Zapoznajmy się bliżej z pojęciem węglowodorów nasyconych, zwanych również alkanami. Węglowodory nasycone są to związki organiczne, w których występują wyłącznie pojedyncze wiązania węgiel-węgiel. Określenie „nasycony” odnosi się do maksymalnej ilości atomów wodoru, jakie mogą być związane z każdym atomem węgla. W innym kontekście, słowo „nasycony” odnosi się do roztworu, w którym (w danej temperaturze) rozpuszczono maksymalną ilość substancji.
Węglowodory nasycone są powszechnie spotykane w przyrodzie i można je znaleźć w ropie naftowej, gazie ziemnym oraz w węglu kamiennym. Alkany są wykorzystywane w przemysłach chemicznym i petrochemicznym, jako substraty do produkcji innych związków organicznych, a także jako paliwo.
Właściwości alkanów zależą od liczby ich atomów węgla. Najprostszym przykładem węglowodoru nasyconego jest metan, którego cząsteczka składa się z jednego atomu węgla i czterech atomów wodoru. Cząsteczka metanu ma kształt tetraedru (czworościanu foremnego) ze wszystkimi wiązaniami między atomem węgla a atomami wodoru ustawionymi pod kątem 109°28′.
Aby lepiej zrozumieć budowę alkanów, warto poznać wzór ogólny szeregu homologicznego, którym jest CnH2n+2. Dzięki temu wzorowi, możemy łatwo zapisać wzór sumaryczny dowolnego alkanu o podanej liczbie atomów węgla w cząsteczce oraz wzory strukturalne i półstrukturalne.
Metan – co to jest i skąd się bierze?
Metan jest gazem, który powstaje w warunkach beztlenowych podczas rozkładu materii organicznej. Jest głównym składnikiem gazu ziemnego, a na terenach bagiennych wydziela się jako gaz błotny. Źródłem metanu są także wysypiska śmieci. Produkują go również zwierzęta przeżuwające, takie jak bydło czy owce.
Ciekawostka – hydryty 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”.
Hydraty metanu to szczelnej budowy struktury krystaliczne, złożone z molekuł metanu zamkniętych w klatkach cząsteczek wody. Nie jest 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.
Badanie reaktywności metanu
Doświadczenie 1
Problem badawczy
Czy metan powoduje odbarwienie wody bromowej?
Hipoteza
Metan odbarwia wodę bromową.
Metan nie powoduje odbarwienia wody bromowej
Zgodnie z eksperymentem, metan nie powoduje odbarwienia wody bromowej. Do wykonania eksperymentu potrzebne będą:
- 2 probówki
- korek
- woda bromowa (roztwór bromu)
- metan (np. z małej butli)
Instrukcja
- 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.
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.
Węglowodory nasycone
Skład gazu ziemnego
Gaz ziemny oprócz metanu składa się również z etanu, propanu, i butanu. Nazwy tych związków są zwyczajowe. Nazwy kolejnych związków od pentanu w górę tworzy się od greckich liczebników: penta- (pięć), heksa- (sześć) itd., oznaczających liczbę atomów węgla w cząsteczce, przez dodanie końcówki -an.
Definicja alków
Alkany to węglowodory nasycone, w których cząsteczkach między atomami węgla występują wyłącznie pojedyncze wiązania.
Seria homologiczna
Wszystkie cząsteczki alków w serii homologicznej mają wiązania pojedyncze, czyli do każdego atomu węgla jest przyłączona maksymalna liczba atomów wodoru lub węgla.
Wzory ogólne alkanów
Alkany to grupa organicznych związków chemicznych, które są składnikami węglowodorów i mają zakończenie -an w nazwie. Wzór ogólny alkanów można zapisać jako:
CnH2n+2
Gdzie „n” to liczba atomów węgla w cząsteczce.
Zadania dotyczące wzorów sumarycznych alkanów
Na ekranie, np. tablicy, zapisywany jest wzór ogólny alkanów: CnH2n+2. Oto trzy zadania dotyczące wzorów sumarycznych alkanów:
Zadanie 1: Wzór sumaryczny alkanu o 4 atomach węgla
Aby obliczyć wzór sumaryczny alkanu o 4 atomach węgla, należy podstawić „n” przez 4 w wzorze ogólnym:
C4H10
Zadanie 2: Wzór sumaryczny alkanu o 20 atomach węgla
Aby obliczyć wzór sumaryczny alkanu o 20 atomach węgla, należy podstawić „n” przez 20 w wzorze ogólnym:
C20H42
Słowniczek
Alkany
Alkany to węglowodory nasycone, czyli związki organiczne składające się z atomów węgla i wodoru, zawierające między atomami węgla wyłącznie wiązania pojedyncze.
Izomery
Izomery to związki chemiczne o tym samym wzorze sumarycznym, ale różniące się budową (ułożeniem atomów w cząsteczce).
Szereg homologiczny
Szereg homologiczny to szereg związków organicznych uporządkowanych według wzrastającej liczby atomów węgla, np. alkanów, w którym dwa kolejne związki różnią się od siebie o grupę atomów – CH2.
Zadania
Ćwiczenie 1
Ułóż szereg homologiczny alkanów, zaczynając od metanu.
Metan, etan, propan, butan, pentan, heksan, heptan, oktan, nonan, dekan.
Ćwiczenie 2
Zadanie 2
Zbuduj model cząsteczki etanu, wstawiając dostępne elementy we właściwe miejsca.
Ćwiczenie 3
Zadanie 3
Zbuduj model cząsteczki heptanu, wstawiając dostępne elementy we właściwe miejsca.
Ćwiczenie 4
Połącz w pary nazwy alkanów z odpowiednimi wzorami sumarycznymi.
Ćwiczenie 5
Zadanie 5
Wyznacz liczbę atomów wodoru alkanu o 6 atomach węgla, uzupełniając zapis odpowiednimi elementami. Odpowiedź to 14.
