Przypomnijcie sobie: metan - substancja niepolarna o budowie molekularnej, która powoduje jego nierozpuszczalność w wodzie, lotność, niską temperaturę wrzenia.
Właściwości fizyczne homologów metanu
Ze względu na to, że substancje szeregu homologicznego metanu mają podobną budowę i różnią się tylko długością łańcucha węglowego, więc ich właściwości fizyczne są również podobne.
W zwykłych warunkach pierwsi czterej członkowie szeregu homologicznego metanu (od CH4 do C4H10) — gazy, następujące po nich (od C5H12 do C16H34) - ciecze, substancje z większą liczbą atomów węgla -ciała stałe (rys. 25.1). Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem długości łańcucha węgłowego zwiększa się masa cząsteczkowa substancji, dlatego zwiększa się ilość energii niezbędnej do topnienia lub odparowywania substancji. Tak więc, dla każdego szeregu homologicznego sprawiedliwą będzie zasada, że wraz ze wzrostem liczby atomów węgla wzrasta temperatura topnienia i wrzenia substancji.
Rys. 25.1. Zależność właściwości fizycznych alkanów od długości łańcucha węglowego: a - gaz; b - ciecz; c - ciało stałe
Rys. 25.2. Alkany: a, b - zbiornik przemysłowy i pojemnik ze skroploną mieszaniną propanu z butanem; c - oktan (bezbarwna ciecz); d - parafina (biała substancja, mieszanina stałych alkanów))
Mimo iż propan i butan są gazowe, ale dobrze skraplają się podczas chłodzenia oraz w warunkach wysokiego ciśnienia. W domu oraz w przemyśle częściej stosuje się skroploną mieszaninę propanu i butanu (rys. 25.2, a, b).
Wszystkie homologi metanu są substancjami bezbarwnymi. W przeciwieństwie do alkanów gazowych i stałych, ciekłe mają specyficzny zapach węglowodorowy lub kwiatowy (rysunek 25.2, c).
Wszystkie homologi metanu - to związki niepolarne, dlatego są one prawie nierozpuszczalne w wodzie, a stałe - tłuste w dotyku (rysunek 25.2, d). Właśnie dlatego alkany oraz inne węglowodory niecykliczne nazywają się substancjami alifatycznymi (z grec. aleiphar - tłuszcz). Ciekłe alkany są lżejsze od wody, w przypadku mieszania z wodą mieszanina się rozwarstwia: alkan zbiera się od góry, a woda - od dołu (rys. 25.3). Dlatego ropa naftowa składa się przeważnie z ciekłych alkanów, w przypadku kontaktu z wodą rozpływa się cienką warstwą na powierzchni, co z kolei stwarza duże zagrożenie dla środowiska (rys. 25.4)
Ze względu na to, że alkany są substancjami niepolarnymi, można dobrze je wymieszać jeden z drugim oraz rozpuścić inne związki niepolarne (rys. 25.5).
Właściwości chemiczne metanu i jego homologów
Alkany są chemicznie nieaktywnymi substancjami, dzięki czemu w XIX wieku nazywano je „truposzami chemicznymi”. Do początku XX wieku nie była dla nich znana żadna reakcja chemiczna, oprócz spalania.
Alkany aktywnie współdziałają z tlenem. Na przykład, jeśli podpalić metan, to spłonie on bladobłękitnym płomieniem, słabo widocznym w promieniach słońca:
Zwróćcie uwagę! W równaniach reakcji z udziałem substancji organicznych znak równości jest zawsze zastępowany strzałką, żeby nie mylić go z podwójnym wiązaniem.
Podczas spalania metanu uwalnia się dużo ciepła - około 50 kJ na 1 g węglowodoru.
Z powietrzem metan tworzy mieszaniny wybuchowe (przypomnijcie sobie z § 23, jaka zawartość metanu grozi eksplozją). Podczas pracy z metanem, na przykład przy użyciu pieców lub butli gazowych, należy stale kontrolować, żeby płomień nie zgasł.
Homologi metanu są również utleniane przez tlen z powietrza, ponadto całkowite utlenianie do dwutlenku węgla występuje tylko podczas spalania w nadmiarze tlenu. Na przykład, dla pentanu:
Jeśli brakuje tlenu, to zamiast dwutlenku węgla powstaje niezwykle trujący tlenek węgla:
Wyższe homologi metanu, czyli alkany o dużej liczbie atomów węgla, podczas spalania mogą również tworzyć węgiel. Przykładowo zwykłe świece parafinowe składające się z mieszaniny stałych alkanów podczas spalania tworzą płomień, który kopci. Kopcenie - to cząsteczki sadzy (węgla), które nie zdążyły się spalić:
Poza tlenem alkany reagują tylko z bardzo aktywnymi substancjami, na przykład z halogenami. Reakcje współdziałania z halogenami nazywane są halogenówaniem. Współdziałanie alkanów z chlorem lub bromem zachodzi tylko w warunkach oświetlenia lub nagrzewania.
Jednocześnie atom halogenu zastępuje atom wodoru w składzie molekuły organicznej, a inny — łączy się z uwolnionym atomem wodoru i tworzy molekułę halogenku wodoru (symbol hv w równaniach reakcji oznacza, że reakcja odbywa się w warunkach oświetlenia):
Za pomocą formuł molekularnych to równanie zapisujemy w następujący sposób:
W przypadku nadmiaru halogenu może być zastępowanych kilka atomów wodoru:
Podczas chlorowania metanu powstają cenne substancje: CH2C12 -dichlorometan, inaczej chlorek metylenu, który wykorzystuje się jako rozpuszczalnik w laboratoriach, w płynach do usuwania lakieru i odtłuszczania powierzchni, do produkcji szybko rozpuszczającej się kawy oraz ekstraktu chmielu; CHC13 - trichlorometan, inaczej chloroform, jest cennym rozpuszczalnikiem w produkcji lekarstw i barwników, od połowy XIX wieku i do niedawna byl stosowany do znieczulenia podczas operacji chirurgicznych; CC14 - tetrachlorometan, który jest stosowany jako rozpuszczalnik dla tłuszczów i żywic, jest to jedna z niewielu niepalnych substancji organicznych, dzięki czemu wykorzystywana jest do gaszenia pożarów w inżynierii wojskowej i lotniczej.
Lampę naftową wynaleźli we Lwowie pracownicy apteki „Pod złotą gwiazdą" Ignacy Lukasiewicz i Jan Zeg w 1853 roku. W tym samym roku we lwowskim szpitalu przeprowadzono pierwszą operację chirurgiczną z oświetlaniem lampą naftową. Następnie lampę naftową przedstawiono na międzynarodowych targach w Monachium i wyróżniono specjalnym dyplomem.
Zadanie lingwistyczne
W języku łacińskim parum oznacza „mało" lub „nieistotnie", a affinis - „pokrewny". Waszym zdaniem, dlaczego w XIX wieku alkany nazywano parafinami?
Zastosowanie metanu i jego homologów
Węglowodory nasycone - ważne substancje w naszym życiu. Duże ilości otrzymanych węglowodorów stosuje się jako różnorodne paliwa: benzyna, nafta, olej napędowy, benzyna lotnicza, olej opałowy (spalany w elektrociepłowniach). Z węglowodorów nasyconych poprzez przekształcenia chemiczne uzyskuje się wiele cennych substancji: syntetyczne środki myjące, rozpuszczalniki, chłodziwa do lodówek, tworzywa sztuczne, kauczuk i in. (rys. 25.6).
Myśl główna
Metan i jego homologi - niepolarne i nisko aktywne substancje chemicznie.
Pytania kontrolne
281. Opiszcie właściwości fizyczne i zastosowanie metanu oraz jego homologów.
282. Jak zmieniają się temperatury topnienia i wrzenia przedstawicieli jednego szeregu homologicznego wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w molekule? Dlaczego?
283. Jakie właściwości chemiczne cechują metan i jego homologi? Ułóżcie równanie reakcji spalania całkowitego metanu.
284. W jakich warunkach możliwe jest niepełne spalanie alkanów? Czym to może grozić?
Zadania utrwalające wiedzę
285. Jakie są wspólne oraz wyróżniające właściwości fizyczne butanu i heksanu?
286. Jak rozróżnić dwie ciecze - heksan i wodę - w zależności od ich właściwości fizycznych? Zaproponujcie co najmniej trzy sposoby.
287. Ułóżcie równanie reakcji całkowitego spalania propanu. Jaka objętość tlenu jest potrzebna do spalania propanu o objętości 5,6 I (warunki zwykłe)? Jaka objętość dwutlenku węgla przy tym powstanie?
288. Próbka parafiny ważąca 1 g została całkowicie spalona w tlenie. Obliczcie masę osadu, który wydzieli się podczas przepuszczania dwutlenku węgla przez wodę wapienną, pod warunkiem, że powstaną tylko średnie sole. Załóżmy, że w parafinie molekuły zawierają średnio po 24 atomy węgla.
289. Obliczcie masę chlorometanu, który można uzyskać z metanu o objętości 5,6 I (zwykłe warunki).
290. Obliczcie masę produktów reakcji, które mogą powstać podczas wzajemnego oddziaływania metanu liczbą 0,15 mola z chlorem objętością (zwykłe warunki): a) 3,36 I; b) 6,72 I; c) 10,08 I; d) 13,44 I.
2911 W wielu budynkach mieszkalnych na Ukrainie korzysta się z kuchenek gazowych. Obliczcie jaką część ciepła spalania gazu ziemnego traci się na ogrzewanie, a jaką - rozprasza się. Informacja niezbędna do obliczenia: na średnim palniku kuchenki gazowej spala się 0,25 m3 gazu na godzinę, woda o wadze 1 kg na takim palniku grzeje się od temperatury pokojowej (20 °C) do wrzenia w ciągu 8 minut, pojemność cieplna wody 4,2 kJ/(kg °C), podczas spalania gazu ziemnego o ilości 1 mola uwalnia się 760 kJ ciepła, objętość molowa gazu w takich warunkach wynosi 24 litry/mol.
2921 Znajdźcie w dodatkowych źródłach informacje o stosowaniu alkanów. Wyjaśnijcie, dzięki jakim właściwościom fizycznym lub chemicznym alkanów uzasadnia się ich stosowanie.
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz