16. NASYCENÉ UHLOVODÍKY

Jak klasifikujeme nasycené uhlovodíky (alkany) podle chemického složení?

Uhlovodíky, tedy základní chemické sloučeniny, které obsahují pouze atomy uhlíku a vodíku.

Jak klasifikujeme nasycené uhlovodíky podle typu vazeb?

mají vazby nasycené (= v jejich řetězci jsou pouze jednoduché vazby)

Jak klasifikujeme nasycené uhlovodíky podle typu uhlíkového řetězce?

ALIFATICKÉ (ACYKLICKÉ) – mají větvené/nevětvené otevřené řetězce, nejsou aromatické

Jaký je obecný vzorec alkanů?

CₙH₂ₙ₊₂

Názvosloví alkanů

›          kmen názvu odvodíme od nejdelšího uhlíkového řetězce

›          uhlovodíkové zbytky zahrneme v předponě, jejich lokaci upřesníme čísly uhlíků, na kterých se nacházejí

›          u cykloalkanů před kmen přidáme předponu cyklo-

›          podle počtu uhlíků v kmeni:

‐          1 – methan

‐          2 – ethan

‐          3 – propan, cyklopropan

‐          4 – butan, cyklobutan

‐          5 – pentan, cyklopentan

‐          6 – hexan, cyklohexan

‐          7 – heptan, cykloheptan

‐          8 – oktan, cyklooktan

‐          9 – nonan, cyklononan

‐          10 – dekan, cyklodekan

›          typy uhlíků:

primární, sekundární, terciální, kvartérní

Izomerie alkanů

›          KONSTITUČNÍ ŘETĚZOVÁ (funkční) – stejný sumární vzorec, jiný vzorec strukturní (rozdíl v řetězci: rozvětvený/nerozvětvený)

›          KONFORMAČNÍ

‐          volná otáčivost kolem jednoduché vazby

‐          zákrytová/nezákrytová (nezákrytová je stabilnější – čím větší je vzdálenost mezi atomy, tím méně se vzájemně ovlivňují à což je energeticky výhodnější)

‐          vaničková/židličková (židličková je stabilnější) – u cykloalkanů

Jaké jsou fyzikální vlastnosti alkanů?

›          C₁ – C₄ jsou za normálních podmínek plyny

›          C₅ – C₁₇ jsou kapaliny

›          C₁₈ a více jsou pevné látky

›          mají relativně nízké teploty varu a tání (s rostoucím počtem atomů uhlíku v řetězci roste teplota tání a teplota varu, alkany s rozvětvenými řetězci mají nižší teplotu tání a varu než jejich nerozvětvené izomery, což je způsobeno slabšími nevazebnými interakcemi mezi molekulami rozvětvených izomerů)

›          alkany jsou nepolární látky (obsahují kovalentní nepolární vazby C-C a C-H, takže nejsou rozpustné ve vodě, jsou však dobře rozpustné v organických rozpouštědlech – např.: benzenu, acetonu)

›          nižší alkany nemají zápach, vyšší alkany zapáchají

›          mají nižší hustotu než voda

Jaké jsou chemické vlastnosti alkanů

›          alkany jsou sloučeniny stálé, při normální teplotě a tlaku jsou málo reaktivní (díky této vlastnosti se dříve označovali jako parafiny, význam: „málo slučivý“)

›          chem. reakce mohou probíhat na vazbách C-C a C-H, tyto vazby jsou nepolární à při reakcích se štěpí homolyticky (symetricky)

Jak se nazývá reakce charakteristikcká pro alkany?

Substituce radikálová

S jakými typy radikálové substituce se a alkanů setkáváme a stručně charakterizuj ?

halogenace – je příkladem radikálové řetězové reakce

= reakce alkanů s halogeny, jejíž průběh má 3 fáze a vzniká pestrá směs produktů

Jaké jsou fáze halogenace alkanů a jak probíhají ?

1.       INICIACE (vznikají radikály)

‐          dochází k homolytickému štěpení vazby v molekule chloru

‐          k reakci dochází účinkem zvýšené teploty, nebo vlivem UV záření

2.       PROPAGACE (radikály reagují s neutrálními částicemi za vzniku dalšího radikálu a neutrální částice)

‐          je to soustava reakcí – mají řetězový charakter

‐          atom chloru (radikál) napadne molekulu methanu, odtrhne z ní jeden vodíkový atom a sloučí se s ním za vzniku chlorovodíku

‐          zároveň vzniká methylový radikál, který napadne dosud nedisociovanou molekulu chloru a odtrhne z ní jeden atom chloru za vzniku chlormethanu a chlorového radikálu

‐          tento radikál může atakovat další molekulu methanu a celý děj se opakuje

‐          reakce probíhá tak dlouho, dokud z reakční soustavy nevymizí radikály

3.       TERMINACE (zánik radikálů, ukončení halogenace)

‐          reakce je inhibována kyslíkem

‐          inhibitor přidaný do reakční směsi je látka, která reaguje s volnými radikály za vzniku částic, které zabraňují další propagaci

Co se děje během iniciační fáze halogenace?

Vznikají radikály díky homolytickému štěpení vazby.

Jaké další reakce probíhají u alkanů ?

Eliminace = termolýza, dehydrogenace

Co je termolýza a jak probíhá ?

Krakování, štěpení alkanů s dlouhými řetězci na kratší řetězce.

‐          uplatnění při zpracování vyšších alkanů

‐          alkany s dlouhými řetězci se štěpí a vzniká směs nasycených a nenasycených uhlovodíků s kratšími řetězci

‐          využití při zpracování ropy (= krakování) = homolytické štěpení vazeb C-C, prováděné za vysoké teploty (termické krakování) nebo za přítomnosti katalyzátoru (katalytické krakování) a za nepřítomnosti kyslíku

R-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃ à R-CH=CH₂ + CH₃-CH₂-CH₃

Co je dehydrogenace a jak probíhá?

‐          probíhá za přítomnosti katalyzátorů (Ni, Pt), při teplotách 200 až 400 °C, vznikají nenasycené uhlovodíky

‐          ztužování tuků

CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ à CH₂=CH-CH=CH₂ + 2 H₂ (buta-1,3-dien – surovina pro výrobu syntetického kaučuku)

Dokáží alkany hořet, pokud ano tak jak a stručně charakterizuj

›          alkany s menším počtem atomů uhlíku v molekule jsou hořlavé a jejich směs se vzduchem je výbušná

›          exotermická reakce

›          dokonalé spalování: vzniká oxid uhličitý a vody (+ uvolní se energie)

›          nedokonalé spalování: vzniká oxid uhelnatý nebo uhlík (saze) a voda (+ teplo)

Izomerace alkanů - jak se projevuje a za jakých podmínek k ní dochází. Popřípadě kde nachází využití?

›          dochází k přeměně nerozvětvených uhlovodíků na rozvětvené prostřednictvím přesmyků

›          probíhá při teplotách vyšších než 100 °C, v přítomnosti katalyzátorů (AlCl₃)

›          využití: v ropném průmyslu (zvyšování oktanového čísla benzínu, což zvyšuje jeho odolnost proti samozápalu)

Jak se vyrábí alkany?

›          katalytická hydrogenace nenasycených uhlovodíků (adujeme vodík)

›          hydrogenace cykloalkanů s malým počtem uhlíkových atomů v řetězci (tří až pětičlenné cykly se otevírají v důsledku napětí, jehož příčinou jsou deformace vazebných úhlů)

Charakterizuj METHAN (CH₄)

›          – bahenní plyn

‐          bezbarvý plyn bez zápachu, který se vzduchem vytváří výbušnou směs

‐          tvoří podstatnou součást zemního plynu (obsažen je i v ropě)

‐          je součástí důlního a bahenního plynu, plynů sopečných, střevních plynů přežvýkavců (vzniká v průběhu trávení)

‐          je skleníkovým plynem (schopnost pohlcovat infračervené záření)

‐          je produktem lidské činnosti: chemického zpracování černého uhlí a ropy, spalování organických materiálů a jejich skladování, chov hospodářských zvířat

‐          do prostředí se uvolňuje biologickým rozkladem organické hmoty za nepřístupu vzduchu (hnitím) – vzniká bioplyn (methan a oxid uhličitý)

‐          využití: palivo (CNG – stlačený zemní plyn), výroba vodíku, acetylenu a sazí

Charakterizuj ETHAN (C₂H₆)

‐          v zemním plynu a ropě

‐          výchozí látka pro výrobu halogenderivátů a org. rozpouštědel

‐          průmyslově se vyrábí katalytickou hydrogenací ethenu

Charakterizuj PROPAN (C₃H₈) a BUTAN (C₄H₁₀)

‐          v zemním plynu i ropě

‐          dají se lehce zkapalnit, jsou hořlavé a mají velkou výhřevnost

‐          jejich směs se používá jako topný plyn a palivo (LPG – zkapalněný ropný plyn)

‐          z obou plynů se vyrábějí nenasycené uhlovodíky, které jsou základními sloučeninami pro výrobu některých umělých hmot

Charakterizuj ISOOKTAN (2,2,4-trimethylpentan)

‐          Používá se ke stanovení oktanového čísla benzínu

Charakterizuj VYŠŠÍ ALKANY

‐          kapalné alkany – kapalná paliva, pohonné hmoty

‐          pevné alkany – vazelína, mazací oleje, parafiny

Jak klasifikujeme cykloalkany podle chemického složení

›          UHLOVODÍKY (= základní organické sloučeniny, které obsahují pouze atomy uhlíku a vodíku)

Jak klasifikujeme cykloalkany podle typu vazeb

NASYCENÉ (= v jejich řetězci jsou pouze jednoduché vazby)

Jak klasifikujeme cykloalkany podle typu uhlíkového řetězce ?

›          CYKLICKÉ (ALICYKLICKÉ) – mají cyklické řetězce, nejsou aromatické

Jaký je obecný vzorec cykloalkanů?

C_nH_2n

Jak se připravují cykloalkany ?

›          KATALYTICKÁ HYDROGENACE AROMATICKÝCH UHLOVODÍKŮ

‐          benzen + 3 H₂ → cyklohexan

Jaký je významný cykloalkan a charakterizuj ho?

›          CYKLOHEXAN (C₆H₁₂)

‐          bezbarvá kapalina, získává se z ropy

‐          rozpouštědlo, surovina pro výrobu syntetických vláken

Jaké jsou přírodní zdroje uhlovodíků a jejich zpracování ?

›          fosilní zdroje – ropa, zemní plyn, uhlí (neobnovitelné)

›          recentní zdroje – rostlinné plody, dřevo, tuky (obnovitelné)

›          výroba: zpracováním ropy, zemního plynu, černouhelného dehtu

Charakterizuj detailně ropu (barvu, skupenství, hustotu, co to je, složení, naleziště, zpracování, produkty)

›          hnědá až černá olejovitá kapalina s menší hustotou než voda

›          směs kapalných, pevných a plynných uhlovodíků

›          složení: C (84-87 %), H (11-14 %), O – N – S (2-3 %) à závisí na nalezišti

›          naleziště: Severní moře, Mexický záliv, Rusko, Perský záliv, v ČR: jižní Morava

›          zpracování ropy v rafinériích (v ČR např.: Litvínov):

‐          odvodnění a odsolení

‐          rektifikace (frakční destilace) – podle teploty varu

à rafinace – odstraňování nežádoucích složek, které zhoršují stálost produktů

à krakování

à odparafinování olejů (= odstranění pevných uhlovodíků při nízké teplotě v přítomnosti selektivních rozpouštědel)

›          produkty:

‐          plynné uhlovodíky (C₁-C₄) – viz význam alkanů

‐          benzín (C₄-C₁₁) – oktanové číslo = procentuální podíl isooktanu (2,2,4 – trimethylpentan) a n-heptanu – vyjadřuje odolnost vůči samozápalu, zvyšujeme přidáním antidetonačních látek

‐          petrolej (C₁₀-C₁₈) – motorová nafta

‐          plynový olej (C₁₅-C₂₄) – hlavní složka motorové nafty

‐          olejové destiláty – mazací oleje

‐          mazut = destilační zbytek z atmosférické destilace ropy, použití jako topný olej

‐          asfalt – tmavá pevná látka, destilační zbytek z vakuové destilace ropy

Charakterizuje zemní plyn

›          směs plynných uhlovodíků s převládajícím obsahem methanu (60-97 %)

›          výskyt samostatně, nebo doprovází ložiska ropy a uhlí

›          vlastnosti: bezbarvý, nejedovatý, nedýchatelný, hořlavý plyn bez zápachu, je lehčí než vzduch

›          využití: topný plyn, palivo pro pohon motorových vozidel (CNG, LPG), surovina chem. průmyslu

Popiš detailně uhlí (charakter, využití, druhy, výroba, produkty zpracování)

›          směs makromolekulárních látek vzniklých z látek původně tvořících těla odumřelých rostlin a částečně i jiných organismů

›          využití: palivo v tepelných elektrárnách

›          hnědé (obsah C 60-75 %)

›          černé (obsah C 75-90 %) – palivo s velmi vysokou výhřevností, zpracováváme vysokoteplotní karbonizací (= koksování – pyrolýza za teploty 1000 °C, je to tepelný rozklad uhlí bez přístupu vzduchu za tvorby plynů, kapalin a pevných zbytků)

›          produkty karbonizace:

-        koks (pevný uhlíkatý zbytek, surovina pro výrobu železa),

-        surový koksárenský plyn (průmyslové palivo)

-        černouhelný dehet (je vedlejším produktem, hustá, černohnědá, nepříjemně páchnoucí kapalina, je zdrojem aromatických sloučenin, dále ho zpracováváme frakční destilací)

Co je to izomerace u alkanů?

Přeměna nerozvětvených uhlovodíků na rozvětvené během přesmyků.

Jak se vyrábí cykloalkany?

Katalytickou hydrogenací aromatických uhlovodíků.

Jaké jsou vlastnosti zemního plynu?

Bezbarvý, nejedovatý, nedýchatelný, hořlavý, lehčí než vzduch.

Jaké produkty vznikají z karbonizace uhlí?

Koks, surový koksárenský plyn a černouhelný dehet.

Co se děje během procesu dehydrogenace?

Vytvářejí se nenasycené uhlovodíky.

Které alkany jsou navrženy pro použití v topení a jako palivo?

Propan (C₃H₈) a butan (C₄H₁₀).

Co je významné pro výrobní proces v roční průmyslu?

Katalytická hydrogenace nenasycených uhlovodíků.