Хімічні властивості 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:

$$C_n{H}_{2n+2}+\frac{3n+1}{2}{O}_2\to nC{O}_2+(n+1)H_{2}O$$

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».

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.

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).

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.

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.

• 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.

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.

• 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.