Tabelul 2.1.b. Formu1e1emo1ecu1are ~i denumiri1e

alcanilor CS-Cll, Czo'

Formula Denumiren moleculara

5 CsH12 Pentan

6 C6H14 Hexan

7 C7H16 Heptan

8 C8H18 Octan

9 C9H20 Nonan

10 C10H22 Decan

11 C11H24 Undecan20 C2oH42 Eicosan

Ha. H:~:H

H

HIH-C-HIH

1. 2.

Fig. 2. 3. Mode1areastructurii metanu1ui:

a. formula Lewis;b. formula de proiectie;c. imagine a mo1ecu1ei:

1. model deschis;2. model compact.

18

2.1. ALCANIDEFINITIE, SERlE OMOLOAGA, DENUMIRE

f

Alcanii sunt hidrocarburi aciclice saturate.Formula generala a alcanilor este CnH2n+2.

In moleculele alcanilor se gasesc numai legaturi simple, de tip 0',

carbon-carbon ~i carbon-hidrogen.Seria omoloaga a alcanilor se obtine pornind de la formula

generala a acestora, CnH2n+2, in care i se atribuie lui n valoriintregi §i succesive (n = 1, 2, 3,.... ).

Primii patru termeni din seria omoloaga a alcanilor au denumirispecifice, uzuale (tabelul 2.1.a), care contin sufixul an.

Formula .

Formula de structura Denu-n molecu- Formula de proiectie plana mirelara

HI

1 CH4 H-C-H CH4 Metan1H

H H

2 C2H6I I

CI-j3-CH3H-C-C-H EtanI IH H

H H HI I I

3 C3Hs H-C-C-C-H CH3-CH2-CH3 PropanI I IH H H

H H H H CH3- CH2- CH2- CH3I I I I

4 C4H1Q H-C-C-C-C-H sau Bl:ItanI I I I

CH3of CH2*2 CH3H H H H

La denumirea compu~i1or organici se aplica regulile stabilite de Uni-unea Internationala de Chimie Pura ~i Aplicata (IUPAC).

Incepand cu cel de-al cincilea termen din seria omoloaga aalcanilor, denumirea se realizeaza prin adaugarea sufixului an, lacuvantul grecesc 'care exprima numarul de atomi de carbon dinmolecula; de exemplu: vezi tabelul 2.1.b.

Fiecare substanta din seria omoloaga a alcanilor difera de cea pre-cedenta sau de urmatoarea printr-o grupare, -CH2-, numita diferentade omologie (ratie de omolog). Primul termen este metanul (vezi fig. 2. 3.).

Exercitiu,. Scrie formulele moleculara ~i de structura plana pe'ntru omologul

superior al pentanului precum ~i numele acestuia. ____ 4

Substantele care au aceea§i formula moleculara, dar diferaprin structura lor (§i drept consecinta §i prin proprieta(ile lor), senumesc izomeri. -

De exemplu, alcanii cu formula moleculara C4H10 suntsubstante izomere:

CH3-CH-CH3. CH3-CH2-CH2-CH3 I

CH3

(catena Iiniara) (catena ramificata)n-butan izobutan (i-butan).

Alcanii cu catene liniare se numesc uzual normal a/cani(n-alcani), iar cei cu catene ramificate izoalcani (i-alcani).

SUbstantele izomere care se deosebesc doar prin modu/ dearanjare a atomilor de carbon in catene (Iiniar sau ramificat) senumesc izomeri de catena.

Cele doua substante care au aceea~i formula molecularaC4H10: n-butan ~i izobutan, sunt izomeri de catena.

In seria alcanilor, odata cu cre~terea numarului de atomi decarbon, cre~te ~i numarul izomerilor de catena care corespundaceleia~i formule moleculare (vezi tabelul 2.2).

Pentru a denumi corect alcanii care au catena ramificata(izoalcani), trebuie sa respecti cateva reguli generale (impuse deIUPAC) ~i sa cuno~ti numele catenelor care constituieramificatiile legate de catena de baza.

Ramificatiile catenei de baza au numele radicalilor hidrocar-. bonati corespunzatori.

in mod formal, prin indepaTtarea unuia sau a ma; muNor atomide hidrogen, H dintr-o hidrocarbura se ob(ine un radical hidro-carbonat, sau pe scuTt: radical de hidrocarbura.

Denumirea radicalilor proveniti de la alcani se face prininlocuirea sufixului an din numele alcanului cu sufixul care cores-punde numarului de atomi de H indepartati de la atomul de C(vezi fig. 2. 4). De exemplu:

• daca s-a indepartat un atom de hidrogen, se inlocuie~tesufixul an din denumirea alcanului cu sufixul if. Ace~ti radicalimonovalenti se mai numesc radicali alchi/;• daca s-au indepartat doi atomi de hidrogen se inlocuie~tesufixul an cu i/iden sau ilen (radicali divalenti alchiliden saualchi/en);• daca s-au lndepartat trei atomi de hidrogen se lnlocuie§tesufixul an cu ilidin sau in (radicali trivalenti alchilidin saualchin).De exemplu, radicalii proveniti de la metan sunt:

ICH4 CH3- ·-CH2- -CH-

metilidU,(metin)

metiliden(metilen)

Tabelul 2.2. Numarul de izomeride catena corespunzatori

alcanilor cu C4 - C7 ~i Cw.

Formula Nr. de

moleculara izomeri decatena

C4H10 2

CSH12 3

C6H14 5C7H16 9ClOH22 75

..../' R-CH2-alch'l

/R-CH

alchilid~R-C.'

(r..········...:::·:::..;.R-C--

alch in

Fig. 2. 4. Ob!inereaformala a radicalilor de la

alcani ~i denumirea lor.

Exercitii~ Denume§te urmatorii radicali:

a) CH3-CH2-

Ib) CH3-CH

IRezolvare:a) etil; b) etiliden; c) propi!.

Denumirea alcanilor cu catena ramificata se facerespectand urmatoarele reguli:

1. Se stabile§te cea mai lunga catena de atomi de carbon. Aceasta seconsidera catena de baza; de exemplu:

CH3- yR=- CH2=:CE{i=- CHi - CH3 ~Cl:b=VH==CH2=CS2:::-=-CRZ:=CH3CH2 CH2I I

CH3 CH3

alegere corectii deoarece catena cea mai alegere incorectii deoarece catena cealungS.are 7 atorni de carbon; mai lungS.are 6 atorni de carbon.

Daca exista doua catene cu acela§i numar de atomi de carbon, seconsidera catena de baza aceea care con1ine cele mai multe ramifica1ii:

alegere corectii deoarece catena cu 6 alegere incorectii deoarece catena cu 6atorni de carbon are trei rarnificatii; atornide carbon are doua rarnificatii.2. Se numeroteaza atomii de carbon din catena de baza, prin cifre

arabe. Aceste cifre reprezinta indicii de pozi1ii ale ramifica1iilor.Numerotarea se face de la 0 extremitate sau alta a catenei, fiindcorecta acea varianta de numaratoare in care suma indicilor depozi1ie a tuturor ramifica1iilor este minima:

~~=t8;:,th~~~:-dH3 ~t1J~CH;~~~~:-dH3CH3 lGH3

alegere corectii deoarece suma indi- alegere incorectii deoarece sumacilor de pozi!ie a ramifica!iilor este: indicilor de pozi!ie a ramifica!iilor2 + 3 +4 = 9; este: 3 + 4 + 5 = 12.3. La numele alcanului corespunzator catenei de baza se adauga

denumirile ramifica1iilor (radicalilor), in ordine alfabetica, indicand:- prin cifre arabe pozi1iile acestora,- prin prefixele: di, tri, tetra, penta,...., multiplicitatea lor pe catena.Prefixele nu modifica ordinea alfabetica a ramifica1iilor:

~~~~;t~~~~:-dH3 ~H;:=~:!~~~:-dH3bH3 1CH3

3-etil- 2,4-dimetilhexan 2,4-dimetil- 3-etilhexandenumire corectii; denumire incorectii.

Exercitii,. 1. Den~me~te urmatorul

izoalcan:Rezolvare:

CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH3

pentan;CH3-CH-CH2-CH3

ICH3

2-metilbutan;

CH3I

CH3-C-CH3I

CH3

Rezolvare:4-etil-2,2, 3-trimetil hexan.

2. Scrie formulele de struc-tura ~i denume~te izomeriialcanului cu formula molecu-lara CSH12. 2,2-dimetilpropan.___ 4Pentru unele hidrocarburi, pe langa denumirile conform IUPAC

se folosesc ~i denumiri uzuale. De exemplu (vezi fig. 2. 5.):• alcanii cu 0 grupa meW la atomul al doilea de carbon se

denumesc folosind prefixul izo adaugat la numele n-alcanuluiizomer, in locullui n: CH3.-CH-CH2-CH3

ICH3

2-metilbutan sau izopentan;• pentru alcanii cu doua grupe meW la al doilea atom de

carbon al catenei de baza se folose~te prefixul neo adaugat lanumele n-alcanului izomer, in locul lui n:

CH3I

CH3-C-CH3I

CH3

2,2-dimetilpropan sau neopentan.Exercitiu

,. Scrie i~omerii alcanului cu 6 atomi de carbon ~i denume~te-iconform IUPAC. Scrie denumirile uzuale izohexan respectivneohexan sub izoalcanii corespunzatori. 4

Pentru cercul de chimie

Atomul de carbon este un element situat in tabelul periodic in grupa14 (IV A) ~i perioada a 2-a. Configuratia lui electronica este prezentatain fig. 2. 6. a. Observi ca are pe ultimul strat 4 e-: doi dintre ei sunt situ-ati in orbitali de tip s ~i au spin opus ~i doi sunt situati in orbitali de tipp ~i au spin paralel. Daca atomul de carbon ar participa la formarea delegaturi chimice numai cu cei doi orbitali de tip p carbo nul ar avea incompu~ii sai valenta 2. In realitate in toti compu~ii sai organici, atomulde, carbon are valenta 4. De ce? Pentru a raspunde la aceasta intrebareaminte~te-ti cii valenta este un numiir fntreg ~i caracterizeazii capaci-tatea de combinare a unui atom cu alt atom.

b. CH3-CH-RI

CH3

Fig. 2. 5. Structura grupelor deatomi carora Ie corespund pre-

fixe folosite in denumireaalcanilor care Ie contin:

a. neo; b. izo.

i:~~ Pentru a forma legiHuri chimice stabile atomul de carbon trece dinE r· . starea fundamentalii in starea de valenta. Aceasta trecere are loc prin

rnt 1 "'" 21. . combinarea orbitalilor de tip s ~ip din stratul 2 al starii fundamentale\ ~i 2p .J ~i formarea unor noi orbitali. Ace~tia au toti aceea~i geometrie ~i1?· -......r energie, care soot complet diferite atat de cele ale orbitalilor s cat ~i de

Ea. I cele ale orbitalilor p.

rl!l. Ul. Ul. Ul. Daca se combina 1 orbital de tip s cu 3 orbitali de tip p se formeaza 4

orbitali cu aceea~i geometrie ~i energie (v. fig. 2. 6.b) ~i care se numesclliL ,, / orbitali sp3. Fiecare dintre ace~ti orbitali sp3 (orientat dupa una dintre152 cele trei axe de coordonate) este ocupat cu cate un electron. Atomul de

carbon aflat in aceastii stare de valenta are geometria tetraedrica (fig. 2.6.c ~i d) ~i formeaza cu hidrogenul un compus cu formula CH4, in carefiecare atom de hidrogen este legat de atomul de carbon printr-o legaturasimpla sigma, cr (v. fig. 2. 6.e).

Fig. 2. 6. Reprezentareaschematica a formariimoleculei de metan

a starea ftmdarnentala a atonn.l1ui de C;b. stareade valenta a atomului de C;c. geometria atomului de carbon instare de valenta;d geometria tetraedriciia atomuluide carbon in starede valenta;e. geometriametanului.

Fig. 2.7. Imagineamoleculei de metan:

a. model deschis;b. model compact.

Fig. 2. 9. Imagineamoleculei pentanului.

Geometria metanului, alcanul cu formula CH4 este reprezen-tata Tnfig. 1. 6. Observi ca este imaginea unui tetraedru regulat.

Un model al metanului, CH4 Tn care sunt indicate unghiuriledintre legaturi, precum ~i lungimea acestora este prezentat Tnfig.2. 7.a, iar modelul compact al moleculei de metan Tnfig. 2. 7.b.

Metanul, CH4, primul termen din seria alcanilor este formatdintr-un singur atom de carbon ~i patru atomi de hidrogen legatiprin legaturi covalente simple, cr.

Valentele atomului de C sunt orientate Tn spatiu dupa varfurileunui tetraedru regulat; unghiul dintre doua valente este de 109028'.

Toti ceilalti alcani contin deasemenea numai legaturile simple,cr, Tntre doi atomi de carbon ~i legaturi simple, cr, Tntre atomii de

ocarbon ~i hidrogen. Lungimea legaturii simple C - C este 1,54 A'iar rotatia In jurul acestei legaturi este posibila; vezi fig. 2. 8:

H2 H2

C1090

28'C"" 1,54A109028' CH2

Fig. 2. 8. Lungimea legaturii cr C-C in alcani.Catenele alcanilor cu mai mult de trei atomi de carbon Tn

molecula, datorita orientarii tetraedrice a valentelor atomilor decarbon, au 0 structura Tnforma de zig - zag (vezi fig. 2. 9.)

PROPRIETATI FIZICE -,Starea de agregare

in conditii standard (25°C ~i 1 atm), primii patru termeni ~ineopentanul sunt gaze. Alcanii, Tncepand cu termenii mijlocii,inclusiv C17 sunt lichizi, iar cei superiori sunt solizi.

Punctele de fierbere §i de topirern figura 2.10. este reprezentata variatia valorilor punctelor de

fierbere ~i a celor de topire ale normal alcanilor Tn functie denumarul de atomi de carbon din molecula (sau de valoarea maseimolare). Observi ca punctele de fierbere ~i de topire cresc 0 datacu cre~terea numarului de atomi de carbon din molecula.

Cre~terea punctelor de topire cu cre~terea numaruluide atomide carbon din molecula este mai putin uniforma decat cre~tereapunctelor de fierbere.

Izoalcanii au puncte de fierbere mai scazute decat normal-alcanii cu acela~i numar de atomi de carbon. In cazul alcanilor cuacela!?i numar de atorni de carbon izomerul cu catena cea mairamificata are punctul de fierbere cel mai scazut; de exemplu: tOe

200

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3p,f, 36,1 °c

ere§te ramifiearea eateneiCH3

ICH3-CH-CH2-CH3 CH3-C-CH3

I p.f, 27,8oc I p.f,9,4°CCH3 CH3

scade punctul de fierbere

Exercitii.,. Alcanii izomeri: n-octanul !?i2,2,3,3-tetrametilbutanul au fiecare un

pJ. caracteristic. 5e dau valorile pJ.: 125,7°C !?i106,3°C. 5e cere:a) scrie formulele de structura ale celor doi izomeri;b) scrie sub fiecare formula valoarea p.f. pe care 0 consideripotrivita;c) argumenteaza raspunsul de la punctul b).

Rezolvare:a), b) CH3-CHz-CHz-CHz-CHz-CHz-CHz-CH3

n - octanul are p.f. 127,7oC;

CH3CH3I I

CH -C-C-CH3 I I 3

CH3CH32,2,3,3-tetrametilbutanul are p.f. 106,30C;

c) izomerul cu catena ramificata are p.f. mai mic decat cel cucatena liniara.

Solubilitate. Densitate

ACTIVITATE EXPERIMENTAL~,Mod de lucru. In trei eprubete pune eate ~3 em3 de vaselina

(amestec de alcani superiori). Toama in fiecare eprubeta cate unul dinurmatoarele lichide: apa, benzina, tetraclorura de carbon. Ce observi?

Observa(ii. Vaselina nu se dizolva in apa ~i plute~te deasupra ei; ease dizolva insa atat in benzinii cat ~i in tetraclorurii de carbon (fig.2. 11).De ce?

Alcanii au molecule nepolare !?ise dizolva Tnsolven1i nepolari(care au molecule nepolare), de exemplu: benzina, tetraclorurade carbon.

Alcanii nu se dizolva Tnapa, care este un solvent polar.Alcanii solizi plutesc pe apa, iar cei Iichizi stau la suprafa1a

apei, deoarece densitatea lor este mai mica decat a apei (vezi fig.2.12).

MirosAlcanii inferiori sunt inodori, iar ceisuperiori au miros carac-

teristic. Pentru a deRista scurgerile de gaz din conducte sau dinbutelii se adauga amestecului gazos format din alcani, compu!?iorganici care con1in Tn molecula sulf. Ace!?tia se numesc mer-captani, au mires neplacut !?i pot fi depista1i u!?or Tn cazul unorfisuri ale recipientelor transportoare.

o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12numar atomi de carbon

Fig. 2. 10. Variatia tempera-turilor de fierbere (-) ~i a celor

de top ire (-) in functie denumiirul de atomi de C din

moleculii.

Fig. 2. 11. Rezultateleactivitiitii experimentale:

a. vaselinii ~i apii;b. vaselinii ~i benzinii;c. vaselinii ~i tetraclorurii de

carbon.

20 0,75d4 0.70

0,65

0,60

0,55

0,50

0,45

0,40

Fig. 2. 12. Variatia densitatiialcanilor in functie de numarulde atomi de carbon de moleculii.

23

~-'§-+C+C-+_~ L20.

2 ~ substitu'ie: Q) C : H• en -+ -r- -+ oxidare

: L dehidrogenare

izomenzare

Fig. 2. 13. Proprietiitilechimice ale alcanilor.

Fig. 2. 14. Modelareareactiei de monoc1orurare

a metanului.

PROPRIETATI CHIMICE,Alcanii se mai numesc ~i parafine. Aceasta denumire (parum

affinis = lipsa de afinitate) exprima nereactivitatea alcanilor latemperaturi scazute.

Alcanii au 0 mare stabildate chimica, deoarece moleculele lorcontin doar legaturi covalente simple: C - C ~i C - H. Pentru caun alcan sa reactioneze este nevoie de conditii energice, care saprovoace ruperea legaturilor G, C - C sau C - H.

Proprietatile chimice ale alcanilor, tipul reactiilor chimice lacare ace~tia participa, pot fi grupate in func1ie de tipul de legaturacare se scindeaza in timpul reac1iei chimice (vezi fig. 2. 13):

- reactii care au loc cu scindarea legaturii C - C, de exemplu:cracarea, izomerizarea ~i arderea;

- reactii care au loc cu scindarea de legaturi C - H, de exemplu:substitutia, dehidrogenarea ~i oxidarea.

REACTIA DE SUBSTITUTIE, ,Reactia caracteristica substantelor organice care contin in

molecula legaturi simple, G este reactia de substitutie.in reactiile de substitutie unul sau mai multi atomi de hidrogen

sunt inlocuiti cu unul sau mai multi atom; sau grupe de atomi:H HI r---.------, I

R-C-H + A"':"'B---. H-C-B + H-AI~~ IH H

Reactia de halogenareIn reactiile de halogenare a alcanilor, atomi de hidrogen din

molecula unui alcan sunt inlocuiti cu atomi de halogen,X2 (X = CI, Sr, I). Din reactie se formeaza deriva(i halogenati:

H HI r------"' hu I

H-C-H + X-X --=-=---. H-C-X + HCII \..-~-------.J IH H

Reactia are loc in conditii diferite, in functie de natura halogenului.Alcanii reactioneaza direct cu clorul §i cu bromulla lumina,

(fotochimic) sau prin incalzire (termic la 300 - 400°C).Reactia de clorurare fotochimica are loc sub actiunea radiatiei, ,- ,

luminoase, hu ~i se formeaza intotdeauna un amestec demono- ~i poli- cloroalcani.

Clorurarea fotochimica a metanului (vezi fig. 2. 14) conduce laformarea unui amestec de deriva1i c1orura1i:

HI (~~----\ hu

H-C-H + CI-CI ~I ~--------)H

HI

H-C-CI +HCIIH

clorometan (clorura de metil)H HI~-\ hu I

CI-C"7""H+ CI-CI ~ CI-C-CI +HCI'I"--~ IH H

diclorometan (clorura de metilen)CI CII (~--- -, h I

CI-C-i- H+ ClrCI --==4 CI-C-CI +HCII "------- .J IH H

triclorometan(clorura de metin, cloroform)

CI CII (-~-._-~-~ I

CI-'-C...l...H+ C,LC1~ CI-C-CI +HCII \_/-~~ ICI CI

tetraclorometan(teraclorura de carbon) ..

Exercitiu~ Scrie ecuatiile reactiilor chi-

mice de monobromurare ~idibromurare a metanului ~idenume~te derivatii bromuratiobtinuti. Construie~te modelulspatial deschis al derivatuluiCH2Br2 (vezi fig. 2.15).

huCH4 + Brz --+ CH3Br + HBr

bromometan

CH4 + 2Brz ~ CHzBrz + 2HBr

Fluorurarea ~i iodurarea alcanilor nu au loc in mod direct, ciprin procedee indirecte.

Monohalogenarea alcanilor cu numar mai mare de doi atomide carbon duce la obtinerea de amestecuri de compu~i mono-halogenati care sunt izomeri de pozitie. De exemplu, la mono-clorurarea fotochimica a propanului, se obtine un amestec deizomeri monoclorurati:

2-cloropropan(clorura de izopropil).

Exercitii,~ 1. Scrie formulele de struc-

tura ale derivatilor dicloruraticare se pot obtine prindiclorurarea propanului.

2. Scrie formulele de structuraale derivatilor monobromuraticare se pot obtine la monobro-murarea 2-metilbutanului.

Fig. 2. 15. Modelul spatialdeschis al moleculei dedibromometan, CH2Br2'

CD. Nenifescu(1902-1970)

U",0- 0uo<i:'";"

oII)

Fig. 2. 16. Modelareareaetiei de izomerizare a

butanului.

Fig. 2. 17. Statie dealimentare eu benzina.

REACTIA DE IZOMERIZARE,Reactiile prin care n-alcanii se transtorma in izoalcani §i

invers, obtintmdu-se un amestec de hidrocarburi izomere, senumesc reactii de izomerizare.,

Reactii1e de izomerizare au loc in prezenta de catalizatori:clorura de aluminiu, AICI3 sau bromura de aluminiu, AIBr3(umede) la temperaturi relativ joase, (50 - 1OOOC)~i silica1i dealuminiu (naturali sau sintetici), numi1i zeoliti, la temperaturi cevamai ridicate (250-3000C).

Reac1ia de izomerizare Alcan !; Izoalcan este reversibila. Incazul izomerizarii butanului reac1ia are loc in ambele sensuri. Lasfar~itul procesului, se obtine un amestec care contine 80%izobutan ~i 20% n-butan:

CH3-CH2-CH2-CH3 4AICI3;50-100° <i CH -CH-CH3 I 2

CH3butan (n-butan) 2-metilpropan (izobutan).

Reactia de izomerizare a butanului a fost studiata de catresavantul roman C.D. Nenitescu ~i poarta numele acestuia, insemn de recunoa~tere a contributiei sale esentiale aduse lastudierea acestui echilibru de reactie.

Dintre aplicatiile practice ale reactiilor de izomerizare, cea maiimportanta este obtinerea benzinelor de calitate superioara, carecontin izoalcani.

Calitatea benzinei se apreciaza prin citra octanica, C.O. (vezifig. 2. 17). Stabilirea C.O. se face cu ajutorul unei scari conventio-nale. C.O. este un parametru prin care se caracterizeaza rezis-ten1a la detonatie a benzinelor. Astfel, izooctanul, 2,2,4-trimetilpen-tan, deosebit de rezistent la detonare, are cifra octanicaC.O. = 100, in timp ce n-heptanul, puternic detonant, are C.O. = O.

C. O. reprezinta procentul masic de izooctan dintr-un amesteccu n-heptan, care are aceea§i rezistenta la detonatie ca benzinaexaminata.

REACTIA DE DESCOMPUNERE TERMICA,Descotnpunerea termica a alcanilor se produce numai la tem-

peraturi relativ mari. Se formeaza un amestec de alcani ~i alchenecare contin in molecule un numar mai mic de atomi de carbon.

Descompunerea termica a alcanilor la temperaturi de pana la650°C este numita conventional era care (din Iimba engleza: tocrack = a sparge); are loc ruperea de legaturi C - C ~i formareaunui amestec de alcani ~i alchene inferioare.

Descompunerea termica a alcanilor la peste 650°C, senume~te piroliza (din limba greaca, piros = foc, lisis = scindare);au loc reactii de dehidrogenare (pe langa reac1iile de cracare).

Moleculele alcanilor se descompun tfJrmic la temperaturi cuatat mai joase, cu cat dimensiunile lor sunt mai mari:

- metanul este stabil pana la - 900°C; .

- alcanii superiori se descompun la temperaturi mai scazute(400 - 600°C); au loc atat reactii de cracare, cat ~i reactii dedehidrogenare.

ACTIVITATE EXPERIMENTAL.\.

Mod de Iucru. Intr-o eprubetii mare (1) confectionatii din sticliirezistentii termic, introdu cateva buditele de parafinii (0 sursii de pa-rafinii poate fi 0 lumanarea de la care ai indepiirtat fitilul). Construie~temontajul experimental din fig. 2.18. In vasul (2) toamii solutie de bromin CC14. Inciilze~te eprubeta (1). Noteazii observatiile in caiet.

Observa{ii. In urma inciilzirii eprubetei (1) se observii cii in vasul (2)barboteazii un gaz care decoloreazii solutie de brom in CC14. De ce ?

La descompunerea termica a n-butanului la 600°C au locurmatoarele reactii chimice:

- reactii de cracare:

Fig. 2. 18. Descoinpunerea ter-micii a alcanilor (alchenele

rezultate decoloreazii solutia debrom in CC14).

•. <CH3-CH2-CH2-CH3• CH4 + CH2=CH-CH3

CH3-CH2-CH2-CH3 ~--__ metan propenii

n-butan CH3-CH2-CH2-CH3 ---. CH3-CH3 + CH2=CH2etan etenii- reactii de dehidrogenare:

CH2-CH-CH2-CH3 --. CH2=CH-CH2-CH3 + H2< r:'- _-I.,CH3-CH2-CH2-CH3 '"Ii-=-~ 1-butenii

n-butan CH3-CH-CH -CH3 • CH3 - CH=CH-CH3 + H2(··I-__~ .1-

1It! __~ljj 2-butenii

Exercitiu~ Scrie ~cuatiile reactiilor chimice care au loc la descompunerea

termica a propanului.

La temperaturi mai mari de 12000C are loc reactia de pirolizaa metanului (vezi fig. 2. 19):

2CH4 t> 1200oC. HC:::CH + 3H2

Echilibrul se stabile~te Tntr-o stare favorabila formariiacetilenei la temperaturi de peste 1200oC, cand Tnsa acetilenaeste instabila. Pentru a Tmpiedica descompunerea acetilenei for-mate, temperatura trebuie scazuta rapid sub 100°C.

Ca produs secundar la piroliza metanului se obtine carbonelemental, sub forma de praf foarte fin, numit negru de rum.

negrude fum

H H--J. .1'"

H-C+H +'H+C-H+! !_+-H ~ H

I~i -C-H +6H-~ I

H-C=C-H +3H2

IH-C-I

Fig. 2.19.Reprezentarea formalii a

pirolizei metanului.

c.Fig. 2. 20. Vnii alcani suntfolositi drept combustibili:

a. aragaz; b. automobil;c. avion.

LemnCarbunebrun

Antraeit

CoesGaz natural

Fig. 2. 21. Puterea caloridi acatorva combustibili.

REACTIA DE OXIDARE,Oxidarea compu~i1or organici poate fi, Tnfunctie de produ~ii de

oxidare care rezulta din reactie:- oxidare completa, numita de obicei ardere. Indiferent de natura

compu~ilor organici, din reactie rezulta CO2 ~i H20 ~i se degaja 0

mare cantitate de energie, sub forma de caldura ~i lumina;- oxidare incompleta sau partiala, numita de obicei oxidare;

din reactie rezulta compu~i organici cu grupe functionale carecontin oxigen. Tn functie de agentii de oxidare folositi ~i deconditiile de reactie, oxidarea poate fi: blanda sau energica.

Arderea este un proces de transformare oxidativa caracteristictuturor sUbstantelor chimice.

Arderea substantelor organice este insotita de degajarea uneicantitati mari de energie: caldura §i lumina.

Prin ardere in oxigen sau aer, orice alcan se transforma inCO2 §i H2O.

Ecuatia generala a reactiei de ardere a alcanilor este:

3n+1CnH2n+2 + -2-02 ~ nC02 + (n + 1)H20 + Q

Tncare Q este cantitatea de caldura degajata din reactie.Degajarea mare de caldura la arderea Tn aer a alcanilor a

determinat utilizarea acestora drept combustibili (vezi fig. 2. 20).De exemplu: gazul metan, aragazul (amestec de propan ~ibutan), butanul sunt folosite pentru Tncalzirea locuintelor, gazulnatural ~iaragazul pentru pregatirea hranei, iar benzinele pentrupunerea in mi~care a vehiculelor echipate cu motoare cu com-bustie interna. Lampile cu gaz lampant au inlocuit flacarilelumanarilor ~i opaitelor f%site la iluminatul incaperilor, Tnainte de .descoperirea curentului electric. Gazul metan a fost folosit lainceputul secolului trecut pentru i1uminatul public. Bucure~tiul afost printre primele ora~e din lume ale caror strazi au fost ilumi-nate de felinare stradale cu gaz.

Caldura de ardere, Q reprezinta caldura degajata la ardereaunui mol de substanta ~i se masoara Tn kJ sau kcal.

Puterea calorica a combustibililor este diferita (vezi fig. 2. 21).Puterea calorica a unui combustibil este cantitatea de caldura

degajata la arderea completa a unei mase de 1kg de combustibilsolid sau lichid, sau a unui volum de 1m3 de combustibil gazos.

Exercitiu,

" 1. Scrie ecuatia reactiei chimice de ardere a metanului. $tiindca la arderea unui mol de CH4 se degaja 212 kcal, calculeazaputerea calorica a metanului.

Rezolvare:CH4 + 202 ----. CO2 + 2H20 + Q

Puterea calorica a metanului reprezinta cantitatea de caldura

degajata la arderea unui volum de 1 m3 (c.n.) de metan.

1 m3 = 1000 L 1 mol CH4 212 kcal

n = nr. de moli 44,64 moli x kcal1000n = -- = 44,64 moli CH4. x = 44,64'212 = 9463,68 kcal.22,4

Q = 9463,68 kcal / m3.

2. Scrie ecuatia reactiei chimice de ardere a butanului.Calculeaza puterea calorica a butanului ~tiind ca la ardereaunui mol de butan se degaja 2877 kJ. 4De regula, arderea nu se produce Tnmod spontan; combustibilul

trebuie mai TntaiTncalzit (de exemplu se aprinde cu f1acara unui chi-brit sau cu 0 scanteie electrica).

Oxidarea incompleta (Oxidare) -In c1asa a IX-a ai Tnvatat ca Tnreactiile de oxido-reducere arelac modificarea numarului de oxidare, N.O. al unor elemente dincompu~ii care reactioneaza: Tn reactiile de oxidare N.O. al ele-mentului chimic cre~te iar Tn reactiile de reducere N.O scade.Acela~i lucru se Tntampla ~i Tn reactiile de oxidare ~i de reducerela care participa compu~i organici.

In chimia organica se folose~te, Tn plus, ca un criteriu practicde sistematizare a reactiilor de oxido-reducere, variatia continu-tului de oxigen sau de hidrogen al compu~ilor organici, Tn urmareactiei chimice.

Reactii1e de oxidare cuprind reactiile care conduc: la cre~tereacontinutului de oxigen al unei molecule, la cre~terea numaruluide legaturi chimice prin care oxigenul se leaga de carbon, sau lascaderea continutului de hidrogen al moleculei.

Dupa acest criteriu, compu~ii organici se aranjeaza Tnordinea:

cre~te gradul de oxidare al compusului organic

cre~te numarul de oxidare al atomului de carbon

Alcanii sunt stabili la actiunea agentilor oxidanti. In prezentaunor catalizatori, alcanii superiori (parafina) se oxideaza (cu saufara ruperea moleculei) formandu-se acizi carboxilici superiori(cu numar mare de atomi de carbon, acizi gra~i) folositi la fabri-carea sapunurilor; de exemplu:

R+CH2inCH3 ----. R+CH2inCOOH

He reamintim!1cal = 4,18J

< acizi carboxilici•

Fig. 2. 22. Metanul este uncomponent major al atmosferei

planetelor Jupiter, Saturn,Uranus ~i Neptun. A fostdetectat chiar ~i in spatiul

interstelar.

/,T.-Fig. 2. 23. Bec de gaz cureglarea admisie( de aer.

Fig. 2. 24. Ardere incompletaa metanului.

Metanul, CH4, denumit de Volta (1770), descoperitorul sau,gaz de balta, se formeaza Tn natura prin actiunea anaeroba aunor bacterii asupra resturilor animale ~i vegetale de pe fundullacurilor. Acest proces natural de putrezire este folosit astazi, Tnconditii controlate, pentru a descompune Tn prod use netoxicede~eurile organice din apele reziduale ale marilor ora~e.

Metanul este componentul principal din gaze/e natura/e. Taranoastra are zacaminte de gaz metan cu puritate ridicata(98-99%). Astfel, zacamantul de la Sarma~el contine gaz metanTn proportie de 99,18%.

Metanul este component al gaze/or de sanda alaturi de etan,propan, n-butan ~i izo-butan, precum ~i al gazului de cocserie(25%). Metan exista ~i Tnminele de carbuni; Tnconcentratie marepoate forma cu aerul amestecul exploziv denumit gaz grizu.

Metanul este folosit In cantitati mari drept combustibil gazoscu mare putere calorica (vezi reactia de ardere).

Din metan In urma unor reactii chimice se pot obtine alte sub-stante cu importanta practica. Reactiile de oxidare blanda ametanului, In conditii diferite de lucru, constituie 0 directie dechimizare a metanului (vezi fig. 2. 25).

ACTnnTATEEXPE~NTALAMod de lucru: Aprinde un bec de gaz (vezi fig. 2. 23) ~i regleaza

admisia aerului astfel incat flacara sa fie colorata in galben, ceea cedemonstreaza 0 ardere incompleta a gazului metan. eu ajutorul unuicle~te de metal tine deasupra flacarii 0 placa alba de faianta. Repeta expe-rienta, dar in loc de placa tine deasupra flacarii un pahar cu gura in jos.Noteaza observatiile in caiet.

Observafii: Placa de faianta se acopera de un strat subtire de carbune (vezifig. 2. 24). Pe peretele ~ipe fundul paharului apar picaturi de apa. De ce?

D Prin arderea metanului in aer, in atmosfera saraca in oxigen,se formeaza carbon fin divizat (vezi fig. 2. 24) numit negru de fum~i apa: CH4 + O2 ----+ C + 2H20

negru de fumNegrul de fum este folosit la fabricarea vopselelor ~i a

anvelopelor de automobile.

D Prin arderea incompleta a metanului se obtine gazul de sin-teza (un amestec de monoxid de carbon ~i hidrogen, In raportmolar de 1 : 2):

1CH4 + '202----+ CO + 2H2

gaz de sintezaGazul de sinteza este folosit In sinteza alcanilor superiori ~i a

metanolului (alcool metilic). Hidrogenul obtinut poate fi folosit Insinteza amoniacului ~i pentru alte scopuri.

D Metanul trecut impreuna cu vapori de apa peste un catali-zator de nichel la circa 800°C sufera 0 reactie de oxidare incom-pleta formand un amesctec de monoxid de carbon ~i hidrogen:

CH4+ H20 Ni • CO+ 3H800 DC 2

gaz de apa

D Prin Inca/zirea la 4000C sub 0 presiune de 60 atm aamestecului de metan ~i oxigen se obtine metanolul (alcoolulmetilic):

metanal (alcaal metilic)

D Prin Incalzirea la 400-6000C, dar In prezenta catalizatoriloroxizi de azot, metanul se oxideaza la metanal (aldehida formica):

CH4 + O2 oxizi de azot. CH20 + H20400-600DC

metanal (aldehida farmica)

D Metanul se folose~te la fabricarea acidului cianhidric, HCN,utilizat In special In industria polimerilor (pentru obtinerea fibrelorsintetice). Reactia de oxidare a metanului In prezenta deamoniac, se nume~te reactie de amonoxidare (are loc la tem-peraturi ridicate, 1OOODC~i este catalizata de platina, Pt):

CH4+NH3 + 23O2 PI • HCN + 3H201000DC

ACTIUNEAALCAN~ORASUPRA,MEDIULUI $1ASUPRA OAMENILOR

Alcanii sunt compu~i organici nepolari ~i sunt practic insolubiliIn apa, dar sunt buni solventi pentru alte substante organice cumolecule nepolare. Cunoa~terea acestor proprietati face posibila,atat utilizarea alcanilor ca materii prime sau auxiliare In fabri- -carea unor produse utile, cat ~i evaluarea ~i reducerea riscurilorIn cazul dezastrelor ecologice.

Alcanii superiori In stare solida, vaselina sau parafina, care auun grad mare de puritate, se 'folosesc ca substante auxiliare lafabricarea unor prod use farmaceutice sau cosmetice comercia-Iizate sub forma de crema, Vaselina are efect emolient ~i ajuta la a.mentinerea ur:niditatii pielii (vezi fig. 2. 26.a).

Benzina este un bun solvent pentru grasimi. In contact directcu pie lea sau prin inhalarea vaporilor, benzina dizolva grasimilede la nivelul membranelor celulelor determinand efecte fiziolo-gice grave: iritatii, inflamatii sau chiar arsuri chimice. Din' acestmotiv se recomanda folosirea manu~ilor de cauciuc chiar ~i Incazul alimentarii autovehiculelor cu benzina; acest fapt I-ati pututobserva In statiile de benzina care pun la dispozitia clientilor b.manu~i de cauciuc de unica folosinta (vezi fig. 2. 26.b).

Este interzis sa se curete vopseaua de pe maini direct cu ben-zina. In acest scop se folosesc diluantii speciali care nuafecteaza membrana celulelor. Atunci cand materiale textileImbibate cu benzina sunt folosite la curatarea vopselei de pesuprafete1e murdare se recomanda purtarea manu~ilor de cauciuc.

r+ Gaz de sinteza-0- X --+ Metanal

I- D --+ Metanal

A~. R --+ Acid cianhidric-E

4Gazde aQa

•••Acetilena

Fig. 2. 25. Chimizareametanului.

Fig. 2. 26.a. Creme care cantin vaselina;

b. Manu~i de cauciuc.

b.Fig. 2. 27. Deversarea de petrol

in ocean:a. strat de petrol pe suprafata

apei;b. animal afectat de accident.

Activitate de tip proiect:intocme~te, impreuna cu 2-3

colegi, un referat cu tema:"Direc(ii de valorificare ametanului: de la combustibil laprodwji de chimizare".

Pentru documentare:- http://www.enerece.go.ro/

biogai.html- http://www.ch4.com.au/- http://~.ch4.org.uk/

Deversarile de petrol sau de benzina Tn /apele marilor,oceanelor ~i Tn cele curgatoare provoaca dezastre ecologice(vezi fig. 2. 27). Petrolul ~i benzinele plutesc la suprafata apei ~iTmpiedica schimbul de oxigen Tntre apa ~i aer ceea ce duce lamoartea faunei ~i a vegetatiei subacvatice. La fel de daunatoaresunt deversarile la suprafata solului, deoarece patrunderea lor Tnpamant Tmpiedica circulatia normala a aerului ~i a apei ~i distrugestructura chimica ~i fizica a acestuia afectand dramatic echilibrulecosistemelor.

Aplicatii practiceMetanul are numeroase aplicatii practice (vezi fig. 2. 28). ,

AcetilenaSolven\i

Acid Agenti·cianhidric frigorfficiDeriva\i

Metanol halogena\i "'-.. Narcotice

Hidrogen Amoniac

(J Hidrocarburile sunt compu~i ai carbonului cu hidrogenul;ele pot fi: saturate, nesaturate ~i aromatice.

(J Alcanii sunt hidrocarburi saturate cu formula molecularagenerala CnH2n+2.

(J Primii patru termeni din seria omoloaga a alcanilor au de-numiri specifice; incepand cu cel de al cincilea termen denumirease face prin adaugarea sufixului an la cuvantul grecesc cores-punzator numarului de atomi de carbon din molecula.

(J Molecula metanului are geometrie de tetraedru regulat, iarcatenele alcanilor au 0 structura in forma de zig-zag.

In functie de masa lor molara alcanii pot fi gazo~i, lichizi sau solizi.(J Alcanii nu sunt !olubili in apa, dar sunt solubili Tn solventi

nepolari.(J Alcanii dau reactii chimice numai in conditii energice cand

au loc: rupere de leg~turi C-C (reactiile de cracare, izomerizare,ardere) ~i rupere de legaturi C-H (reactiile de substitutie, dehidro-genare ~i oxidare).

EXERCITII $1 PROBLEME1. Scrie formulele de structura ale urmatorilorizoalcani:

a) 2,2-dimetilbutan;b) 3-etil-2-metilpentan;c) 2,2,3-trimetilhexan.

2. Scrie formulele de structura §i aranjeaza Tnordinea cre§terii punctului de fierbere urmatoriialcani §i izoalcani: etan, izobutan, butan §imetan.

3. a) Denume§te conform IUPACizoalcani:A: CH3-CH2-CH -CH2-CH3 '

ICH2 .I

CH3

B: CH3-CH-CH2-CH3.I

CH3

CH3I

CH3-CH-C-CH3 D:I I 'CH3 CH3

b) Precizeaza care dintre izoalcanii denu-mi'i la punctul a) sunt omologi §i care suntizomeri.4. 2.2 9 substan,a organica necunoscuta. X, cumasa molara 44 formeaza prin ardere (analizaelementala) 6,6 9 CO2 §i 3.6 9 H20. Se cere:

a) determina formulele procentuala, bruta§i moleculara ale substan,ei X;

b) scrie formula de structura a substan,ei X;c) scrie ecua'ia reac'iei chimice de ardere a

substantei X.5. Un a'ican gazos este supus combustiei.Determina formula moleculara a alcanului

- gazos §tiind ca- prin co·mbustia a 1,45 9 dinalcanul necunoscut s-au degajat 2.24 L CO2(masurat In condi'ii normale).6. Stabile§te formulele moleculare §i denu-me§te alcanii care con'in Intr-o molecula:

a) 8 atomi de hidrogen;b) 14 atomi (carbon §i hidrogen);c) 5 legaturi C- C.

7. Scrie formulele de structura §i denume§te:a) un izomer al hexanului care con'ine un

atom de carbon cuaternar;b) un izomer al pentanului care con'ine un

atom de carbon tertiar;c) un izomer ai pentanului care la mono-

clorurare fotochimica formeaza un singurcompus.8. Se ard 44.8 cm3 C2H6. Calculeaza:

a) volumul de aer (cu 20% 02 In volume),masurat In conditii norma Ie. cosumat;

b) numarul d~ moli de CO2 degajat;c) masa de apa ob'inuta In urma reac'iei de

ardere.9. Se considera schema de reactii :

C3Ha ~ A (alcan) + B (alchena)+2C~/hu C + HCI

A~D+E+Q

Se cere:a) scrie §i egaleaza ecuatiile reac'iilor chimi-

ce din schema. identifica §i denume§te substan-tele necunoscute: A - E;, b) scrie ecuatia reac'iei chimice de cracarea unui alcan din care sa se ob'ina propan;

c) calculeaza compozitia procentuala a pro-panului.

10*. Prin clorurarea fotochimica a metanuluis-au obtinut patru compu§i organici: A, B. C. D.$tiind ~a cei patru compu§i au un con,!nutcrescator de clor: A<B<C<D §i ca ei s-au ob'lnutIn raport molar: 1:2:2: 1, se cere:

a) scrie ecua'iile reac'iilor chimice de obtinerea celor patru compu§i organici: A, B. C. D dinmetan;

b) calculeaza volumul de metan introdus. ma-surat In conditii normale, daca din proces seobtin 30 mmoli HCI.11*. Metanalul (aldehida formica) se poateobtine prin oxidarea m.etanl,Jlui In .prezen1aoXi~i1orde azot. _Solutiade aldehida formica deconcentratie 40°10" S8 nume§te formol §i sefolose§te I~conservarea preparatelor anatomice.se cere:

a) scrie ecuatia reactiei chimice de obtinerea aldehidei formice din metan;

b) calculeaza masa de formal ob'inuta. dacas-au supus oxidarij 89,6 L CH4• masurat Inconditii norma Ie iar oxidarea are loc cu un ran-dament de 80%.

12*. Una din caile de chimizare a metanului estereactia de amonoxidare.

a') Calculeaza volumul de metan de puritate98% necesar pentru ob'inerea a 4 moli de acidcianhidric, HCN, daca reactia a avut loc cu unrandament de 90%; .

b) Ce cantitate de metan pur s-ar putea ardefolsind acela§i volum de oxigen ca In reactia deamonoxidare?13. Se supun arderii 416 9 amestec de metan,etan §i propan. In care cei trei alcani se gasescIn raport molar 1:2:3. Calculeaza:

a) volumul de aer necesar arderii amestecu-lui;

b) compozitia In procente masice a ameste-cului de alcani.14. Prin c10rurareafotochimica a metanului se ob-tine un compus care con'ine 83,53% CI. Se cere:

a) determina formula moleculara a compusu-lui c10rurat ob'inut §i scrie ecuatia reactiei chi-mice corespunzatoare;

b) calculeaza volumul de clor (c.n.) consumatla clorurarea a 2 moli de metan.

I. Scrie cuvantul / cuvintele dintre parantezecare completeaza corect fiecare dintre afir-matiile date:1. Alcanii au formula generala .

(CnHn+2 / CnH2n+2)

2. Alcanul cu formula moleculara CSH12 are. . (3 / 5)........... Izomen.

3. Omologul superior al etanului este .(propanul / pentanul)

4. Butanul contine Tnmolecula sa. atomi.(4/14)

1 punetII. Incercuie!?te afirmatia corecta.a) Propanul participa la reactia deizomerizare.b) Prin cracarea butanului se poate obtinepropan.e) La 25°C neopentanul se afla Tn staregazoasa.d) La arderea unui mol de propan se degaja 5moli CO2,

1 punetIII. a) Scrie ecuatia reactiei chimice de arderea metanului. 1 punetb) Calculeaza caldura care se degaja la arde-rea a 3 moli de metan !?tiind ca putereacalorica a metanului este 9463,68 kcal / m3.

1 punetIV. Un alcan necunoscut, A, contine Tn pro-cente masice 16,28% H. Se cere:a) determina formula moleculara a alcanului;

1 punetb) scrie formulele de structura !?i denume!?teizomerii alcanului A. 2 punete

V. Triclorometanul, cloroformul, este unanestezic foarte puternic !?i totodata un bunsolvent folsit Tnsinteze organice.a) Scrie ecuatia reactiei chimice de obtinere acloroformului din metan. 1 punetb) Calculeaza volumul de c10r masurat la27°C !?i 1 atm. necesar c10rurarii a 3 moli demetan cu obtinere de cloroform. 1 punet

Timp de lucru: 50 minute.1 punet din oficiu.

I. Scrie cuvantul / cuvintele dintre parantezecare completeaza corect fiecare dintre afirma-tiile date:1. Prin chimizarea metanului cu vapori de apape catalizator de nichel se obtine .

(gazul de sinteza / negru de fum)2. Prin cracarea nu se obtine etan.

(propanului / butanului)3 are densitatea fata de azot egalacu 1,07. (Metanul/ Etanul)4. Izopentanul contine atomi de carboni pri-mari. (2 / 3) 1 punet

II. Incercuie!?te afirmatia incorecta.a) Hexanul prezinta 5 izomeri.b) Izomerizarea alcanilor este 0 reactiereversibila.e) Prin oxidarea metanului la 400°C !?i60 atm seobtine CO !?iH2.

d) Omologul metanului este etanul.1 punet

III. Negrul de fum se obtine printr-o oxidareincompleta a metanului !?ieste 0 materie primaimportanta Tn industria vopselelor negre !?i aanvelopelor de cauciuc.a) Scrie ecuatia reactiei chimice de obtinere anegrului de fum din metan. 1 punetb) Calculeaza masa de carbune fin care seobtine prin oxidarea incompleta din 6,72 m~m~tan de puritate 96%. 1 punet

IV. 9,2 9 amestec echimolecular de metan §ietan se supun arderii.a) Scrie ecuatiile reactiilor chimice de ardere alecelor doi alcani. 1 punetb) Calculeaza volumul de aer necesar arderiiamestecului. 1 punet

V. Un volum de 150 m3 de metan de puritate98% masurat Tn conditii normale, se supune, ,pirolizei. $tiind ca doar 80% din metan setransforma Tn acetilena, iar restul se descom-pune Tnelemente, se cere:a) scrie ecuatiile reactiilor chimice care au loc;

1 punctb) calculeaza compozitia procentuala Tn pro-cente molare a amestecului gazos obtinut.

1 punctTimp de lucru: 50 minute.1 punct din oficiu.