Alkany Mgr. Jaroslav Najbert

Označení vzdělávacího materiálu Vzdělávací oblast Vzdělávací obor Název školy Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Adresa školy Sokolovská 1638 IČO 620 330 26 Operační program Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost Registrační číslo CZ.1.07/1.1.28/01.0050 Označení vzdělávacího materiálu K_INOVACE_1.CH.15 Vzdělávací oblast Člověk a příroda Vzdělávací obor Chemie Tematický okruh Alkany Zhotoveno Ročník Vyšší stupeň osmiletého gymnázia a čtyřleté gymnázium (RVP – G) Anotace Materiál je určen jako studijní materiál v předmětu chemie. Je zaměřen na obecnou charakteristiku, rozdělení, vlastnosti a popis zástupců alkanů. Předpokládá zvládnutí teorie atomového obalu, chemické vazby a obecné chemie. Materiál je určen pro seminář chemie, lze jej využít i v hodinách chemie.

Obecná charakteristika alkanů Uhlovodíky, v jejichž molekule se vyskytují pouze δ vazby. n-alkany – rovinný řetězec – obecný vzorec CnH2n+2, tvoří homologickou řadu. Vzorec třetího členu C3H2*3+2 C3H8 Homologický přírůstek – CH2 C3H8 C4H10 CH2

Fyzikální vlastnosti Bezbarvé, bez zápachu – pro detekci úniku plynných alkanů přidávána sloučenina síry merkaptan. Nemají polární charakter ꞊› nerozpustné v polárních rozpouštědlech. Kapalné sami nepolárními rozpouštědly. Se vzrůstajícím počtem atomů uhlíku v řetězci stoupá bod varu – mezi molekulami se uplatňují van der Waalsovy nevazebné interakce (suchý zip).

Bod varu Alkan t /oC/ -161 -88 -42 +36 +69 +98 +174 +269 +287 plyn CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C10H22 C15H32 C16H34 t /oC/ -161 -88 -42 +36 +69 +98 +174 +269 +287 plyn kapalina pevná látka

Geometrie molekul V molekulách alkanů se váže uhlík čtyřmi jednoduchými vazbami s využitím všech čtyř valenčních elektronů. 2s 2p 2s 2p Ve skutečnosti vznikly 4 energeticky rovnocenné (hybridizované) atomové orbitaly sp3. 4sp3

Hybridní atomové orbitaly

Vazebný úhel mezi atomy Vzhledem k odpuzování vazebných elektronových párů zaujmou tři sousední atomy úhel přibližně 109◦.

Konformace molekul Jednoduchá vazba mezi atomy uhlíku v řetězci umožňuje jejich rotaci, kdy se mění poloha vodíků, vázaných na atomy uhlíku. Mohou tak existovat molekuly se stejným složením, liší se ale orientací jednotlivých atomů v prostoru. Toto prostorové uspořádání molekul jedné látky, které lze v sebe převést rotací kolem jednoduché vazby, označujeme jako konformace. Formy výskytu molekul jako rotační izomery (konformery). Jednotlivé konformery se liší obsahem energie. U ethanu existují dvě základní konformace – zákrytová (syn) a nezákrytová (anti).

Zákrytová konformace Atomy vodíků se při pohledu v ose vazby zakrývají. Ekvivalentní označení je souhlasná, přilehlá.

Nezákrytová konformace Atomy vodíků při pohledu v ose vazby svírají úhel 60◦. Ekvivalentní označení je nesouhlasná, inverzní, zkřížená, střídavá.

Konformace cyklohexanu. Židlička Vanička

Chemické vlastnosti Vzhledem k elektronegativitám atomů C a H probíhají reakce radikálovým mechanismem, mají vysokou hodnotu aktivační energie, probíhají až po iniciaci, často explozivně. Při reakcích vzhledem ke složitému mechanismu obvykle vzniká směs produktů. Radikálová substituce Radikálová eliminace Oxidace Pyrolýza (krakování) Dehydrogenace Halogenace Izomerace Sulfochlorace

Oxidace Úplná oxidace – spalování – základ získávání energie ve spalovacích motorech a spalováním zemního plynu. CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) LPG - C5H12(g) + 8O2(g) 5CO2(g) + 6H2O(g) Kyslík reaguje jako biradikál Průběh reakce: Iniciace: R – H R● + H●   Propagace: R● +O2 ----- R – O – O● alkylperoxid R – O – O● + R – H ------ R – O – O – H + R● alkylhydroperoxid H● +O2 ----- H – O – O● hydroperoxidový radikál H – O – O● + R – H ----- H – O – O – H + R● peroxid vodíku R – O – O – H ----- R – O● + H – O● alkoxylový radikál hydroxylový radikál H – O – O – H ----- 2 H – O● CH3● + O2 ----- CH3– o – o● metylhydroperoxidový radikál CH3– o – o● ----- CH2O + H – O● ----- ●CH O + H2O formaldehyd formylový radikál ●CH O + H – O● ----- CO + H2O CO + H – O● ----- CO2 + H2O Terminace: R● + R● ----- R – R R – O● + R● ----- R – O – R Částečná oxidace – směs produktů – alkoholy, aldehydy, ketony až karboxylové kyseliny

Halogenace Halogenace halogenem vede ke vzniku mono až polyhalogenderivátu podle složení reakční směsi. CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl CH4 + 4Cl2 CCl4 + 4HCl Snadnost halogenace klesá v řadě F››Cl›Br››I, s jodem neprobíhá. Mechanismus radikálové substituce je probírán v tématu Chemické reakce v organické chemii. Vzhledem k tomu, že vodíků na primárních uhlících je při reakci k dispozici více než vodíků na sekundárních, respektive terciárních uhlících, má na četnost vzniklého produktu větší vliv stabilita vznikajících meziproduktů v důsledku kladného indukčního efektu alkylových skupin. Snadná dostupnost výchozích látek – ropa, zemní plyn, halogeny odpad při elektrolytických výrobách a relativní snadnost halogenace dává vznik produktům, které následně umožňují iontové průběhy reakcí při dalších organických syntézách. Snadnost chlorace a bromace stoupá v řadě primární C › sekundární C › terciární C. Vzniklé alkylhalogenidy jsou jednak konečnými produkty, ale hlavně jsou využity jako výchozí suroviny pro další organické syntézy.

Sulfochlorace Vznikají v prvním kroku alkansulfonylhalogenidy, které následnou hydrolýzou dávají vznik alkylsulfonovým kyselinám – jejich soli jako detergenty v čistících prostředcích, pracích prášcích, tekutých mýdlech, zubních pastách, pěnách do koupele. UV SO2Cl2 + R-H R-SO2Cl + HCl SO2Cl2 SO2 + 2Cl● R-H + Cl● R● + HCl Detergenty jednak snižují povrchové napětí, současně je jejich molekula hydrofobní na straně alkylového řetězce a hydrofilní na straně sulfoskupiny. R● + SO2Cl2 RSO2Cl + Cl● RSO2Cl + -OH RSO2OH + Cl-

Pyrolýza Zpracování kapalných uhlovodíků s vyšším bodem varu (do C16) za teplot 400 - 600oC (termolýza). Vzniklé produkty využity jako paliva do motorů. Krakování Radikálové tepelné – obtížné ovlivnění výsledných produktů. Fluidní katalytické krakování – probíhá iontově, vhodným katalyzátorem ovlivněna tvorba výsledného produktu. Fluidní katalytické krakování – štěpení uhlovodíkového řetězce na kratší, jako katalyzátory využity amorfní a krystalické(zeolity) hlinitokřemičitany. Probíhá za tlaku 0,3MPa. Izomerace (reformování) – uhlovodíky vzniklé krakováním za přítomnosti specifických katalyzátorů do teplot 300oC přechází na rozvětvené. Obě metody vedou ke zvýšení oktanového nebo cetanového čísla paliva.

Dehydrogenace Vazebná energie C – C je 245 mol*kJ-1, vazby C – H je 365 mol*kJ-1, proto přednostně štěpen uhlovodíkový řetězec – probíhá za teplot od 400oC, nutné katalyzátory a inertní látky. Dehydrogenace ethanu – bez katalyzátoru, teplota okolo 900oC – výroba ethenu. Ostatní necyklické alkany – Cr2O3 na nosiči Al2O3 za přítomnosti K2O, CeO2, Tio2, SiO2, teploty nad 400oC – výroba propenu, but – 1,3-dienu. Na internetových portálech se bohužel neustále opakuje chyba v označení použitých katalyzátorů při dehydrogenaci. Obvykle jsou uvedeny katalyzátory, které se používají při hydrogenaci. -2H2 Cyklické alkany – hydroformování – tlak až 2MPa, katalyzátory Al2O3, MoO2 – přeměna na aromatické s vyšším oktanovým číslem. Probíhá v atmosféře H2.

Methan Hlavní složka zemního plynu, bioplynu (rozklad organických zbytků – čističky, spalovny), bahenního plynu (rozklad celulosy) a důlního plynu. V rozmezí 4,4 – 15 objemových procent tvoří se vzduchem výbušnou směs. Skleníkový plyn - 20x účinnější než CO2 – nebezpečí při rozmrznutí permafrostu a pevného hydrátu na dně moří. Výchozí surovina pro výrobu halogenovaných derivátů, sazí, syntézního plynu, vodíku, acetylenu, kyanovodíku. Část produkce zemědělských plodin je využívána v bioplynových spalovnách jako alternativní zdroj tepla. Výroba a laboratorní příprava se vzhledem k dostupnosti nevyužívá, ale pro jistotu C + 2 S → CS2, následně reakcí se sulfanem a Cu vzniká methan CS2 + 2 H2S + 8 Cu → CH4 + 4 Cu2S. Nebo reakce karbidu hliníku s vodou Al4C3 + 12 H2O → 3 CH4 + 4 Al(OH)3. Laboratorně se dá připravit žíháním směsi octanu sodného s hydroxidem sodným (natronovým vápnem) CH3COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3.

Methan CH4 CH3I +HI CO + 3H2 CH3Cl + HCl CO2 + 4H2 CCl4 +2H2 Některé rovnice je samozřejmě nutné upravit. 2HCN + 6H2O Oxoderiváty podle podmínek H2CO, H3COH, HCOOH

Ethan Součást zemního plynu (1 – 6%), rozpuštěn v ropě. Výroba katalytickou hydrogenací etylenu nebo acetylenu. freony 4 C + 6 H2O C2H5Cl + HCl CH3 – CH3 4 CO2 + 6 H2O CH2═CHCl + 3 HCl Výroba a laboratorní příprava se vzhledem k dostupnosti nevyužívá, ale pro jistotu Wurtzova syntéza 2 CH3I + Zn → CH3CH3 + ZnI2. Kolbeho syntéza – elektrochemická oxidace roztoku octanu sodného nebo draselného na anodě CH3COO− → CH3· + CO2 + e−; následně 2 CH3· → CH3CH3. 2CH3COOH + 2H2O 2 C2H5OH

Ostatní alkany Propan, butan – topné plyny, pyrolýzou (dehydrogenace) výroba propenu a butenů. Pentan, hexan – směs jako rozpouštědlo (petrolether) nepolárních sloučenin. Benzín – uhlovodíky s hustotou 0,650 – 0,780 g.cm-3 2, 2, 4 – trimethylpentan (nesprávně isooktan) – oktanové číslo. Nafta – plynový olej – uhlovodíky s hustotou 0,800 – 0,900 g.cm-3 Hexadekan – cetan – cetanové číslo nafty. Parafíny – pevné uhlovodíky – svíčky, kosmetika, zábaly, vosky na lyže, obuv.

Cykloalkany Cyklohexan – součástí naftenických rop, výroba z benzenu. katalytická dehydrogenace + 3H2 katalytická hydrogenace Katalytickou oxidací vzniká cyklohexanol, jeho následnou oxidací přes cyklohexanon kyselina adipová, její polymerací kaprolaktamy – Silon, Nylon.

Procvičení Kterou z reakcí přiřadíš k mezistupni chlorace methanu? Iniciace

Procvičení Kterou z reakcí přiřadíš k mezistupni chlorace methanu? Propagace

Procvičení Kterou z reakcí přiřadíš k mezistupni chlorace methanu? Terminace

Procvičení Do rovnic doplň počet atomů reagujícího kyslíku. O2 → S nadbytkem kyslíku probíhá dokonalé spalování 2 C2H6 + O2 → 4 CO2 + 6 H2O 10 5 7 3 Při jeho nedostatku probíhá nedokonalé spalování 2 C2H6 + O2 → 4 C + 6 H2O 5 3 2 1

Procvičení Urči přednostně vznikající produkt reakce

Zdroje a použitá literatura 1. PACÁK, Josef. Stručné základy organické chemie. 1. vydání. Praha: SNTL-Nakladatelství technické literatury, 1975. Řada chem. literatury. 2. Červinka, Otakar a kol. Mechanismy organických reakcí: učebnice pro vys. školy chemickotechnologické. 1. vyd. Praha: SNTL, 1976. 483, [1] s. Řada chemické literatury. 3. Halbych, Josef a Klímová, Helena. Didaktika organické chemie: příklady vyučovacích postupů. 1. vyd. Praha: Univerzita Karlova, 1988. 158 s. 4. McMurry, John. Organická chemie. Vyd. 1. V Brně: VUTIUM, 2007. xxv, 1176, 61, 31 s. Překlady vysokoškolských učebnic; sv. 2. ISBN 978-80-214-3291-8. 5. Fotografie a vzorce z vlastní databáze autora. Vytvořeny programy ACD FREE 12, Snagit

Zdroje a použitá literatura 1. Alkany. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-11-27]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Alkany 2. Methan. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-11-27]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Methan 3. Ethan. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-11-27]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Ethan 4. Petroleum.cz/ropa/. Petroleum.cz [online]. [cit. 2013-11-27]. Dostupné z:http://www.petroleum.cz/ 5. Studiumchemie.cz: Portál PřF UK na podporu výuky chemie na ZŠ a SŠ [online]. [cit. 2013-11-27]. Dostupné z: http://www.studiumchemie.cz/