Перейти до основного вмісту
Каталог

Хімічні властивості алканів

~20 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань

Будова органічних сполук і вуглеводні
Хімія НМТ

Частина кар’єрної траєкторії НМТ 2027: 3 обов’язкові + хімія.

Складаєш рівняння горіння, галогенування, термічного розкладу та ізомеризації алканів, а також одержання алканів гідруванням алкенів і алкінів. Обчислюєш об'єм кисню для спалювання газоподібного алкану за коефіцієнтами рівняння.

Горіння алканів

Алкани — насичені вуглеводні, які активно горять у кисні. Повне згоряння алкану відбувається до вуглекислого газу й води з виділенням великої кількості теплоти. Саме тому алкани використовують як паливо — метан у побутових плитах, пропан-бутанова суміш у балонах, бензин у двигунах.

Повне згоряння

Повне згоряння відбувається за достатньої кількості кисню. Продукти — лише CO₂ і H₂O. Наприклад:

  • CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

  • C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

Суміші метану або пропан-бутану з повітрям вибухонебезпечні — це важливо пам'ятати під час використання газових приладів.

Як урівнювати рівняння горіння

Урівнювання рівняння горіння алкану роблять у три кроки:

  1. Спершу зрівнюють атоми Карбону: ставлять коефіцієнт n перед CO₂, де n — число атомів C в алкані.

  2. Потім зрівнюють атоми Гідрогену: перед H₂O ставлять (n + 1), оскільки в алкані CₙH₂ₙ₊₂ міститься 2n + 2 атомів H, а в одній молекулі H₂O — 2 атоми H.

  3. Наприкінці зрівнюють атоми Оксигену: підраховують O в правих продуктах (2n + (n + 1) = 3n + 1) і ділять на 2, отримуючи коефіцієнт (3n + 1)/2 перед O₂.

Загальна схема повного згоряння алкану:

Якщо коефіцієнт перед O₂ виходить дробовим, усі коефіцієнти в рівнянні подвоюють, щоб отримати найменші цілі числа. Наприклад:

  • Для етану C₂H₆: n = 2, (3·2 + 1)/2 = 3,5 → подвоюємо: 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O

  • Для бутану C₄H₁₀: n = 4, (3·4 + 1)/2 = 6,5 → подвоюємо: 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O

Неповне згоряння

За нестачі кисню алкани згоряють неповністю. Замість CO₂ утворюються чадний газ CO (отруйний!) або навіть вуглець (сажа):

  • 2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O — утворюється чадний газ

  • CH₄ + O₂ → C + 2H₂O — утворюється сажа

Саме тому газові прилади потребують постійного притоку повітря: нестача кисню призводить до утворення отруйного чадного газу, який не має запаху й кольору.

Об'ємні відношення газів

Для газів за однакових умов (однакові температура й тиск) об'єми реагентів і продуктів відносяться як їхні коефіцієнти в рівнянні. Наприклад, для метану CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O:

  • V(O₂) = 2 · V(CH₄) — кисню потрібно вдвічі більше за об'ємом

  • Для 12 л пропану C₃H₈: V(O₂) = 5 · 12 = 60 л (за рівнянням C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O)

Важливо: вода за нормальних умов — рідина, тому до неї правило об'ємних відношень не застосовують. Об'єм повітря, необхідний для згоряння, розглядають в окремому курсі «Обчислення в хімії».

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Галогенування — реакція заміщення

Галогенування — це реакція заміщення атомів Гідрогену в алкані на атоми галогену. Найважливіше практичне значення має хлорування метану.

Умови перебігу реакції

Метан реагує з хлором на світлі (позначають hν) або під час нагрівання. У темряві за кімнатної температури реакція не відбувається. Світло розриває молекулу Cl₂ на вільні радикали, які й атакують молекулу метану.

Перша стадія хлорування метану:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

Атом Гідрогену заміщується атомом Хлору — це реакція заміщення, а не приєднання. У насичених вуглеводнів немає кратних зв'язків, тому вони не здатні до приєднання.

Ступінчасте хлорування

Хлорування метану не зупиняється на одній стадії. Кожен наступний атом Гідрогену також може заміститися. Утворюється суміш продуктів:

  1. CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl — хлорометан (хлористий метил)

  2. CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl — дихлорометан (метиленхлорид)

  3. CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl — трихлорометан (хлороформ)

  4. CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl — тетрахлорометан (чотирихлористий вуглець)

На кожен заміщений атом Гідрогену утворюється одна молекула HCl. Повне хлорування метану описує сумарне рівняння:

CH₄ + 4Cl₂ → CCl₄ + 4HCl

Бромування та хлорування інших алканів

З бромом реакція аналогічна, але перебігає повільніше, ніж із хлором. Етан на світлі дає хлороетан:

C₂H₆ + Cl₂ → C₂H₅Cl + HCl

Як відрізнити алкан від алкену

Алкани — насичені вуглеводні, тому за звичайних умов вони не знебарвлюють бромну воду (Br₂ у водному розчині) й розчин калій перманганату (KMnO₄). Алкени, навпаки, мають подвійний зв'язок і легко приєднують бром, знебарвлюючи бромну воду. Це простий якісний тест: якщо речовина знебарвлює бромну воду — це алкен, якщо ні — алкан.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Термічний розклад та ізомеризація

Під дією високої температури без доступу повітря алкани зазнають термічного розкладу (крекінгу). Для метану цей процес має два важливі варіанти залежно від температури.

Розклад метану за температури близько 1000 °C

Без доступу повітря метан розкладається на прості речовини — вуглець і водень:

CH₄ → C + 2H₂

Так добувають сажу (дрібнодисперсний вуглець), яку використовують як наповнювач гуми та чорний пігмент для фарб, а також водень.

Розклад метану за температури близько 1500 °C

За вищої температури (близько 1500 °C) і швидкого охолодження продуктів із двох молекул метану утворюється етин (ацетилен):

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂

Це один із промислових способів добування етину.

Крекінг довших алканів

Довші молекули алканів під час сильного нагрівання розщеплюються на коротші. Наприклад, гексан може розпастися на бутан і етен. Цей хімічний процес детально розглянуто в уроці про переробку нафти.

Ізомеризація бутану

Ізомеризація — це перетворення алкану з нерозгалуженим ланцюгом на алкан із розгалуженим ланцюгом того самого складу. Наприклад, бутан у присутності каталізатора AlCl₃ і нагріванні перетворюється на 2-метилпропан:

CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ → CH₃–CH(CH₃)–CH₃

Склад C₄H₁₀ не змінюється, змінюється лише будова молекули. Ізомеризація дає алкани з вищим октановим числом, що важливо для виробництва пального.

Як розрізнити за рівнянням

Термічний розклад: з однієї речовини утворюється кілька нових, простіших речовин (наприклад, CH₄ → C + 2H₂). Ізомеризація: один реагент і один продукт того самого складу (C₄H₁₀ → C₄H₁₀, але інша будова).

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Одержання й застосування алканів

Одержання алканів гідруванням

Алкани можна одержати приєднанням водню (гідруванням) до ненасичених вуглеводнів — алкенів та алкінів. Реакція відбувається в присутності каталізатора (нікель Ni або платина Pt) і за нагрівання.

Гідрування алкену (етену) дає етан:

CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃

Гідрування алкіну (етину) потребує двох молекул водню й теж дає етан:

CH≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₃

Гідрування пропену дає пропан:

CH₂=CH–CH₃ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₃

Природні джерела алканів — природний газ і нафта. Це питання розглядають в окремому уроці.

Застосування алканів

Алкани широко використовують у різних галузях завдяки їхнім хімічним властивостям:

  • Паливо: метан (природний газ) для опалення й приготування їжі, пропан-бутанова суміш у балонах, бензин (суміш рідких алканів) для двигунів.

  • Розчинники: рідкі алкани (пентан, гексан) використовують як розчинники в промисловості.

  • Сажа: добувають термічним розкладом метану, використовують як наповнювач гуми (шини) і чорний пігмент.

  • Водень: добувають термічним розкладом метану для хімічної промисловості.

  • Галогеноалкани: дихлорометан CH₂Cl₂, трихлорометан CHCl₃, тетрахлорометан CCl₄ — використовують як розчинники.

Вплив на довкілля

Згоряння алканів дає вуглекислий газ CO₂, який посилює парниковий ефект. Неповне згоряння утворює отруйний чадний газ CO й сажу. Метан, що потрапляє в атмосферу, теж є парниковим газом. Подробиці про вплив оксидів неметалічних елементів на атмосферу — в окремому уроці.

Метан і його гомологи

Усі алкани горять і вступають у реакції заміщення на світлі. Зі збільшенням довжини вуглеводневого ланцюга зростають температури кипіння, а на згоряння 1 моль алкану потрібно більше кисню.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Розбираємо завдання

Приклад 1. Об'єм кисню для згоряння пропану

Завдання: Обчисліть об'єм кисню (л), потрібний для повного згоряння 12 л пропану. Об'єми виміряно за однакових умов.

Розв'язання:

  1. Складаємо рівняння повного згоряння пропану: C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O.

  2. Для газів за однакових умов об'єми відносяться як коефіцієнти. Коефіцієнт перед пропаном — 1, перед киснем — 5.

  3. V(O₂) = 5 · V(C₃H₈) = 5 · 12 = 60 л.

Відповідь: 60.

Чому інші відповіді неправильні: 36 — узяли коефіцієнт CO₂ (3 · 12 = 36), але запитують про кисень, а не про CO₂; 48 — узяли коефіцієнт H₂O (4 · 12 = 48), але вода за н. у. рідина, до того ж запитують про кисень; 24 — помилково взяли співвідношення як для метану (2 · 12 = 24).

Приклад 2. Перша стадія хлорування метану

Завдання: Яке рівняння описує першу стадію взаємодії метану з хлором на світлі?

Розв'язання: Метан реагує з хлором на світлі за механізмом заміщення. Один атом Гідрогену заміщується одним атомом Хлору. Продукти — хлорометан і гідроген хлорид:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

Відповідь: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl.

Чому інші варіанти неправильні: CH₄ + Cl₂ → CH₄Cl₂ — це приєднання, але метан насичений, не має кратних зв'язків, і атом Карбону мав би шість зв'язків (4 з H і 2 з Cl), що неможливо — Карбон чотиривалентний; CH₄ + Cl₂ → CH₂Cl₂ + H₂ — заміщуються два атоми H, але це не перша стадія, і водень виділяється у вигляді H₂, а не HCl; 2CH₄ + Cl₂ → 2CH₃Cl + H₂ — неправильне співвідношення реагентів, і знову водень виділяється як H₂, а не HCl.

Приклад 3. Сума коефіцієнтів у рівнянні горіння бутану

Завдання: Укажіть суму найменших цілих коефіцієнтів у рівнянні повного згоряння бутану.

Розв'язання:

  1. Бутан — C₄H₁₀. За загальною схемою: n = 4, (3n + 1)/2 = (12 + 1)/2 = 6,5.

  2. Оскільки коефіцієнт перед O₂ дробовий, усі коефіцієнти подвоюємо: 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O.

  3. Сума коефіцієнтів: 2 + 13 + 8 + 10 = 33.

Відповідь: 33.

Чому інші відповіді неправильні: 16,5 — залишили дробовий коефіцієнт 6,5 перед O₂, але завдання вимагає найменші цілі коефіцієнти; 24 — подвоїли лише коефіцієнти бутану й кисню, але забули подвоїти коефіцієнти CO₂ і H₂O.

Приклад 4. Процес, що дає сажу й водень

Завдання: Який процес дає водночас сажу й водень?

Розв'язання: Сажа (вуглець) і водень утворюються під час термічного розкладу метану за температури близько 1000 °C без доступу повітря:

CH₄ → C + 2H₂

Відповідь: термічний розклад метану за температури близько 1000 °C без доступу повітря.

Чому інші варіанти неправильні: хлорування метану на світлі дає хлорометан і HCl, а не сажу; повне згоряння метану дає CO₂ і H₂O; ізомеризація бутану дає 2-метилпропан того самого складу C₄H₁₀.

Приклад 5. Одержання бутану

Завдання: Бутан можна одержати...

Розв'язання: Бутан — алкан із чотирма атомами Карбону. Його можна одержати гідруванням бут-1-ену (алкену з чотирма атомами C):

CH₂=CH–CH₂–CH₃ + H₂ → CH₃–CH₂–CH₂–CH₃

Відповідь: гідруванням бут-1-ену.

Чому інші варіанти неправильні: гідратація бут-1-ену (приєднання води) дає спирт (бутанол), а не алкан; дегідрування бутану — це зворотний процес, що дає бутен, а не бутан; хлорування бутану дає хлоробутан, а не бутан.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Типові помилки й пастки

  • Вважати, що метан вступає в реакції приєднання, й записувати продукт «CH₄Cl₂». Насправді метан — насичений вуглеводень, він не має кратних зв'язків, тому не вступає в реакції приєднання; з хлором він реагує заміщенням. Правильний продукт першої стадії хлорування — CH₃Cl + HCl.

  • Забувати про HCl — другий продукт кожної стадії хлорування. Коли один атом H заміщується на Cl, утворюється молекула HCl. Наприклад: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl, а не просто CH₃Cl.

  • Залишати дробові коефіцієнти, коли запитано суму найменших цілих коефіцієнтів. Якщо перед O₂ вийшло 6,5, потрібно подвоїти всі коефіцієнти: 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O, сума — 33.

  • Застосовувати об'ємні відношення до води, яка за нормальних умов є рідиною. Правило об'ємних відношень діє лише для газів. Воду в рівнянні горіння не враховують під час обчислення об'ємів.

  • Вважати, що алкани знебарвлюють бромну воду й розчин KMnO₄. Це хибне уявлення: алкани насичені й не мають кратних зв'язків, тому не реагують із бромною водою за звичайних умов. Знебарвлення — ознака алкену.

  • Плутати гідрування алкену (одержання алкану) з гідратацією етену (одержання етанолу). Гідрування — приєднання H₂, гідратація — приєднання H₂O. Результати різні: алкан і спирт відповідно.

  • Вважати, що за нестачі кисню теж утворюється лише CO₂. Насправді за нестачі кисню утворюються отруйний чадний газ CO або сажа C. Це небезпечно, тому газові прилади потребують вентиляції.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Як це перевіряють на НМТ

Тема 3.2.1 програми НМТ з хімії вимагає вміння складати рівняння горіння, термічного розкладу, ізомеризації, галогенування алканів, а також одержання алканів гідруванням алкенів і алкінів. Крім того, потрібно обґрунтовувати здатність алканів до заміщення та знати їхнє застосування (паливо, розчинники, сажа, водень, галогеноалкани).

Формати завдань

На НМТ завдання з цієї теми можуть бути двох форматів:

  • Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання 1–18, 0 або 1 бал). Перевіряють знання продуктів і умов реакції, типу реакції, способу одержання алкану, а також уміння визначати речовину, що не знебарвлює бромну воду.

  • Коротка відповідь (завдання 22–24, 0 або 2 бали без часткових). Розрахункові задачі на об'ємні відношення газів за рівнянням — вимога теми 4.3 програми. Відповідь — число, атомні маси округлюють до одиниць.

Стратегія виконання

Рівняння горіння урівнюй у порядку C → H → O. Для газів за однакових умов бери об'єми у відношенні коефіцієнтів без переходу до маси — це економить час і зменшує ризик помилки. Пам'ятай, що вода за н. у. — рідина, тому її об'єм не враховують.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Питання й відповіді

Чому метан не реагує з хлором у темряві, а на світлі реагує?

Реакція хлорування метану відбувається за вільнорадикальним механізмом. Світло (hν) розриває молекулу хлору Cl₂ на два вільні радикали Cl·. Ці радикали дуже активні й атакують молекулу метану, заміщуючи атом Гідрогену. У темряві молекули хлору не розпадаються на радикали, тому реакція не починається. Нагрівання теж може надати енергію для розриву зв'язку Cl–Cl.

Чому хлорування метану дає суміш продуктів, а не лише хлорометан?

Хлорування — ступінчастий процес. Коли утворюється хлорометан CH₃Cl, він теж містить атоми Гідрогену, які можуть заміщуватися хлором далі. Тому одночасно утворюються CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃ і CCl₄. Співвідношення продуктів залежить від кількості хлору: за надлишку хлору переважає CCl₄, за нестачі — CH₃Cl.

Як швидко урівняти рівняння горіння будь-якого алкану?

Використовуй загальну формулу: CₙH₂ₙ₊₂ + (3n + 1)/2 O₂ → nCO₂ + (n + 1)H₂O. Підстав n — число атомів Карбону. Якщо (3n + 1)/2 дає дріб (наприклад, 3,5 або 6,5), подвой усі коефіцієнти. Наприклад, для бутану C₄H₁₀: n = 4, (3·4 + 1)/2 = 6,5 → подвоюємо → 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O.

Чим небезпечне неповне згоряння газу в квартирі?

За нестачі кисню метан згоряє не до CO₂, а до отруйного чадного газу CO або до сажі C. Чадний газ не має запаху й кольору, але зв'язується з гемоглобіном крові в 200–300 разів міцніше за кисень, що призводить до кисневого голодування й може спричинити смерть. Тому газові плити й котли потребують постійної вентиляції.

Як за допомогою реакції відрізнити алкан від алкену?

Додай до речовини бромну воду (жовто-коричневий розчин Br₂ у воді). Алкени знебарвлюють бромну воду, оскільки приєднують бром за подвійним зв'язком. Алкани не знебарвлюють бромну воду, бо не мають кратних зв'язків і не реагують із бромом за звичайних умов. Те саме з розчином KMnO₄: алкени його знебарвлюють, алкани — ні.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Коротко: головне

  • Алкани горять до CO₂ і H₂O: CₙH₂ₙ₊₂ + (3n + 1)/2 O₂ → nCO₂ + (n + 1)H₂O. Якщо коефіцієнт перед O₂ дробовий, усі коефіцієнти подвоюють.

  • З хлором на світлі — заміщення: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl і далі до CCl₄. На кожен заміщений атом H — одна молекула HCl.

  • Термічний розклад метану: CH₄ → C + 2H₂ (сажа й водень, близько 1000 °C); 2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂ (етин, близько 1500 °C).

  • Бутан ізомеризується в 2-метилпропан: CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ → CH₃–CH(CH₃)–CH₃ (AlCl₃, нагрівання).

  • Алкани одержують гідруванням алкенів і алкінів: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃–CH₃; CH≡CH + 2H₂ → CH₃–CH₃.

  • Бромну воду й розчин KMnO₄ алкани не знебарвлюють — це відрізняє їх від алкенів.

  • Для газів об'єми відносяться як коефіцієнти: кисню для пропану потрібно в 5 разів більше за об'ємом.

Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.

Самоперевірка

Перевірте себе на цьому юніті

Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.

1. Які продукти утворюються внаслідок повного згоряння алкану в достатній кількості кисню?

2. Яке рівняння описує першу стадію взаємодії метану з хлором на світлі?

3. Яке рівняння відповідає реакції ізомеризації бутану?

4. Яку речовину можна одержати гідруванням бут-1-ену?

5. Який процес відбувається під час нагрівання метану без доступу повітря за температури близько 1000 °C?

Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 10 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.

Приєднатися, щоб пройти тест