Alkany
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

iFt4DyYaIB_d5e338

2. Właściwości chemiczne alkanów

Badanie palności mieszaniny propan‑butan zawartej w palnikach gazowych.

Doświadczenie 2

Uwaga!

Doświadczenie chemiczne należy wykonywać wyłącznie pod sprawnym wyciągiem, ponieważ może pojawiać się również toksyczny tlenek węgla(II), tzw. czad.

R1Lmbww5tiOLp

Problem badawczy

Czy propan i butan są palnymi gazami?

Hipoteza

Propan i butan są palnymi gazami.

Co będzie potrzebne

palnik gazowy (zawierający mieszaninę propan‑butan);
zlewka;
szkiełko zegarkowe;
woda wapienna;
szczypce.

Instrukcja

Należało zapalić palnik gazowy. Za pomocą pokrętła, trzeba było ustawić mały dopływ powietrza. Nad palnikiem trzymać szkiełko zegarkowe, zwilżone wodą. Należało obserwować zachodzące zmiany na szkiełku zegarkowym. Następnie, za pomocą pokrętła, w palniku gazowym ustawiono duży dopływ powietrza. Do wylotu palnika zbliżono kolejne szkiełko zegarkowe, zwilżone wodą wapienną. Zaobserwowano zachodzące zmiany na szkiełku zegarkowym.

Obserwacje

Należało zapalić palnik gazowy. Za pomocą pokrętła, ustawiono mały dopływ powietrza. Nad palnikiem trzeba było trzymać szkiełko zegarkowe, zwilżone wodą. Należało obserwować zachodzące zmiany na szkiełku zegarkowym. Następnie za pomocą pokrętła w palniku gazowym należało ustawić duży dopływ powietrza. Do wylotu palnika zbliżono kolejne szkiełko zegarkowe zwilżone wodą wapienną. Zaobserwowano zachodzące zmiany na szkiełku zegarkowym.

Wnioski

Palnik gazowy jest wypełniony mieszaniną propan‑butan. Alkany te są gazami palnymi. Przy nieograniczonym dostępie powietrza (tlenu), w miejscu zwilżenia wodą wapienną szkiełka zegarkowego, widoczny jest biały osad. Jest to węglan wapnia. Oznacza to, że jednym z produktów spalania, przy nieograniczonym dostępie tlenu, jest tlenek węgla $(IV)$ , który reaguje z wodą wapienną. Przy ograniczonym dostępie powietrza (tlenu), na szkiełku pojawia się czarny nalot. Jest to węgiel, czyli sadza.

Polecenie 3

Zapisz hipotezę, obserwację i wnioski do przeprowadzonego doświadczenia.

R1BD20tjVRZ0u

Hipoteza: Propan i butan są palnymi gazami.

Obserwacje: Przy nieograniczonym dostępie powietrza, w miejscu zwilżenia wodą wapienną szkiełka zegarkowego, widoczny jest biały osad.

Wnioski: Palnik gazowy jest wypełniony mieszaniną propan‑butan. Alkany te są gazami palnymi. Przy nieograniczonym dostępie powietrza (tlenu), w miejscu zwilżenia wodą wapienną szkiełka zegarkowego, widoczny jest biały osad. Jest to węglan wapnia. Oznacza to, że jednym z produktów spalania, przy nieograniczonym dostępie tlenu, jest tlenek węgla $(IV)$ , który reaguje z wodą wapienną. Przy ograniczonym dostępie powietrza (tlenu), na szkiełku pojawia się czarny nalot. Jest to węgiel, czyli sadza.

Polecenie 3

Zastanów się i zapisz, jakie dwa alkany występują w składzie mieszaniny palnika gazowego?

R1ahxfKbXgFMR

Polecenie 4

Zapisz równania reakcji, jakie zachodzą podczas przeprowadzania doświadczenia $2$ .

R1cHG0arJl5Kw

Pamiętaj, że przy nieograniczonym dostępie powietrza (tlenu) węglowodory spalają się do tlenku węgla $(IV)$ , który następnie reaguje z wodą wapienną. Natomiast przy ograniczonym dostępie powietrza, produktem spalania węglowodorów może być sadza, czyli węgiel lub tlenek węgla $(II)$ $(CO)$ .

Reakcje spalania przy nieograniczonym dostępie powietrza – 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

Reakcja tlenku węgla $(IV)$ z wodą wapienną:

{CO}_{2} + Ca {(OH)}_{2} \to {CaCO}_{3} + H_{2} O

Reakcje spalania przy ograniczonym dostępie powietrza – spalanie niecałkowite:

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

Polecenie 4

RV1mYb7ZLLV8V

Spalanie całkowite Możliwe odpowiedzi: 1.

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

, 2.

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

, 3.

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

, 4.

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

, 5.

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

, 6.

{CO}_{2} + Ca {(OH)}_{2} \to {CaCO}_{3} + H_{2} O

Reakcje tlenku węgla(IV) z wodą wapienną Możliwe odpowiedzi: 1.

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

, 2.

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

, 3.

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

, 4.

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

, 5.

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

, 6.

{CO}_{2} + Ca {(OH)}_{2} \to {CaCO}_{3} + H_{2} O

Reakcje spalania przy ograniczonym dostępie powietrza - spalanie niecałkowite Możliwe odpowiedzi: 1.

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

, 2.

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

, 3.

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

, 4.

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

, 5.

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

, 6.

{CO}_{2} + Ca {(OH)}_{2} \to {CaCO}_{3} + H_{2} O

Ciekawostka

W wyniku niecałkowitego spalaniaspalanie niecałkowiteniecałkowitego 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.
W dodatku to połączenie jest o wiele trwalsze. 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.

R95Xm32TpHo18

Fotografia przedstawia czujnik dwutlenku węgla. W lewym górnym rogu czujnika znajduję się wyświetlacz elektryczny z wyświetlonym zerem. Po środku znajdują się trzy kolorowe diody. Czerwona dioda z podpisem alarm, zielona dioda podpisana zasilanie i żółta dioda z podpisem błąd. W prawym dolnym roku jest okrągły przycisk z napisem test. Nad nim znajduje się zakratkowany okrągły czujnik. — Czujnik tlenku węgla $(II)$
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Produktami spalania całkowitegospalanie całkowitespalania całkowitego innych alkanów są – tak jak w przypadku propanu i butanu – tlenek węgla $(VI)$ i woda. Z kolei podczas spalania niecałkowitego powstają odpowiednio tlenek węgla $(II)$ i woda lub węgiel i woda.

W wyniku spalania całkowitego etanu powstaje zatem:

RHkEH7co5QzNQ

Grafika przedstawia równanie całkowitego spalania etanu. Na czarnym tle w jasnej ramce, przypominającej tablice, rozpisana jest reakcja chemiczna. Pierwsza reakcja chemiczna: 2 C indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego H indeks dolny 6 koniec indeksu dolnego plus 7 O indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego strzałka w prawo 4 C O indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego plus 6 H indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego O. Substraty i produkty podpisane są odpowiednio: etan, tlen, tlenek węgla<math aria‑label="cztery">IV, woda (para wodna). — Równanie reakcji spalania całkowitego etanu
Źródło: Agnieszka Lipowicz, licencja: CC BY-SA 3.0.

Rq17i7iEDtjmY

Film pt. Reakcja spalania całkowitego etanu
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Natomiast produktami niecałkowitego spalania etanu są:

RJQa6uJuA9PLr

Grafika przedstawia reakcje chemiczne spalania niecałkowitego etanu. Na ciemnym tle otoczonym jasną ramką, przypominającą tablicę, rozpisane są dwie reakcje chemiczne. Pierwsza reakcja chemiczna: dwa C indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego H indeks dolny 6 koniec indeksu dolnego plus 5 O indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego strzałka w prawo 4 C O plus 6 H indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego O. Substraty i produkty podpisane są odpowiednio: etan, tlen, tlenek węgla<math aria‑label="dwa">II, woda. Druga reakcja chemiczna: dwa C indeks dolnego 2 koniec indeksu dolnego H indeks dolny 6 koniec indeksu dolnego plus 3 O indeks dolny 2 kniec indeksu dolnego strzalka w prawo 4 C plus 6 H indeks dolny 2 koniec indeksu dolnego O. Substraty i produkty podpisane są odpowiednio: etan, tlen, węgiel, woda. — Równania reakcji spalania niecałkowitego etanu
Źródło: Agnieszka Lipowicz, licencja: CC BY-SA 3.0.

RyFlF2c0pO68V

Film pt. Reakcja spalania całkowitego metanu
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 5

Uzupełnij współczynniki stechiometryczne w poniższych równaniach reakcji chemicznych.

Miejsca, w którym uznasz, że współczynnik stechiometryczny wynosi $1$ , pozostaw puste.

R8uH68XhIvLeg

RsLe6wuVPcwxk

Film pt. Spalanie metanu w bańkach mydlanych
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ciekawostka

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. Metan jest gazem bezwonnym, dlatego gaz ulatniający się z sieci nawaniany jest związkami siarki. Dzięki temu, przy odkręconym kurku z gazem, można wyczuć charakterystyczny zapach. 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 najszybciej opuść mieszkanie i zawiadom pogotowie gazowe (tel. $992$ ).

Uwaga! Należy podkreślić, że niebezpieczeństwo związane z urządzeniami gazowymi stanowi zarówno metan, jak i tlenek węgla $(II)$ . Oba związki chemiczne są gazami bezwonnymi. Metan jednak nie jest gazem toksycznym, lecz wybuchowym, ponieważ gwałtownie się spala. Natomiast tlenek węgla $(II)$ jest trujący i może spowodować śmierć poprzez uduszenie.

RYZ1BsHyfmaBv

Grafika przedstawia zdjęcie białego samochodu z niebieskimi światłami na dachu. Z boku auta znajduję się pomarańczowy pasek z białym napisem pogotowie gazowe, a w prawym górnym roku, obok drzwi bagażnika, znajduję się szary numer telefonu 992. — Pogotowie gazowe
Źródło: By Dawid Skalec, Own work, dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, licencja: CC BY-SA 4.0.

Badanie palności węglowodorów ciekłych i stałych – pokaz nauczycielski

Doświadczenie 3

Uwaga!

Doświadczenie należy przeprowadzać w okularach ochronnych.

RGFRW9RLxfLSj

Problem badawczy

Czy węglowodory ciekłe i stałe są palne?

Hipoteza

Węglowodory stałe i ciekłe są palne.

Co będzie potrzebne

palnik gazowy;
dwie parownice;
nafta lub pentan (lub inny dostępny ciekły alkan, np. heksan);
parafina;
szczypce;
trójnóg;
siatka ze spiekiem ceramicznym;
łuczywo.

Instrukcja

W ogrzanej parownicy umieszczono niewielką ilość pentanu (lub nafty). Zapalono go (ją), używając łuczywa. Umieszczono parownicę z niewielką ilością parafiny na trójnogu z siatką ceramiczną i ogrzewano. Po chwili zapalono, używając łuczywa. Zaobserwowano zachodzące zmiany.

Obserwacje

Po ogrzaniu nafty, jej pary się zapaliły. Podczas ogrzewania parafiny najpierw zaobserwowano jej stopienie, a potem również zapalenie się jej par.

Wnioski

Nafta jest mieszaniną ciekłych alkanów (pentan także jest ciekłym alkanem). Parafina z kolei jest mieszaniną stałych węglowodorów. Wszystkie alkany są palne, a temperatura zapłonu wzrasta z liczbą atomów węgla w cząsteczce węglowodoru.

RdZYUASfsCkA5

Grafika składająca się z dwóch zdjęć przedstawiających spalanie pentanu i parafiny. Na zdjęciu po lewej widoczna jest biała ceramiczna parowniczka, wewnątrz której znajduję się podpalona bezbarwna ciecz. Nad cieczą widoczny jest żółty płomień. Zdjęcie podpisane jest pentan. Na zdjęciu po prawej przedstawiono białą ceramiczną parowniczkę umieszczoną na trójnogu, pod którym jest palnik gazowy. Znad parowniczki unosi się żółty płomień oraz czarny dym. Zdjęcie podpisane jest parafina. — Spalanie pentanu i parafiny
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 6

Zapisz wybraną hipotezę, obserwację i wnioski z doświadczenia.

R1MGZTMLUndN7

Polecenie 6

Zastanów się i napisz, jakie możliwe ciekłe alkany można było wykorzystać w tym doświadczeniu?

R61gjziPRyXEL

Alkany gazowe są to związki zawierające w swojej strukturze od $2$ do $4$ atomów węgla. Alkany w formie ciekłej są to alkany posiadające od $5$ do $16$ atomów węgla, natomiast alkany występujące jako ciała stałe posiadają powyżej $17$ atomów węgla.

Badanie reaktywności metanu

Doświadczenie 4

Sprawdź, w jaki sposób metan zachowuje się wobec wody bromowej.

W tym celu wykonaj doświadczenie. Wybierz hipotezę, napisz obserwacje oraz sformułuj odpowiedni wniosek.

Jeśli nie masz możliwości samodzielnego przeprowadzenia doświadczenia, zapoznaj się z poniższym materiałem filmowym obrazującym jego przebieg.

REmsyzzPiwT6b

Sprawdzono, w jaki sposób metan zachowuje się wobec wody bromowej.

W tym celu wykonano doświadczenie. Wybierz hipotezę, zapoznaj się z obserwacjami oraz sformułuj odpowiedni wniosek.

Możesz zapoznać się z filmem ukazującym to doświadczenie.

Problem badawczy:

Czy metan powoduje odbarwienie wody bromowej?

Hipoteza:

Metan nie powoduje odbarwienia wody bromowej.

Co będzie potrzebne:

dwie probówki;
korek;
woda bromowa (roztwór bromu);
metan (np. z małej butli).

Instrukcja:

Doświadczenie przeprowadzono pod dygestorium. Do obu probówek wlano do $\frac{1}{3}$ objętości roztwór bromu (wodę bromową). Do jednej z probówek włożono wężyk z metanem i przepuszczono gaz przez roztwór. Zaobserwowano zachodzące zmiany i porównano obie probówki.

Obserwacje:

Brak objawów reakcji./Brak zmian świadczących o przebiegu reakcji./Brunatny (lub pomarańczowy lub żółty) roztwór nie zmienia swojego zabarwienia.

Wniosek:

Metan nie powoduje odbarwienia wody bromowej./Metan nie reaguje z bromem.

R1Pmw7FoxTWhn

Film pt. Badanie reaktywności metanu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 7

Napisz obserwacje oraz wniosek do przeprowadzonego doświadczenia.

R1WSc7bfv5Xl7

Polecenie 7

Zastanów się i napisz, w jakiej postaci metan wprowadzany jest do probówki.

Re4mC0Sas3eNa

Metan w zwykłych warunkach nie reaguje z bromem. Dopiero pod wpływem wysokiej temperatury lub światła, metan reaguje m.in. z bromem lub chlorem.

{CH}_{4} + {Cl}_{2} \overset{T lub światło}{\to} {CH}_{3} Cl + HCl

iFt4DyYaIB_d5e685

Podsumowanie

Właściwości fizyczne alkanów zmieniają się wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego.
Alkany są związkami mało reaktywnymi chemicznie, w temperaturze pokojowej ulegają reakcjom spalania.

Praca domowa

Polecenie 8.1

Określ stan skupienia związków chemicznych (o prostych łańcuchach węglowych) o wzorach:

R1cEXRdx7u015

Polecenie 8.2

Przedstaw w formie plakatu informacje na temat postępowania w przypadku nieszczelności instalacji gazowej.

ROKPi8RHG1fue

Na plakacie powinny znaleźć się następujące informacje:

należy zamknąć dopływ gazu z instalacji gazowej;
należy szeroko otworzyć okna;
pod żadnym pozorem nie należy zapalać ognia ani nie włączać urządzeń elektrycznych;
należy jak najszybciej opuścić mieszkanie i zawiadomić pogotowie gazowe (tel. $992$ ).

Polecenie 8.2

Wypisz w punktach najważniejsze czynności, jakie należy wykonać w przypadku wykrycia nieszczelności instalacji gazowej.

RCx7edr0ndGcx

W przypadku wykrycia nieszczelności instalacji gazowej:

należy zamknąć dopływ gazu z instalacji gazowej;
należy szeroko otworzyć okna;
pod żadnym pozorem nie należy zapalać ognia ani nie włączać urządzeń elektrycznych;
należy jak najszybciej opuścić mieszkanie i zawiadomić pogotowie gazowe (tel. $992$ )

iFt4DyYaIB_d5e745

Słownik

spalanie całkowite

proces spalania węglowodorów przy nieograniczonym dostępie powietrza (tlenu); jego produktami są tlenek węgla $(IV)$ i woda

spalanie niecałkowite

proces spalania węglowodorów przy ograniczonym dostępie powietrza (tlenu); jego produktami są tlenek węgla $(II)$ (czad) oraz woda lub węgiel (sadza) i woda

nafta

mieszanina ciekłych alkanów, których cząsteczki zawierają od $12$ do $15$ atomów węgla

parafina

mieszanina stałych alkanów, zawierających od $16$ do $48$ atomów węgla

gaz ziemny

naturalna mieszanina węglowodorów, w skład której wchodzi głównie metan, a także w bardzo małej ilości inne lekkie węglowodory, zwłaszcza etan, propan butan, pentan i heksan

iFt4DyYaIB_d5e804

Ćwiczenia

Pokaż ćwiczenia:

Ćwiczenie 1

Określ stan skupienia alkanów w temperaturze pokojowej, w zależności od liczby atomów węgla w ich łańcuchu węglowym. Wstaw dostępne elementy we właściwe miejsca, a następnie sprawdź poprawność ustawienia.

RxMLZZQYb9xTF

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

RArqMxqTT9RDz

Ćwiczenie 2

W trzech ponumerowanych probówkach znajdują się bezbarwne gazy: metan, wodór oraz tlenek węgla $(IV)$ . Zidentyfikuj je na podstawie podanych informacji oraz uszereguj w odpowiedniej kolejności wzory sumaryczne, zgodnie z numeracją probówek: $1$ , $2$ i $3$ .

R18o5MUv89M90

Grafika przedstawia trzy niebieskie probówki zatkane każda brązowym korkiem. Każda probówka podpisana jest kolejno liczbą 1, 2 i 3. — Źródło: epodreczniki.pl, licencja: CC BY 3.0.

Gaz z probówki nr $1$ nie podtrzymuje palenia, zapalona zapałka w tym gazie gaśnie. Gazy palne są w probówkach $2$ . i $3$ . Gaz z probówki nr $2$ znany jest także jako gaz błotny i gaz kopalniany. Gaz z probówki nr $3$ zmieszany z tlenem w stosunku objętościowym $2 : 1$ tworzy mieszaninę piorunującą.

RsrYpscD4OJi0

R1UaRI3HSC4GR1

Ćwiczenie 3

Ćwiczenie 4

R139nvPgXeesl

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.

${CO}_{2}$ , ${CH}_{4}$ , 4, $H_{2} O$ , 6, 2, 5, $H_{2}$ , 3, $O_{2}$ , $C$ , 7, $CO$

............ + ............ $\to$ ............ + ............ ............

Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 5

Poniżej przedstawiono właściwości fizyczne dla wybranych alkanów o nierozgałęzionych łańcuchach węglowych.

R1BysusxR2qA4

Na podstawie tabeli, oceń prawdziwość podanych informacji. Wskaż, które zdanie jest prawdziwe, a które fałszywe.

RBjZlIXGfW3gA

R1C35T27mKUhi2

Ćwiczenie 6

Ćwiczenie 7

How do physical properties of alkanes change with increasing number of carbon atoms in a molecule? Choose the correct answers.

R8oRof2rcPT3N

Glossary

Ćwiczenie 8

Combine the molecular formulas of the alkanes and the corresponding physical state.

Rl1WpaG3lIkJ6

{CH}_{4}