Naturalne źródła węglowodorów

Węglowodory to związki chemiczne zbudowane wyłącznie z węgla i wodoru. Wyróżniamy trzy główne naturalne źródła węglowodorów: gaz ziemny, ropę naftową i węgle kopalne.

Gaz ziemny to mieszanina gazowych węglowodorów o niewielkiej liczbie atomów węgla w cząsteczce. Występuje w złożach niezależnych lub towarzyszy złożom ropy naftowej. Ropa naftowa z kolei jest ciekłą jednorodną mieszaniną węglowodorów, które mogą występować w stanie gazowym, ciekłym lub stałym.

Węgle kopalne (antracyt, węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf) to kolejne ważne źródło węglowodorów. Te naturalne skały osadowe powstawały przez miliony lat z obumarłych roślin.

💡 Warto wiedzieć! Związki organiczne dzielimy na węglowodory (np. metan, eten, propyn) i pochodne węglowodorów (np. metanol, kwas etanowy, glukoza).

Szereg homologiczny alkanów

Szereg homologiczny to zbiór związków chemicznych o podobnej budowie i właściwościach, gdzie każdy kolejny związek ma o jeden atom węgla więcej niż poprzedni. Alkany należą do węglowodorów nasyconych, w których występują wyłącznie wiązania pojedyncze między atomami węgla.

Wzór ogólny alkanów to CₙH₂ₙ₊₂, gdzie n to liczba atomów węgla w cząsteczce. Najprostsze alkany to:

• Metan (CH₄) - pierwszy w szeregu
• Etan (C₂H₆) - drugi w szeregu
• Propan (C₃H₈) - trzeci w szeregu
• Butan (C₄H₁₀) - czwarty w szeregu

Za nimi następują: pentan, heksan, heptan, oktan, nonan i dekan. Możesz zapamiętać nazwy alkanów do dekanu, ponieważ występują one w wielu produktach codziennego użytku.

⚡ Uwaga! Alkany od metanu do butanu występują w stanie gazowym w temperaturze pokojowej, a od pentanu do heksadekanu są cieczami. Dłuższe alkany są ciałami stałymi.

Metan i etan - właściwości i spalanie

Metan (CH₄) to pierwszy związek chemiczny w szeregu homologicznym alkanów. Jego właściwości fizyczne to: stan gazowy, brak barwy, mniejsza gęstość od powietrza i nierozpuszczalność w wodzie. Jest bezwonny i mało reaktywny, ale ulega reakcjom spalania.

Etan (C₂H₆) to drugi związek w szeregu alkanów i ma podobne właściwości fizyczne do metanu. Oba gazy są głównym składnikiem gazu ziemnego wykorzystywanego w domach.

Spalanie metanu i etanu może być całkowite lub niecałkowite:

• Spalanie całkowite metanu: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
• Spalanie niecałkowite metanu: 2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O lub CH₄ + O₂ → C + 2H₂O
• Spalanie całkowite etanu: 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O

🔥 Ciekawostka! Niecałkowite spalanie węglowodorów prowadzi do powstawania trującego tlenku węgla(II) lub sadzy (węgla). Dlatego tak ważna jest dobra wentylacja przy używaniu kuchenek gazowych!

Zastosowanie węglowodorów w życiu codziennym

Wszystkie alkany mają wspólne właściwości: gęstość mniejszą od wody, nierozpuszczalność w wodzie oraz palność. Ich stan skupienia zależy od długości łańcucha węglowego - krótsze są gazami, dłuższe cieczami lub ciałami stałymi.

Metan jest głównym składnikiem gazu ziemnego używanego do gotowania i ogrzewania. Propan i butan wypełniają butle turystyczne i są stosowane jako gaz napędowy w dezodorantach czy piankach do golenia.

Benzyna to mieszanina ciekłych węglowodorów zawierających od 5 do 12 atomów węgla w cząsteczce. Jest wykorzystywana jako paliwo samochodowe i lotnicze. Ma charakterystyczne właściwości: jest bezbarwną cieczą o charakterystycznym zapachu, nie miesza się z wodą i ma od niej mniejszą gęstość.

🚨 Pamiętaj! Do gaszenia płonącej benzyny nie używaj wody! Najlepsze są piasek, gęsta piana gaśnicza lub dwutlenek węgla, ponieważ są cięższe od benzyny i odcinają dostęp tlenu.

Szereg homologiczny alkenów i eten

Alkeny to węglowodory nienasycone zawierające jedno wiązanie podwójne między atomami węgla. Ich wzór ogólny to CₙH₂ₙ (gdzie n>1). W szeregu homologicznym alkenów znajdują się: eten, propen, buten, penten itd.

Eten (nazwa zwyczajowa: etylen) to pierwszy związek w szeregu alkenów o wzorze C₂H₄. Jest gazem nierozpuszczalnym w wodzie. Ulega reakcjom:

• Spalania całkowitego: C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O
• Spalania niecałkowitego: C₂H₄ + O₂ → 2C + 2H₂O lub C₂H₄ + 2O₂ → 2CO + 2H₂O
• Przyłączenia: reakcji z cząsteczkami zawierającymi np. H₂, Br₂, Cl₂
• Polimeryzacji: łączenia się cząsteczek etenu w wielkocząsteczkowy produkt - polimer

🌱 Ciekawostka! Eten jest naturalnym hormonem roślinnym przyspieszającym dojrzewanie owoców. Dlatego niedojrzałe banany dojrzeją szybciej, gdy umieścisz je w zamkniętym pojemniku z jabłkiem, które wydziela eten!

Szereg homologiczny alkinów i etyn

Alkiny to węglowodory nienasycone zawierające jedno wiązanie potrójne między atomami węgla. Ich wzór ogólny to CₙH₂ₙ₋₂ (gdzie n>1). W szeregu homologicznym alkinów znajdują się: etyn, propyn, butyn, pentyn itd.

Etyn (nazwa zwyczajowa: acetylen) to pierwszy związek w szeregu alkinów o wzorze C₂H₂. Jego właściwości fizyczne to: stan gazowy, brak barwy, mniejsza gęstość od powietrza i nierozpuszczalność w wodzie.

Etyn można otrzymać w reakcji: CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂. Jest on bardzo reaktywny i ulega reakcjom:

• Spalania: np. niecałkowite 2C₂H₂ + O₂ → 4C + 2H₂O
• Przyłączenia: np. H-C≡C-H + 2Br₂ → H-C(Br₂)-C(Br₂)-H
• Polimeryzacji

🔧 Praktyczne zastosowanie! Etyn używany jest w palnikach acetylenowo-tlenowych, które dają temperaturę płomienia nawet do 3000°C! Dzięki temu można ciąć i spawać metale.

Porównanie właściwości alkanów, alkenów i alkinów

Węglowodory dzielimy na nasycone (alkany) i nienasycone (alkeny i alkiny), które różnią się typem wiązań między atomami węgla:

• Alkany: tylko wiązania pojedyncze, wzór CₙH₂ₙ₊₂
• Alkeny: jedno wiązanie podwójne, wzór CₙH₂ₙ
• Alkiny: jedno wiązanie potrójne, wzór CₙH₂ₙ₋₂

Pierwszymi przedstawicielami tych szeregów są odpowiednio: metan (CH₄), eten (C₂H₄) i etyn (C₂H₂).

Węglowodory nienasycone są bardziej reaktywne od nasyconych. Możesz je łatwo rozpoznać w laboratorium:

• Alkeny i alkiny odbarwiają wodę bromową, alkany nie
• Alkeny i alkiny odbarwiają roztwór manganianu(VII) potasu, alkany nie
• Aktywność chemiczna rośnie w szeregu: alkany < alkeny < alkiny

🧪 Eksperyment! Odbarwianie wody bromowej to prosty test na obecność wiązań wielokrotnych w związku chemicznym. Etyn odbarwia ją szybciej niż eten, a metan wcale!