Porównanie właściwości alkanów i ich zastosowań – test i pytania, chemia klasa 8

Alkany to najprostsza grupa węglowodorów, z którą spotykamy się na co dzień – w kuchennym gazie, w świecach czy w benzynie. Ta lekcja porządkuje wiedzę o ich budowie, właściwościach i praktycznym wykorzystaniu.

Najważniejsze w 30 sekund

• Alkany mają wzór ogólny CnH2n+2 i zawierają wyłącznie wiązania pojedyncze.
• Metan (CH4), etan (C2H6), propan (C3H8) i butan (C4H10) to pierwsze cztery alkany szeregu homologicznego.
• Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla rośnie temperatura wrzenia i topnienia alkanów.
• Alkany spalają się całkowicie do CO2 i H2O, a niecałkowicie do CO lub sadzy.
• Propan-butan jest paliwem w butlach gazowych, a wyższe alkany tworzą parafinę używaną na świece.

Budowa i szereg homologiczny alkanów

Alkany to węglowodory nasycone, co oznacza, że między atomami węgla w ich cząsteczkach występują wyłącznie pojedyncze wiązania kowalencyjne. Każdy atom węgla jest otoczony czteroma innymi atomami, tworząc stabilny szkielet łańcuchowy, prosty lub rozgałęziony, bez żadnych wiązań wielokrotnych.

Szereg homologiczny alkanów to ciąg związków różniących się o jedną grupę CH2, opisany wzorem ogólnym CnH2n+2. Pierwsze cztery przedstawiciele to metan CH4, etan C2H6, propan C3H8 oraz butan C4H10, a kolejne noszą nazwy pentan, heksan, heptan i oktan, zgodnie z liczbą atomów węgla w cząsteczce.

Nazwy alkanów tworzy się, dodając końcówkę -an do rdzenia wskazującego liczbę atomów węgla, na przykład penta- oznacza pięć, a heksa- sześć atomów. Ta systematyka ułatwia rozpoznawanie wzorów i przewidywanie właściwości kolejnych związków w szeregu homologicznym.

Właściwości fizyczne w zależności od długości łańcucha

Stan skupienia alkanów zmienia się wraz z liczbą atomów węgla w cząsteczce. Metan, etan, propan i butan w temperaturze pokojowej są gazami, alkany od pentanu do pentadekanu są cieczami, a te o dłuższych łańcuchach, jak parafina, występują jako ciała stałe.

Temperatura wrzenia i topnienia rośnie wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej, ponieważ dłuższe łańcuchy węglowe silniej oddziałują ze sobą siłami van der Waalsa. Dlatego butan skrapla się łatwiej niż metan, a ciężkie alkany tworzące parafinę topnieją dopiero w wyższych temperaturach.

Wszystkie alkany są bezbarwne, nie rozpuszczają się w wodzie, ponieważ są związkami niepolarnymi, natomiast dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak benzyna czy toluen. Są też lżejsze od wody, co widać, gdy olej czy benzyna unoszą się na jej powierzchni.

Reakcje chemiczne alkanów

Alkany są stosunkowo mało reaktywne ze względu na mocne wiązania pojedyncze, dlatego nazywa się je parafinami, od łacińskiego określenia oznaczającego brak powinowactwa. Najważniejszą ich reakcją jest spalanie, które dostarcza dużo energii cieplnej i dlatego wykorzystuje się je jako paliwa.

Spalanie całkowite alkanu w nadmiarze tlenu prowadzi do powstania dwutlenku węgla i wody, czemu towarzyszy wydzielenie dużej ilości ciepła, na przykład podczas spalania gazu ziemnego w kuchence. Przy niedoborze tlenu zachodzi spalanie niecałkowite, dające tlenek węgla lub czarną sadzę węglową.

Alkany mogą także ulegać reakcji podstawienia z chlorowcami, na przykład chlorem w obecności światła, podczas której atom wodoru zostaje zastąpiony atomem chloru. Taka reakcja prowadzi do powstania chloropochodnych, jak chlorometan, i zachodzi stopniowo, atom po atomie.

Zastosowania alkanów w życiu codziennym i przemyśle

Metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego i wykorzystywany jest do ogrzewania domów oraz gotowania. Mieszanina propanu i butanu, sprężona w butlach gazowych, zasila kuchenki turystyczne, zapalniczki oraz niektóre silniki samochodowe jako tak zwany gaz LPG.

Alkany o średniej długości łańcucha, jak te zawarte w benzynie i oleju napędowym, są podstawowymi paliwami silnikowymi, natomiast wyższe alkany stałe, czyli parafina, służą do produkcji świec, smarów oraz past do nart. Wazelina, stosowana w kosmetyce i medycynie, również jest mieszaniną wyższych alkanów.

Alkany są ponadto surowcem w przemyśle petrochemicznym, z którego poprzez kraking, czyli rozkład termiczny dłuższych łańcuchów, otrzymuje się krótsze węglowodory potrzebne do produkcji tworzyw sztucznych, kauczuku syntetycznego i innych związków organicznych wykorzystywanych w przemyśle chemicznym.

Co trzeba umieć

• Napisać wzór ogólny alkanów i rozpoznać go wśród innych węglowodorów.
• Wymienić nazwy i wzory pierwszych czterech alkanów szeregu homologicznego.
• Opisać zależność stanu skupienia i temperatury wrzenia od długości łańcucha węglowego.
• Zapisać równanie reakcji spalania całkowitego i niecałkowitego alkanu.
• Podać przykłady praktycznych zastosowań metanu, propanu, butanu i parafiny.

Typowe błędy

1. Mylenie wzoru ogólnego alkanów CnH2n+2 ze wzorem alkenów CnH2n.
2. Zapominanie, że produktem spalania niecałkowitego może być trujący tlenek węgla, a nie tylko sadza.
3. Przekonanie, że wszystkie alkany są gazami, podczas gdy dłuższe łańcuchy są cieczami lub ciałami stałymi.
4. Mieszanie pojęcia reakcji podstawienia z reakcją przyłączenia, która alkanom nie jest właściwa.
5. Błędne przypisywanie zastosowań, np. mylenie parafiny stałej z gazem propan-butan.

Krótkie pytania i odpowiedzi

Czym różni się metan od etanu pod względem budowy?

Metan ma jeden atom węgla i wzór CH4, a etan ma dwa atomy węgla połączone wiązaniem pojedynczym, wzór C2H6.

Dlaczego alkany nazywa się parafinami?

Nazwa pochodzi od łacińskiego określenia oznaczającego małe powinowactwo chemiczne, bo alkany są mało reaktywne.

Jakie paliwo znajduje się w butlach turystycznych?

W butlach turystycznych znajduje się zwykle mieszanina propanu i butanu, czyli gaz LPG.

Czy alkany rozpuszczają się w benzynie?

Tak, alkany dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak benzyna, bo są niepolarne.

Co to jest wazelina i z czego się ją otrzymuje?

Wazelina to mieszanina wyższych alkanów stałych i ciekłych, stosowana w kosmetyce i medycynie.

Jaka jest różnica między spalaniem całkowitym a niecałkowitym?

Spalanie całkowite przy nadmiarze tlenu daje CO2 i wodę, a niecałkowite przy niedoborze tlenu daje CO lub sadzę.

FAQ

Dlaczego gaz w kuchence nie ma zapachu, a jednak go czujemy?

Czysty metan jest bezwonny, dlatego dodaje się do niego specjalne związki siarki, by wyczuć ewentualny wyciek.

Czy alkany można otrzymać z ropy naftowej?

Tak, alkany są głównym składnikiem ropy naftowej i oddziela się je metodą destylacji frakcyjnej.

W jaki sposób można odróżnić alkany od alkenów w prostym teście?

Alkeny, w przeciwieństwie do alkanów, odbarwiają wodę bromową lub zakwaszony roztwór manganianu(VII) potasu (test Baeyera), ponieważ posiadają wiązania podwójne, które ulegają addycji.

Co się stanie, jeśli spalanie alkanu zachodzi przy małej ilości powietrza?

Powstaje wtedy niebezpieczny tlenek węgla lub czarna sadza zamiast czystego dwutlenku węgla i wody.

Stwórz własny test · Zrób fiszki

Poprzednia lekcja: Metan i etan Następna lekcja: Szereg homologiczny alkenów. Eten

Cały dział: Związki węgla z wodorem

• Szereg homologiczny alkenów. Eten
• Szereg homologiczny alkinów. Etyn
• Porównanie właściwości alkanów, alkenów i alkinów
• Naturalne źródła węglowodorów
• Szereg homologiczny alkanów