14. Гомологи метану — насичені вуглеводні (§ 17)

• Назад до змісту

14.1. Порівняйте будову та склад двох гомологів метану (на вибір), створивши для них діаграму Венна.

Для порівняння обрано етан ($\mathrm{C_2H_6}$) і пропан ($\mathrm{C_3H_8}$).

14.2. Заповніть вільні клітинки таблиці.

14.3. Запишіть розгорнуті та скорочені структурні формули гомологів метану із числом атомів Карбону в молекулі 8 і 10.

Октан ($\mathrm{C_8H_{18}}$):

• Розгорнута структурна формула:
  $\begin{array}{cccccccc} \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} \\ \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert \\ \mathrm{H-C} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-H} \\ \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert \\ \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} \end{array}$
• Скорочена структурна формула: $\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3}$ (або $\mathrm{CH_3-(CH_2)_6-CH_3}$).

Декан ($\mathrm{C_{10}H_{22}}$):

• Розгорнута структурна формула:
  $\begin{array}{cccccccccc} \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} \\ \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert \\ \mathrm{H-C} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-} & \mathrm{-C-H} \\ \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert & \vert \\ \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} & \mathrm{H} \end{array}$
• Скорочена структурна формула: $\mathrm{CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3}$ (або $\mathrm{CH_3-(CH_2)_8-CH_3}$).

14.4. Як відрізняються масові частки елементів у метані та декані? Відповідь підтвердьте розрахунками.

Обчислимо масові частки елементів у метані ($\mathrm{CH_4}$):
$M_r(\mathrm{CH_4}) = 12 + 4 \cdot 1 = 16$
$w(\mathrm{C}) = \dfrac{12}{16} \cdot 100\% = 75\%$
$w(\mathrm{H}) = \dfrac{4}{16} \cdot 100\% = 25\%$

Обчислимо масові частки елементів у декані ($\mathrm{C_{10}H_{22}}$):
$M_r(\mathrm{C_{10}H_{22}}) = 10 \cdot 12 + 22 \cdot 1 = 142$
$w(\mathrm{C}) = \dfrac{120}{142} \cdot 100\% \approx 84{,}51\%$
$w(\mathrm{H}) = \dfrac{22}{142} \cdot 100\% \approx 15{,}49\%$

Порівняння:
Масова частка Карбону в декані більша, ніж у метані, на $84{,}51\% - 75\% = 9{,}51\%$. Масова частка Гідрогену в декані менша, ніж у метані, на $25\% - 15{,}49\% = 9{,}51\%$.

14.5. Схарактеризуйте фізичні властивості гомологів метану.

1. Запишіть, які гомологи метану за кімнатної температури перебувають в агрегатному стані:
   газоподібному: від $\mathrm{CH_4}$ до $\mathrm{C_4H_{10}}$ (метан, етан, пропан, бутан)
   рідкому: від $\mathrm{C_5H_{12}}$ до $\mathrm{C_{16}H_{34}}$ (від пентану до гексадекану)
   твердому: від $\mathrm{C_{17}H_{36}}$ і вище

2. Як змінюються температури плавлення та кипіння алканів зі збільшенням карбонового ланцюга?
   Зі збільшенням довжини карбонового ланцюга температури плавлення та кипіння алканів закономірно підвищуються.

3. Схарактеризуйте колір і запах гомологів метану:
   Усі гомологи метану є безбарвними речовинами. Газуваті та тверді алкани не мають запаху, а рідкі мають характерний вуглеводневий (бензиновий) запах.

4. Схарактеризуйте відношення гомологів метану до води:
   Алкани є неполярними сполуками, тому вони практично нерозчинні у воді, легші за воду й у разі змішування утворюють верхній шар.

14.6. Горіння. Запишіть рівняння реакцій повного окиснення:

а) метану:
$\mathrm{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}$

б) етану:
$\mathrm{2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O}$

в) пропану:
$\mathrm{C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O}$

14.7. Галогенування. Запишіть рівняння реакцій метану з хлором за різних молярних співвідношень із використанням молекулярних і структурних формул. Підпишіть назви продуктів реакцій.

14.8. Спостерігайте горіння парафіну та дайте відповіді на запитання.

1. Які явища ви спостерігаєте під час горіння парафіну?
   Спостерігається плавлення твердого парафіну біля ґнота, піднімання рідкого парафіну по ґноту та його випаровування. Пара парафіну горить жовтуватим світним полум’ям із виділенням тепла, а стінки піднесеного холодного хімічного стакана запотівають від конденсату води.

2. Запишіть рівняння реакцій, що відбуваються під час горіння парафіну. (Припустіть, що парафін можна описати формулою $\mathrm{C_{26}H_{54}}$.)

Повне згоряння в надлишку кисню:
$\mathrm{2C_{26}H_{54} + 79O_2 \rightarrow 52CO_2 + 54H_2O}$

Неповне згоряння за нестачі кисню (утворення чадного газу та сажі):
$\mathrm{2C_{26}H_{54} + 53O_2 \rightarrow 52CO + 54H_2O}$
$\mathrm{C_{26}H_{54} + 14O_2 \rightarrow 26C + 27H_2O}$

3. У який спосіб доводять наявність Гідрогену у складі парафіну? За потреби запишіть відповідне рівняння реакції.
   Над полум’ям палаючого парафіну тримають холодний сухий стакан або пробірку. На внутрішніх стінках з’являються краплі води, що свідчить про наявність атомів Гідрогену в молекулах речовини:
   $\mathrm{2C_{26}H_{54} + 79O_2 \rightarrow 52CO_2 + 54H_2O}$

4. У який спосіб доводять наявність Карбону у складі парафіну? За потреби запишіть відповідне рівняння реакції.
   Гази, що виділяються під час горіння, пропускають крізь прозору вапняну воду. Розчин каламутніє через утворення нерозчинного кальцій карбонату, що доводить утворення вуглекислого газу, а отже, наявність атомів Карбону в парафіні:
   $\mathrm{CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O}$

14.9. Обчисліть об’єм кисню (н. у.), необхідного для повного згоряння етану масою 12 г.

Відомо:

• $m(\mathrm{C_2H_6}) = 12\text{ г}$
• $V_m = 22{,}4\text{ л/моль}$

Обчислити:

• $V(\mathrm{O_2}) - ?$

Розв’язання:

1. Обчислимо молярну масу та кількість речовини етану:
   $M(\mathrm{C_2H_6}) = 2 \cdot 12 + 6 \cdot 1 = 30\text{ г/моль}$
   $n(\mathrm{C_2H_6}) = \dfrac{m(\mathrm{C_2H_6})}{M(\mathrm{C_2H_6})} = \dfrac{12\text{ г}}{30\text{ г/моль}} = 0{,}4\text{ моль}$

2. Складемо рівняння реакції повного горіння етану:
   $\mathrm{2C_2H_6 + 7O_2 \rightarrow 4CO_2 + 6H_2O}$

3. За хімічним рівнянням співвідношення кількостей речовин становить:
   $\dfrac{n(\mathrm{O_2})}{7} = \dfrac{n(\mathrm{C_2H_6})}{2}$
   $n(\mathrm{O_2}) = \dfrac{7}{2} \cdot n(\mathrm{C_2H_6}) = 3{,}5 \cdot 0{,}4\text{ моль} = 1{,}4\text{ моль}$

4. Обчислимо об’єм кисню за нормальних умов:
   $V(\mathrm{O_2}) = n(\mathrm{O_2}) \cdot V_m = 1{,}4\text{ моль} \cdot 22{,}4\,\dfrac{\text{л}}{\text{моль}} = 31{,}36\text{ л}$

Відповідь: $V(\mathrm{O_2}) = 31{,}36\text{ л}$.

14.10. Обчисліть масу бромометану, що утвориться внаслідок реакції брому масою 20 г із достатньою кількістю метану.

Відомо:

• $m(\mathrm{Br_2}) = 20\text{ г}$

Обчислити:

• $m(\mathrm{CH_3Br}) - ?$

Розв’язання:

1. Обчислимо молярну масу та кількість речовини брому:
   $M(\mathrm{Br_2}) = 2 \cdot 80 = 160\text{ г/моль}$
   $n(\mathrm{Br_2}) = \dfrac{m(\mathrm{Br_2})}{M(\mathrm{Br_2})} = \dfrac{20\text{ г}}{160\text{ г/моль}} = 0{,}125\text{ моль}$

2. Складемо рівняння реакції бромування метану:
   $\mathrm{CH_4 + Br_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Br + HBr}$

3. За рівнянням реакції кількості речовин реагенту та продукту однакові:
   $n(\mathrm{CH_3Br}) = n(\mathrm{Br_2}) = 0{,}125\text{ моль}$

4. Обчислимо молярну масу та масу утвореного бромометану:
   $M(\mathrm{CH_3Br}) = 12 + 3 \cdot 1 + 80 = 95\text{ г/моль}$
   $m(\mathrm{CH_3Br}) = n(\mathrm{CH_3Br}) \cdot M(\mathrm{CH_3Br}) = 0{,}125\text{ моль} \cdot 95\text{ г/моль} = 11{,}875\text{ г}$

Відповідь: $m(\mathrm{CH_3Br}) = 11{,}875\text{ г}$.

14.11. Проаналізуйте приклади застосування алканів. Зробіть підписи до малюнків.

Підпишіть види діяльності на уроці й оцініть за ними свою роботу.

• Теоретичний аналіз складу й будови алканів: 11 балів.
• Складання молекулярних і структурних формул: 12 балів.
• Складання рівнянь реакцій горіння та галогенування: 12 балів.
• Розв’язування розрахункових задач: 11 балів.