Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Udostępnij materiał Zapisz jako PDF

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

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

  • jakie związki nazywamy węglowodorami nasyconymi;

  • jak zapisywać wzór sumaryczny alkanu o podanej liczbie atomów węgla;

  • jak tworzyć wzór ogólny szeregu homologicznego alkanów;

  • jak rysować wzory strukturalne i półstrukturalne 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
Problem badawczy

W jaki sposób można otrzymać metan?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Metan jest gazem o gęstości większej od gęstości powietrza i możemy go zbierać bezpośrednio do probówki lub zlewki, tak jak tlenek węgla(IV).
Metan jest gazem o mniejszej gęstości od powietrza i słabo rozpuszczalnym 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,

  • 3 g wodorotlenku sodu,

  • moździerz,

  • krystalizator,

  • 2 probówki,

  • korek z rurką odprowadzającą,

  • korek,

  • statyw,

  • łapa,

  • palnik gazowy.

Instrukcja
  1. W moździerzu zmieszaj octan sodu, tlenek wapnia i wodorotlenek sodu.

  2. Powstałą mieszaninę umieść w probówce, zamknij korkiem z rurką odprowadzającą i umocuj ukośnie w statywie.

  3. Drugą probówkę napełnij wodą i umieść, odwróconą do góry dnem, w krystalizatorze napełnionym wodą do 1/3 objętości.

  4. Zacznij ogrzewać probówkę z mieszaniną. Wydzielający się gaz zbieraj pod wodą do probówki (po ukończeniu zbierania zamknij probówkę korkiem).

  5. Obserwuj zachodzące zmiany.

    R10EU6Kb6Dek91
    Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Podsumowanie

W wyniku reakcji powstaje bezbarwny, bezwonny gaz, który wypiera wodę z probówki. Bardzo trudno rozpuszcza się w wodzie. Zebranym gazem jest metan.

Polecenie 1

1. Przedstaw dane z tabeli 1., uwzględniając zależność liczby atomów węgla od temperatury wrzenia i topnienia w postaci wykresu słupkowego.
2. Odczytaj w tablicach chemicznych gęstość pierwszych pięciu węglowodorów z szeregu homologicznego alkanów.

RmHue45KA4MDd1
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

Właściwości fizyczne alkanów zmieniają się wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w ich cząsteczkach – przechodzą od stanu gazowego, poprzez ciekły, do stanu stałego.

Alkany są związkami bezbarwnymi, o małej gęstości, nie rozpuszczają się w wodzie. Alkany zawierające w cząsteczce od 1 do 4 atomów węgla w cząsteczce to gazy. Węglowodory nasycone zawierające od 5 do 16 atomów węgla w cząsteczce to ciecze, a mające 17 i więcej atomów węgla w cząsteczce – substancje stałe.

R1KnGvrsTQd5J1
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
iFt4DyYaIB_d5e338

2. Właściwości chemiczne alkanów

Badanie palności węglowodorów gazowych – pokaz nauczycielski
Doświadczenie 2

Doświadczenie należy przeprowadzać w okularach ochronnych.

Problem badawczy

Czy metan jest gazem palnym?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Metan jest gazem palnym.
Metan nie jest gazem palnym.

Co będzie potrzebne
  • palnik gazowy,

  • zlewka,

  • woda wapienna,

  • szczypce.

Instrukcja
  1. Zapal palnik gazowy, za pomocą pokrętła ustaw najpierw mały, a następnie duży dostęp powietrza.

  2. Nad palnikiem trzymaj zlewkę zwilżoną wodą wapienną.

  3. Do wylotu palnika zbliż szkiełko zegarkowe, ograniczając dopływ powietrza.

  4. Obserwuj zachodzące zmiany.

RCsYY8JYS96j11
1. Nieograniczony dostęp powietrza; 2. Ograniczony dostęp powietrza
Podsumowanie

Głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan. Jest on gazem palnym. Przy nieograniczonym dostępie powietrza spala się bladoniebieskim płomieniem. Powstaje wtedy para wodna, a w miejscu zwilżenia wodą wapienną widać biały osad, co oznacza, że jednym z produktów spalania jest tlenek węgla(IV). Przy ograniczonym dostępie powietrza (tlenu) płomień przyjmuje żółtą barwę, a na szkiełku pojawia się czarny nalot – sadza.
Reakcję spalania całkowitegospalanie całkowitespalania całkowitego opisuje równanie:

RALfUyJv5yPUk1
Źródło: Agnieszka Lipowicz, licencja: CC BY 3.0.

Przy ograniczonym dostępie powietrza zachodzi spalanie niecałkowitespalanie niecałkowitespalanie niecałkowite:

R17AfWFZSQWHJ1
Źródło: Agnieszka Lipowicz, licencja: CC BY 3.0.
ROisPzLpzOvna1
Animacja przedstawiająca reakcję spalania całkowitego metanu. Wykonywane są obliczenia obrazujące tę reakcję.
Ciekawostka

W wyniku niecałkowitego 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.
Tworzy on połączenie, które jest trwalsze niż połączenie tlenu z hemoglobiną. 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.

RkkCwHySbCSec1
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Produktami spalania całkowitego innych alkanów są – tak jak w przypadku metanu – tlenek węgla(IV) i woda. Natomiast podczas spalania niecałkowitego powstają odpowiednio tlenek węgla(II) i woda lub węgiel i woda.
W wyniku spalania całkowitego etanu powstaje zatem:

Rcf3NptSg6eEb1
Źródło: Agnieszka Lipowicz, licencja: CC BY 3.0.
RCFuWSaRScPAw1
Animacja przedstawiająca reakcję spalania całkowitego etanu gdzie są uzgadniane wartości po stronie substratów i produktów.

Przy ograniczonym dostępie tlenu zachodzi spalanie niecałkowite:

R35hDogjq1jBt1
Źródło: Agnieszka Lipowicz, licencja: CC BY 3.0.
RJ6E7EQ0FxVNG1
Prezentowane są odpowiednio wymieniane sprzęty laboratoryjne i odczynniki. Eksperymentator wlewa do krystalizatora wodę, dodaje detergent. Eksperymentator wprowadza wężykiem gaz z butli do krystalizatora z wodą. Na powierzchni krystalizatora tworzą się bańki. Po zebraniu większej ilości baniek eksperymentator odstawia butlę. Eksperymentator zbliża do baniek zapalone łuczywko. Pojawia się duży płomień.
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. 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 naszybciej opuść mieszkanie i zawiadom pogotowie gazowe (tel. 992).

R1ba8SPd1aqza1
Źródło: Dawid Skalec (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 4.0.
Badanie palności węglowodorów ciekłych i stałych – pokaz nauczycielski
Doświadczenie 3

Doświadczenie należy przeprowadzać w okularach ochronnych.

Problem badawczy

Czy węglowodory ciekłe i stałe są palne?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Węglowodory stałe i ciekłe są palne.
Węglowodory stałe i ciekłe nie są palne.

Co będzie potrzebne
  • palnik gazowy,

  • 2 parownice,

  • nafta lub pentan,

  • parafina,

  • szczypce,

  • trójnóg,

  • siatka ze spiekiem ceramicznym,

  • łuczywo.

Instrukcja
  1. W ogrzanej parownicy umieść niewielką ilość pentanu (lub nafty). Zapal go (ją), używając łuczywa.

  2. Umieść parownicę z niewielką ilością parafiny na trójnogu z siatką ceramiczną i ogrzewaj. Po chwili zapal ją, używając łuczywa.

  3. Obserwuj zachodzące zmiany.

Podsumowanie

Nafta jest mieszaniną ciekłych, a parafina – stałych węglowodorów. Po ogrzaniu nafty jej pary zapaliły się. Podobnie było w przypadku parafiny – stopiła się, a jej pary zapaliły się. Wszystkie alkany są palne, a temperatura zapłonu wzrasta z liczbą atomów węgla w cząsteczce węglowodoru.

R6jDNGK7SfMAw1
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
RGkBgo0wTyuVS1
Animacja prezentuje sposób obliczania wzoru sumarycznego i nazwy alkanu na podstawie masy cząsteczkowej, lektor kolejno objaśnia kolejne kroki jakie należy wykonać w ćwiczeniu, a na ekranie wyświetlane są kolejne obliczenia.

Badanie zachowania się metanu w obecności wodnego roztworu wody bromowej.

R7QFe8LbdB5wn1
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.

Pod wpływem wysokiej temperatury lub światła metan reaguje m.in. z bromem i chlorem.

 CH4 + Cl2 T lub światło   CH3Cl + HCl
Badanie reaktywności propanu i butanu wobec wodnego roztworu manganianu(VII) potasu
Doświadczenie 4
Problem badawczy

Czy propan i butan odbarwiają roztwór manganianu(VII) potasu?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Propan i butan nie odbarwiają roztworu manganianu(VII) potasu.
Propan i butan odbarwiają roztwór manganianu(VII) potasu.

Co będzie potrzebne
  • 2 probówki,

  • korek,

  • rozcieńczony roztwór manganianu(VII) potasu,

  • mieszanina propanu i butanu (np. gaz do napełniania zapalniczek).

Instrukcja
  1. Do pierwszej probówki wlej do 1/3 jej objętości rozcieńczony roztwór manganianu(VII) potasu.

  2. Drugą probówkę napełnij mieszaniną propanu i butanu Następnie wlej taką samą ilość roztworu manganianu(VII) potasu. Probówkę zamknij korkiem i dobrze wymieszaj przez wytrząsanie.

  3. Obserwuj zachodzące zmiany.

  4. Porównaj zawartość obu probówek.

R1AYdlGWO0BYW1
Roztwór manganianu(VII) potasu, mieszanina propanu i butanu z roztworem manganianu(VII) potasu
Podsumowanie

Mieszanina propanu i butanu nie odbarwia roztworu manganianu(VII) potasu, czyli z nim nie reaguje. Węglowodory nasycone są mało reaktywne. Wynika to z ich budowy i obecności w cząsteczce wiązań pojedynczych, które są trudne do rozerwania.

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 2.1

Określ stan skupienia związków chemicznych o wzorach: C2H6, C10H22, C22H46, C23H48.

Polecenie 2.2

Narysuj wzór strukturalny i półstrukturalny alkanu, którego masa cząsteczkowa wynosi 100 u.

Polecenie 2.3

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

iFt4DyYaIB_d5e745

Słowniczek

spalanie całkowite
spalanie całkowite

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

spalanie niecałkowite
spalanie niecałkowite

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

iFt4DyYaIB_d5e804

Zadania

Rozwiąż zadanie.

Ćwiczenie 1.1
R9BUrBjx6yLQW1
Zadanie 1
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
R16acEv6xMKW11
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
R1FvWWuXyZalH1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
RoNpcdDNPpJYc1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
RB0tyz38TYVxx1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
R15XqNCd4Xrai1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.

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

Alkany

Alkan

Wzór chemiczny

Temperatura wrzenia (°C)

Temperatura topnienia (°C)

Stan skupienia (przy 20°C)

Metan

CH4

-162

-183

gaz

Etan

C2H6

-89

-172

gaz

Propan

C3H8

-42

-188

gaz

Butan

C4H10

-138

gaz

Pentan

C5H12

36

-130

ciecz

Heksadekan

C16H34

287

18

ciecz

Heptadekan

C17H36

302

22

ciało stałe

Ćwiczenie 7.1
R6cC06OBAqygf1
zadanie interaktywne
Źródło: Małgorzata Bartoszewicz, licencja: CC BY 3.0.