Näidisküsimused ja alkaanide arutelu
Alkaanid on lihtsad süsivesinikühendid, millel on süsiniku- ja vesinikuaatomite vahel üksiksidemed. Neid tuntakse ka parafiinidena ja neil on küllastunud süsinikahelad. Alkaanide peamine omadus on nende inerts, mistõttu neid kasutatakse sageli kütuste ja määrdeainetena. Selles artiklis käsitleme mitmeid alkaanidega seotud näidisprobleeme ja nende lahendusi.
Sissejuhatus alkaanidesse
Alkaane saab väljendada üldvalemiga \(C_nH_{2n+2}\), kus \(n\) on süsinikuaatomite arv. Lihtsaim alkaan on metaan (\(CH_4\)), millel on üks süsinikuaatom. Sellele järgnevad etaan (\(C_2H_6\)), propaan (\(C_3H_8\)) jne. Alkaanide nimetused järgivad IUPAC-i (Rahvusvaheline Puhta ja Rakenduskeemia Liit) nomenklatuuri, mis kasutab lõppu '-ane'.
Alkaanide füüsikalised omadused
– Füüsikaline olek: mida rohkem on ahelas süsinikuaatomeid, seda kõrgemad on sulamis- ja keemistemperatuurid. Näiteks metaan, etaan ja propaan on toatemperatuuril gaasid, samas kui suuremad alkaanid (nt oktaan) on vedelikud.
– Lahustuvus: Alkaanid ei lahustu vees, kuid lahustuvad teistes mittepolaarsetes lahustites oma hüdrofoobse olemuse tõttu.
– Reaktsioonivõime: Alkaanid on oma tugevate üksiksidemete tõttu suhteliselt vähem reaktiivsed kui teised süsivesinikud.
Alkaanide olulised reaktsioonid
– Põlemine: Alkaanid võivad läbida täieliku põlemise, mille käigus tekivad süsinikdioksiid ja vesi, või mittetäieliku põlemise, mille käigus tekivad süsinikmonooksiid ja vesi.
– Halogeenimine: Alkaanid võivad teatud tingimustel reageerida halogeenidega (nt kloori või broomiga), moodustades alküülhalogeniide.
Vaatame mõningaid näidisküsimusi ja nende arutelusid, et ülaltoodud mõisteid paremini mõista.
Näidisküsimus 1: Alkaanide nimetamine
küsimus
Anna järgmise ühendi IUPAC-nimetus:
1. \(CH_3-CH_2-CH_3 \)
2. \(CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3 \)
3. \( CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3-CH_2-CH_3 \)
Arutelu
1. Ühend valemiga \(CH_3-CH_2-CH_3 \) on propaan. Selle ühendi IUPAC-nimetus on propaan.
2. Ühend valemiga \(CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3 \) on pentaan. Selle ühendi IUPAC-nimetus on pentaan.
3. Ühend valemiga \(CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3-CH_2-CH_3 \) on heptaan. Selle ühendi IUPAC-nimetus on heptaan.
Selgitus
Alkaanide nimetamisel saab järgida kahte peamist reeglit:
1. Määrake pikim süsinikahel peamiseks ahelaks.
2. Nimeta see ahelas olevate süsinikuaatomite arvu järgi (met-, et-, prop-, but- jne), millele järgneb järelliide -ane.
Näidisküsimus 2: Isomeerid
küsimus
Kirjutage ja nimetage butaani (\(C_4H_{10}\)) isomeersed struktuurid.
Arutelu
Butaanil on kaks struktuuriisomeeri:
1. n-butaan:
Struktuur: \(CH_3-CH_2-CH_2-CH_3 \)
IUPAC-nimetus: n-butaan
2. Isobutaan (metüülpropaan):
Struktuur:
""
CH3
|
CH3-C-CH3
|
H
""
IUPAC-nimetus: 2-metüülpropaan
Selgitus
Isomeerid on ühendid, millel on sama molekulaarvalem, kuid erinev struktuur. Butaani (\(C_4H_{10}\)) puhul on meil kaks võimalikku struktuuri:
– n-butaanil on sirge süsinikuahel.
– Isobutaanil on teisel süsinikul haru (metüül).
Näidisküsimus 3: Alkaanide põlemine
küsimus
Kirjutage propaani (\(C_3H_8\)) täieliku ja mittetäieliku põlemise reaktsioonid.
Arutelu
1. Täiuslik põlemine:
Reaktsioon: \( C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O \)
2. Mittetäielik põlemine:
– Tekitab süsinikmonooksiidi:
Reaktsioon: \(C_3H_8 + 3.5O_2 \rightarrow 3CO + 4H_2O \)
– Toodab tahket süsinikku (tahma):
Reaktsioon: \( C_3H_8 + 2O_2 \rightarrow 3C + 4H_2O \)
Selgitus
Täielikul põlemisel reageerivad alkaanid piisava hulga hapnikuga, moodustades süsinikdioksiidi ja vett. Mittetäieliku põlemise korral tekib hapniku puuduse tõttu süsinikmonooksiid või tahke süsinik.
Näidisküsimus 4: Asendusreaktsioonid alkaanides
küsimus
Kirjutage metaani halogeenimise reaktsioonivõrrand klooriga ja nimetage saadud produkt.
Arutelu
Metaani asendamise reaktsioon klooriga:
\[ CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl \] (UV-valguse käes)
Saadud produktid on metüülkloriid (\(CH_3Cl\)) ja vesinikkloriidhape (\(HCl\)).
Selgitus
Halogeenimine on reaktsioon, mille käigus alkaanis asendatakse üks või mitu vesinikuaatomit halogeeni aatomitega. Sellisel juhul reageerib metaan klooriga, kusjuures üks vesinikuaatom asendatakse kloori aatomiga ja katalüsaatorina on vaja UV-valgust.
Näidisküsimus 5: Empiirilised ja molekulaarvalemid
küsimus
Antud alkaaniühendi massikoostis on 82,76% süsinikku ja 17,24% vesinikku. Määrake alkaani empiiriline ja molekulaarvalem, kui selle molaarmass on 58 g/mol.
Arutelu
1. Arvutage iga elemendi moolide arv aatommassi põhjal.
– C: \( \left(\frac{82,76}{12}\right) = 6,896 \)
– H: \( \left(\frac{17,24}{1} \right) = 17,24 \)
2. Normaliseeri võrdlus lihtsustamiseks:
– Absoluutne suhe: \( \left(\frac{6,896}{6,896} \right) = 1 \)
– H/C suhe: \( \left(\frac{17,24}{6,896} \right) = 2,5 \)
3. Muuda suhet: \[ C_{2}\left(\frac{2,5 \cdot (2)}{2}\right)H_{5} = C_{4}H_{10}\]
4. Empiiriline valem on \(C_4H_{10}\) kooskõlas alkaaniga (58 g/mol).
Selgitus
Neid samme järgides saame alkaanide empiirilised ja molekulaarvalemid, mis on normaliseeritud suhtelise aatommassi ja üldise massibilansi alusel.
Järeldus
Alkaanide mõistmine on orgaanilise keemia põhitõdedes oluline. Erinevate näidete ja arutelude abil oleme käsitlenud alkaanide nimetamist, isomeeria, põlemisreaktsioonide ja asenduste mõistmist ning alkaanide empiiriliste ja molekulaarvalemite määramist. Nende mõistete mõistmine aitab teil valmistuda küllastunud süsivesinikega seotud erinevateks rakendusteks ja väljakutseteks igapäevaelus ja tööstuses.
