Dodaj do ulubionych Udostępnij materiał Wydrukuj

Znasz już pojęcie roztworu nasyconego – to taki roztwór, w którym (w danej temperaturze) rozpuszczono maksymalną ilość substancji. Określenie „nasycony” jest również używane w odniesieniu do opisu niektórych związków organicznych. Dlaczego? Jest to związane z ich budową, zatem przeanalizujmy ją.

Już wiesz
  • jaka jest konfiguracja elektronowa i położenie węgla w układzie okresowym;

  • jakie związki nazywamy węglowodorami;

  • jakie są naturalne źródła węglowodorów.

Nauczysz się
  • definiować terminy alkanywęglowodory nasycone;

  • tworzyć wzór ogólny szeregu homologicznego alkanów;

  • zapisywać wzór sumaryczny dowolnego alkanu o podanej liczbie atomów węgla w cząsteczce;

  • zapisywać wzory strukturalne i półstrukturalne alkanów.

iXETDRSULf_d5e212

1. Metan

Najprostszym węglowodorem jest metan, którego cząsteczki są zbudowane z jednego atomu węgla i atomów wodoru. Położenie węgla w układzie okresowym wskazuje na to, że ma on cztery elektrony walencyjne. W związkach organicznych węgiel jest zawsze czterowartościowy – może utworzyć maksymalnie cztery wiązania chemiczne. Atom węgla połączony z czterema atomami wodoru tworzy związek o wzorze CH4, czyli metan.

Cząsteczka metanu ma kształt tetraedru (czworościanu foremnego). Wszystkie wiązania między atomem węgla a atomami wodoru są takie same (kąty pomiędzy wiązaniami wynoszą 109°28').

R17GKlRJeBX8I1
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Metan powstaje w warunkach beztlenowych podczas rozkładu materii organicznej. Jest głównym składnikiem gazu ziemnego, na terenach bagiennych wydziela się jako gaz błotny. Źródłem metanu są także wysypiska śmieci. Produkują go również zwierzęta przeżuwające (bydło, owce).

Ciekawostka

Pierwsze na świecie udane wydobycie gazu z hydratów 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”. Nie było 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.
(Źródło: Japończycy wydobyli gaz z hydratów metanu, Hydraty – paliwo przyszłości?)

R11nWXx0RRo7G1
Złoża zmrożonego metanu

*Hydraty metanu – to szczelnej budowy struktury krystaliczne, złożone z molekuł metanu zamkniętych w klatkach cząsteczek wody.

Badanie reaktywności metanu
Doświadczenie 1
Problem badawczy

Czy metan powoduje odbarwienie wody bromowej?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Metan odbarwia wodę bromową.
Metan nie powoduje odbarwienia wody bromowej.

Co będzie potrzebne
  • 2 probówki,

  • korek,

  • woda bromowa (roztwór bromu),

  • metan (np. z małej butli).

Instrukcja
  1. Do pierwszej probówki wlej do 1/3 jej objętości roztwór bromu (wodę bromową).

  2. Drugą probówkę napełnij metanem i wlej taką samą ilość wody bromowej. Probówkę zamknij korkiem i dobrze wymieszaj przez wytrząsanie.

  3. Obserwuj zachodzące zmiany.

  4. Porównaj zawartość obu probówek.

Podsumowanie
ROQ34B5XE2RGr1
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.

Metan nie odbarwia bromu, czyli z nim nie reaguje. Oznacza to, że jest on węglowodorem nasyconym, mało reaktywnym, co wynika z jego budowy i obecności w cząsteczce metanu wiązań pojedynczych, które są trudne do rozerwania.

iXETDRSULf_d5e329

2. Węglowodory nasycone

Składnikami gazu ziemnego oprócz metanu są: etan, propan, butan. Ich nazwy są zwyczajowe. Począwszy od pentanu, nazwy tworzy się od greckich liczebników: penta- (pięć), heksa- (sześć) itd., oznaczających liczbę atomów węgla w cząsteczce, przez dodanie zakonczenia -an.

AlkanyalkanyAlkany są to węglowodory nasycone, w których cząsteczkach między atomami węgla występują wyłącznie pojedyncze wiązania.

Rx0kfSVu5cwkr1
Animacja przedstawiająca sposoby rysowania wzorów strukturalnych i półstrukturalnych alkanów na podstawie polecenia.

Wszystkie cząsteczki alkanów w szeregu homologicznym mają wiązania pojedyncze (czyli do każdego atomu węgla jest przyłączona maksymalna liczba atomów wodoru lub węgla), dlatego nazywa się je węglowodorami nasyconymi.

Wzór ogólny alkanów:

CnH2n+2

n – liczba atomów węgla w cząsteczce

Nazwy wszystkich alkanów mają zakończenie -an.

R1DCNIsyklT7P1
Na ekranie np. tablicy zapisywany jest wzór: CnH2n+2 – wzór ogólny alkanów. Zadanie 1. Zapisz wzór sumaryczny alkanu o 4 atomach węgla. Są wykonane obliczenia dzięki którym można zapisać wzór sumaryczny alkanu. Zadanie 2. Zapisz wzór sumaryczny alkanu o 20 atomach węgla. Są wykonane obliczenia dzięki którym można zapisać wzór sumaryczny alkanu. Zadanie 3. Zapisz wzór sumaryczny alkanu o 18 atomach wodoru. Są wykonane obliczenia dzięki którym można zapisać wzór sumaryczny alkanu.
Ciekawostka

Alkany lub inne związki organiczne o tym samym wzorze sumarycznym mogą różnić się budową – związki takie nazywamy izomeramiizomeryizomerami. Znane są związki o łańcuchu „prostym”, w których wszystkie atomy węgla są związane z nie więcej niż dwoma innymi atomami węgla, oraz związki o łańcuchu „rozgałęzionym”, w których przynajmniej jeden z atomów węgla jest związany z więcej niż dwoma innymi atomami węgla. Im więcej jest atomów węgla w cząsteczce alkanu, tym więcej możliwości połączeń między nimi. Jeżeli w cząsteczce alkanu wszystkie atomy węgla są ustawione w jednym szeregu i nie ma rozgałęzień, to można jego nazwę podać z literą n- na początku (skrót od normalny).
Butan o wzorze sumarycznym C4H10 może utworzyć związek chemiczny o łańcuchu prostym (n‑butan) lub rozgałęzionym (izobutan).

iXETDRSULf_d5e404

Podsumowanie

  • Węgiel w związkach organicznych jest zawsze czterowartościowy.

  • Węglowodory nasycone (alkany) to węglowodory, w których cząsteczkach między atomami węgla występują wyłącznie wiązania pojedyncze.

  • Węglowodory nasycone tworzą szereg homologiczny o wzorze ogólnym CnH2n+2.

Praca domowa
Polecenie 1.1

Sprawdź, czy związki chemiczne o wzorach: C20H42,C21H44, C22H46, C23H48 należą do szeregu homologicznego alkanów.

Polecenie 1.2

Przedstaw modele pięciu kolejnych alkanów, zaczynając od metanu. Wykonaj je z dowolnych materiałów, np. plasteliny i zapałek.

Polecenie 1.3

Napisz wzory strukturalny i półstrukturalny alkanu zawierającego 10 atomów węgla w cząsteczce.

iXETDRSULf_d5e470

Słowniczek

alkany
alkany

węglowodory nasycone, związki organiczne zbudowane z atomów węgla i wodoru, zawierające między atomami węgla wyłącznie wiązania pojedyncze

izomery
izomery

związki chemiczne o tym samym wzorze sumarycznym, ale różniące się budową (ułożeniem atomów w cząsteczce)

szereg homologiczny
szereg homologiczny

szereg związków organicznych uporządkowanych według wzrastającej liczby atomów węgla, np. alkanów, w którym dwa kolejne związki różnią się od siebie o grupę atomów – CH2

iXETDRSULf_d5e546

Zadania

Ćwiczenie 1
R2jkxRQslIl7J1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.

Zbuduj model cząsteczki butanu, wstawiając dostępne elementy we właściwe miejsca.

Ćwiczenie 2.1
R5wc8tZPMWxXg1
Zadanie 2
Źródło: Krzysztof Jaworski, Michał Szymczak, licencja: CC BY 3.0.

Zbuduj model cząsteczki etanu, wstawiając dostępne elementy we właściwe miejsca.

Ćwiczenie 3.1
RHcoDkHBuJVzd1
Zadanie 3
Źródło: Krzysztof Jaworski, Michał Szymczak, licencja: CC BY 3.0.

Zbuduj model cząsteczki heptanu, wstawiając dostępne elementy we właściwe miejsca.

Ćwiczenie 4.1
RYDy9hXr9cX8J1
Zadanie 4
Źródło: Krzysztof Jaworski, Michał Szymczak, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
R131avOtAeG3G1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
RTNz7LG4AUGzS1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 7
RoLe3ciWOsS8J1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.