Конспект урока химии "Природный газ. Алканы."

Урок № 7.

Тема урока: «Природный газ. Алканы».

Цели урока: 1) образовательная: обучающиеся должны усвоить: понятие о предельных углеводородах, их химиче­ском, пространственном и электронном строении; на примере рассмотрения метана и его гомоло­гов - электронную природу хи­мических связей и пространственное строении молекул углеводородов; основные способы лабораторного и про­мышленного получения алканов; физические свойства предельных углеводородов.

2) развивающая: обучающиеся должны научиться: объяснять тетраэдричное строение молекулы метана, зигзагообразное строение цепи у предельных углево­дородов; записывать молекулярные, структурные и электронные формулы предельных углеводородов, называть их по систематической номенклатуре и по названию составлять формулы;

3) воспитательная: обучающиеся должны убедиться: в мировоззренческих понятиях о познаваемости природы, причинно-следственной зависимости между составом, строением, свойствами и применением предель­ных углеводородов и др.; что природа химической связи одинакова как у ве­ществ неорганических, так и органических, что является одним из доказательств единства этих веществ; в необходимости соблюдения правил пользования «бытовым» газом вследствие его взрывоопасности.

Основные понятия, изучаемые на уроке: предельные углево­дороды, гомологи, гомологический ряд, гомологическая разность, общая формула, электронная форму­ла, пространственное строение молекул веществ, тетраэдрическое строение молекул метана.

Планируемые результаты обучения: уметь на примере угле­водородов ряда метана устанавливать, чем по составу мо­лекул отличается каждый последующий углеводород от предыдущего; составлять структурные формулы первых 4-5 углеводородов этого ряда, приводить примеры изоме­ров этих веществ; определять молярную массу предельных углеводородов по их формулам, давать исторически сло­жившиеся названия; на конкретных примерах объяснять электронное и пространственное строение молекул предельных углеводородов и некоторых из их изомеров; составлять структурные и электронные формулы углеводородов по числу атомов углерода в моле­куле и их моделям.

Метод: проблемная беседа с выдвижением гипотез; смоделировать проблемную си­туацию, чтобы затем выяснить причину закономерного изменения состава углеводородов на группу  СН₂, кажущегося нарушения валентности углерода, многообразия органиче­ских соединений; при объяснении материала по ходу урока демонстрация лабора­торных опытов, которые требуются по программе.

Оборудование и реактивы: на демонстрационном столе на­бор углеводородов: нефть, бензин (керосин), пропан-бутановая смесь (сжиженный газ в баллончике), машинное мас­ло, вазелин, парафин (свеча), изделия из полиэтилена; демонстрационные схемы образования ковалентных и ионных связей, разъемная модель тетраэдра, масштабные и шаростержневые модели молекул метана и других углеводородов; га­зовая зажигалка с прозрачным резервуаром; кристаллические CH₃COONa, NaOH, КМnО₄, при­бор для получения газов, пробирки; таблица: углеводороды ряда метана; на ученических столах: наборы для моделирования молекул; модели молекул Стюарта — Бриглеба.

Ход урока.

1. Организационный момент.

2. Изучение нового материала.

I. Понятие углеводородов.

Преподаватель предлагает ребятам «расшифровать» термин углево­дород. Это не представляет никакого труда: углеводородами называ­ются органические соединения, состоящие из атомов двух элемен­тов — углерода и водорода. Это самые простые органические веще­ства, что отнюдь не умаляет их значения. Напротив, по определению немецкого химика Карла Шорлеммера, «органическая химия есть хи­мия углеводородов и их производных».

Общую формулу углеводородов можно представить в виде С_xН_y , где х и у связаны между собой определенным соотношением, опреде­ляющим класс углеводорода. Единственный углеводород - метан -имеет в своем составе один атом углерода; в остальных углеводородах число х колеблется от двух до нескольких тысяч.

Общую классификацию органических веществ, рассмотренную в §5 учебника (см. рис. 1 данного пособия), можно распространить и на углеводороды. Преподаватель обращает внимание на то, что изучение углеводородов начинается с самого простого класса - ациклических предельных соединений, называемых алканами.

II. Электронное и пространственное строение молекулы метана.

Простейший углеводород - метан - известен людям очень дав­но. Его называли болотным или рудничным газом.

Атом углерода в метане находится в состоянии sp³-гибридизации. Обучающиеся вспоминают, что углерод в данном случае имеет четы­ре равноценные гибридные орбитали, оси которых направлены к вершинам правильного тетраэдра. Угол между осями этих орбиталей составляет 109°28'. Преподаватель изображает на доске строение атома уг­лерода в sp³-гибридном состоянии.

Важно подчеркнуть, что электронное строение атома углерода определяет пространственное расположение атомов в молекуле мета­на. Все четыре ковалентные связи С—Н образованы за счет перекры­вания sp³-орбиталей атома углерода и s-орбитали водорода. Все связи в молекуле метана относятся к σ-типу. Центры ядер атомов водорода лежат в вершинах правильного тетраэдра, валентный угол Н—С—Н составляет 109°28.

Для более конкретного восприятия пространственной струк­туры метана преподаватель демонстрирует объемную модель молекулы (шаростержневую или Стюатра — Бриглеба), дает ребятам домашнее задание собрать аналогичную модель из спичек и пластилино­вых шариков.

III. Гомологический ряд предельных углеводородов.

Эту часть урока преподаватель начинает с упоминания об уникальном свойстве атома углерода образовывать за счет связи друг с другом длинные цепочки. Если все оставшиеся валентности углерода при этом будут заняты атомами водорода, это и будут углеводороды, кото­рые принято называть предельными, парафиновыми, насыщенными или алканами. Преподаватель дает определение алканов и расшифровывает значение всех синонимов.

Слово «предельные» означает, что атомы углерода связаны с максимальным (предельным) числом атомов водорода. Насыщен­ный углеводород не имеет в своем составе двойных или тройных уг­лерод-углеродных связей. Термин «парафины» происходит от латин­ского словосочетания parum affinis, что означает не обладающий срод­ством.

Таким образом, предельные углеводороды составляют осо­бую группу, класс органических соединений. При переходе к повто­рению понятия гомологического ряда, преподаватель проводит следую­щую аналогию. Любая область знания имеет раздел, называемый таксономией (дословно: располагать по порядку, по закону). Он за­нимается классификацией тех объектов, которые изучает данная наука. В биологии, например, типы животных делятся на классы, классы - на отряды, те - на семейства, которые подразделяются на рода, род делится на виды. В неорганической химии существует свое деление веществ на классы. Какие? Обучающиеся называют окси­ды, основания, кислоты, соли. Внутри этих классов есть своя града­ция. В органической химии все вещества данного класса можно выстроить в ряд, называемый гомологическим. Пусть два атома углерода образовали друг с другом ковалентную неполярную связь. У каждого остается по три свободных валент­ности, неспаренных электрона. Если все эти валентные возможнос­ти насыщены атомами водорода, мы получим углеводород этан. Ана­логично преподаватель строит молекулу пропана:

H H H H H

| | | | | | | | | |

– C – C – → H – C – C – H – C – C – C – → H – C – C – C – H

| | | | | | | | | |

H H H H H

этан пропан

Далее повторяются понятия «гомологический ряд», «гомологи­ческая разность» и «гомологи».

Поскольку строение молекул подобно, похожи и их химиче­ские свойства. В чем различие в составе таких веществ? Из структур­ных формул хорошо видно, что они отличаются на группу – СН₂ – , одну или несколько.

Гомологическим рядом называется совокупность органи­ческих соединений, обладающих подобным строением и свойствами и отличающихся друг от друга по составу на одну или несколько групп – СН₂ – (гомологическая разность). Представители одного гомологического ряда называются гомологами.

С небольшой помощью учителя, «разделившего» молекулу про­пана на фрагменты фигурными скобками, ребята выводят общую формулу алканов: С_nН_2n+2.

H H H

| | |

H – C – C – C – H

| | |

H H H

H + C_nH_2n + H

C_nH_{2n + 2}

Формулы этана и пропана, приведенные выше, называются пол­ными структурными формулами. Чаще всего нет необходимости так подробно изображать структуру вещества. Вполне информативны сокращенные структурные формулы, в которых связи С— Н «свернуты», не показаны. Для упомянутых этана и пропана они выглядят привычно: СН₃ — СН₃ и СН₃ — СН₂ – СН₃ или даже СН₃СН₃ и СН₃СН₂СН₃. Важно подчеркнуть, что оба варианта равноценны. Ведь, как правило, преподаватель не придает особого значения тому или иному способу написания сокращенной структурной формулы, а ребята пытаются запомнить, нужен в формуле «штрих» или нет.

Еще один способ обозначения органических веществ - молеку­лярные формулы. Они показывают только состав молекулы, но не отра­жают порядок связей атомов. Этан имеет молекулярную формулу С₂Н₆, пропан — C₃H₈. Преподаватель проверяет, как ребята выполнили задание изготовить карточки с названиями и формулами первых 10 членов гомологиче­ского ряда алканов, просит приносить эти карточки на последующие уроки.

IV. Изомерия и номенклатура алканов.

Научить ребят составлять структурные формулы гомологов и изомеров - очень важная задача данного урока. К ее решению можно подойти таким способом. Преподаватель, пользуясь масштабными моделями молекул, предла­гает вернуться к родоначальнику гомологического ряда алканов -метану. Все связи С—Н в молекуле равноценны. Если одну из этих связей разорвать таким образом, что каждый атом получит назад свой ранее обобществленный электрон, образуется две частицы: атом водорода и метальный радикал. Как называется такой разрыв связей в органической химии? Это гемолитический разрыв. Теперь соединим между собой два метальных радикала. Получим гомолог метана - этан. В этом углеводороде так же, как в метане, все атомы водорода эквивалентны. Заменой любого из них на метальный ра­дикал получаем единственный третий гомолог состава С₃Н₈ - про­пан. Атомы водорода в этом алкане уже не одинаковы: шесть из них расположены у крайних углеродных атомов, а два - у среднего. Если мы формально заменим любой из шести «крайних» атомов Н на радикал СН₃—, получим бутан нормального строения - н-бутан. Если такой замене подвергнуть один из двух «центральных» атомов водо­рода - это уже другая молекула, другое вещество того же состава С₄Н₁₀ - изобутан. H H H H

| | | |

H – C – C – C – C – H

H H H H H H | | | |

| | | | | | a H H H H

H – C–– H → H – C – C ––H → H – C – C – C–– H a

| | | | | б | H H H

H H H H H H | | |

H – C – C – C – H

| |

H H

H – C – H

|

H б

Преподаватель спрашивает, как называются вещества, имеющие один и тот же состав, но различное химическое строение? Конечно же, это изомеры. И здесь еще раз закрепляются понятия о структурной изо­мерии.

Изомеры бутана имеют различный порядок связи атомов в молекуле. Это структурная изомерия.

Такой вид структурной изомерии, в котором представители одно­го гомологического ряда отличаются порядком связи атомов угле­рода в молекуле, называется изомерией углеродного скелета.

На примере изомеров пентана, построенных аналогично из н-бутана и изобутана, преподаватель закрепляет различие в понятиях «изо­мер» и «гомолог». Любой из двух бутанов по отношению к любому пентану - гомолог, но не изомер! Пентаны «доводятся» друг другу изо­мерами, но не являются гомологами.

Изомеры пентана Изомеры бутана

H H H H H H H H H H

| | | | | | | | | |

H – C – C – C – C – C – C – H H – C – C – C – C – H

| | | | | | | | | |

H H H H H H H H H H

гомологи

CH₃ – CH – CH₂ – CH₃ CH₃ – CH – CH₃

| |

CH₃ CH₃

Гомологи

H

|

H – C – H

H H

| |

H – C – C – C – H

| |

H H

H – C – H

|

H

На данном этапе целесообразно ввести понятия первичного, вторичного, третичного и четвертичного атомов углерода на при­мере структур, изображенных на доске. Такая классификация прово­дится по числу соседних углеродных атомов, связанных с данным. Пентан нормального строения имеет два первичных и три вторич­ных атома углерода; изопентан - три первичных, один вторичный и один третичный атом; последний изомер - четыре первичных и один четвертичный атом углерода.

Для того чтобы обучающиеся при написании формул всех воз­можных изомеров указанного состава не изображали лишние струк­туры, а также избежали некоторых распространенных ошибок в но­менклатуре алканов, полезно с применением модели молекулы (на­пример, изопентана) пояснить следующее. Реальная молекула зани­мает в пространстве любое положение и форму, которую позволя­ет ей свободное вращение относительно связей С – С. Изобразить же ее структурную формулу на плоскости (на доске или в тетради) мы можем произвольным, удобным для нас способом. От этого изо­пентан не перестанет быть изопентаном, не превратится в другой изомер.

Это всё пентаны!

CH₃ CH₃ CH₃ CH₃

| | | |

CH₃ – CH – CH₂ – CH₃ CH₃ – CH CH – CH₂ CH₂ – CH – CH₃ CH – C₂H₅

| | | | | |

CH₂ CH₃ CH₃ CH₃ CH₃ CH₃

|

CH₃

Для того чтобы была однозначность в присвоении каждому ве­ществу своего собственного имени, и по названию можно было вос­произвести формулу вещества, напоминает преподаватель, химики пользу­ются особой системой названий — химической номенклатурой, и подчеркивает, что, как уже знают обучающиеся, наиболее универсаль­на и понятна на любом языке так называемая международная номен­клатура (IUPAC). Обучающиеся называют первую из изображенных структур и убеждаются, что и все остальные имеют то же самое назва­ние — 2-метилбутан. Это одно и то же вещество! Верно и обратное: каждому названию может соответствовать единственное вещество.

Преподаватель подчеркивает, что составлять названия алканов и по названию изображать структурные формулы — увлекательное заня­тие. Особенно если обучающиеся работают рационально. Для этого необ­ходимо строго придерживаться следующего алгоритма.

1. Выбрать в молекуле самую длинную цепочку углеродных атомов.

2. Пронумеровать цепочку с того конца, к которому ближе раз­ветвление молекулы.

3. Основа названия — название углеводорода с тем же числом углеродных атомов, что и в самой длинной цепи (помогает карточка-подсказка) .

4. Перед основой названия перечислить все заместители ос­новной цепи с указанием номеров углеродных атомов, при которых они стоят. Если одинаковых заместителей несколько, перед их на­званиями ставят приставки ди-, три-, тетра- и т. д.

5. Все цифры друг от друга отделяются запятыми, буквы от цифр — дефисом, название пишется в одно слово (без пробелов). Если при одном углеродном атоме имеется не один, а два заместите­ля, его цифра повторяется в названии дважды (например, 2,2-диметилбутан, а не 2-диметилбутан).

Перечисленные правила иллюстрируются следующими приме­рами:

1 2 3 4 5

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₃ CH₃ – CH – CH₂ – CH₂ – CH₃

н-гексан |

CH₃

2-метилпентан

CH₃ H₃C CH₃

| _{5 4 3}| | _{2 1}

CH₃ – C – CH₃ CH₃ – CH₂ – C – CH – CH₃

| |

CH₃ CH₃

2,2-диметилпропан 2,3,3-триметилпентан

_5,6

CH₃ C₂H₅

_{7 6 5 4}| _{3 3 4} |

CH₃ – CH₂ – CH – CH – CH – CH₃ CH₃ – CH – CH – CH₃

| |_{2 1 1,2}|

C₂H₅ CH₂ – CH₃ C₂H₅

3,4-диметил-5-этилгептан 3 , 4-диэтилгексан

Для особо интересующихся химией учащихся преподаватель напоми­нает, что часто при названии углеводородов и радикалов используют некоторые термины иной номенклатуры — рациональной. Полезно запомнить, что при наличии в алкане или алкильном заместителе фрагмента СН₃—СН (СН₃) — к его названию можно добавить префикс изо-, фрагмента СН₃—С(СН₃)₂ — префикс нео-:

CH₃

|

CH₃ – CH – CH₃ CH₃ – C – CH₂ – CH₃

| |

CH₃ CH₃

изобутан неогексан

CH₃ – CH – CH₂ – CH₃ – CH –

| |

СН₃ CH₃

изобутил изопропил

Обучающиеся должны уметь составлять структурные формулы всех изомерных углеводородов предложенного им состава. Это требует определенного навыка.

Изображать формулы возможных изомеров следует, начиная с единственного изомера нормального строения. Затем, укорачивая цепочку последовательно на один углеродный атом, изображать формулы изомеров с разветвленным углеродным скелетом. Если на первых парах возникают ошибки в определении числа атомов водорода, лучше сначала нарисовать «голый» углеродный скелет (пересчитай­те атомы углерода!), а затем «навесить» на него водородные атомы, учитывая четырёхвалентность атома углерода.

Как не написать «лишние» формулы изомеров? Нужно сразу называть изображенный алкан: двух одинаковых названий быть не должно.

Структурную формулу по названию изображать еще проще. Начинать нужно с основы названия — цепочки «голых» углеродных атомов, которую нумеруют слева направо. Затем размещают радика­лы и наконец добавляют в цепочку атомы водорода, учитывая четы­рехвалентность атома углерода.

V. Способы получения алканов.

Преподаватель, опираясь на знания учащихся из курса неорганиче­ской химии, напоминает, что способы получения алканов, как и лю­бых других практически значимых веществ, можно разделить на про­мышленные и лабораторные (рис. 3).

Способы получения алканов

Промышленные Лабораторные

Выделение Крегинг Изомерии- Гидриро- Реакция Пиролиз Гидролиз

из природ- нефтепро- зация вание Вюрца солей кар- карбида

ных источ- дуктов алканов алкенов боновых алюминия

ников кислот

Природный Нефть Попутные

газ нефтяные газы

Рис.3. Способы получения предельных углеводородов.

В промышленности, технике и быту индивидуальные (химиче­ски чистые) углеводороды используются нечасто. Вполне достаточно иметь смесь алканов, близких по молекулярной массе. Например, природный газ главным образом состоит из метана (88-95%), этана (3-8%), пропана (0,7-2%) и бутана (0,2-0,7%) с примесью неоргани­ческих газов. Для получения практически ценных веществ из нефти ее подвергают ректификации — разделению на фракции, что под­робно описано в учебнике. Фракция — это смесь веществ, температу­ры кипения которых находятся в определенном заданном интервале.

Переходя к рассмотрению процессов промышленной перера­ботки нефтепродуктов, преподаватель начинает с сообщения о том, что наи­более ценной фракцией прямой перегонки нефти является бензин. Однако выход этой фракции не превышает 17-20% от массы сырой нефти. Возникает проблема: как удовлетворить все возрастающие по­требности общества в автомобильном и авиационном топливе? Реше­ние было найдено в конце XIX в. русским инженером Владимиром Григорьевичем Шуховым. В 1891 г. он впервые осуществил промыш­ленный крекинг керосиновой фракции нефти, что позволило увели­чить выход бензина до 65-70% (в расчете на сырую нефть)! Только за разработку процесса термического крекинга нефтепродуктов благо­дарное человечество золотыми буквами вписало имя этого уникаль­ного человека в историю цивилизации. Однако немногие знают, что Шуховым в Саратове были созданы речные наливные баржи для перевозки нефти. Эти суда впервые в мире собирались из отдельных секций, что позволяло спускать их со стапелей в очень короткий срок. Для загрузки и разгрузки баржи В. Г. Шухов использовал не мус­кульную силу, как было до тех пор, а паровые насосы. На бакинских нефтяных промыслах Владимир Григорьевич изобрел первый трубо­провод для перекачки нефти с подогревом, это позволило избежать кристаллизации парафина на стенках труб и образования парафино­вых пробок.

Процесс изомеризации алканов нормального строения назы­вается также риформингом. Он имеет очень большое значение для повышения качества бензиновой фракции, получаемой после пер­вичной перегонки сырой нефти. Каталитическая изомеризация про­текает по ионному механизму.

Преподаватель завершает рассмотрение промышленных способов получения алканов проблемной ситуацией. Добыча и потребление нефти уже давно превратились из чисто экономического вопроса в особую форму межгосударственных политических отношений. Ка­залось бы, нефтедобывающим странам экономически выгодно нара­щивание добычи и продажи нефти. Однако в этом случае цены на сы­рье упадут и вместо прибыли будут приносить убытки. Каждое госу­дарство имеет определенную квоту на объем продажи «черного золо­та», которая является предметом острейшей борьбы крупнейших не­фтяных монополий и ведущих промышленно развитых стран.

Вместе с тем добыча и потребление нефти ежегодно увеличива­ется в среднем на 8%. По оценкам специалистов разведанных запасов хватит только на ближайшие 50-70 лет. Нельзя ли использовать совре­менные растительные и животные остатки для производства если не нефти, то хотя бы газа (он называется биогазом)? Оказывается, это вполне возможно и уже в значительных масштабах используется во многих развивающихся странах (Индия, Китай). На заводах по произ­водству биогаза в качестве сырья используются отходы животного и растительного происхождения, которые перегнивают в генераторах под действием анаэробных бактерий (рис. 4). Подобно природному газу, биогаз состоит главным образом из метана. Его можно использо­вать непосредственно для отопления жилищ, приготовления пищи или получения электроэнергии с помощью электрогенератора. Остат­ки растительных и животных отходов после получения биогаза могут использоваться в качестве высокоэффективных экологически чистых удобрений, т. к. содержат значительное количество

связанного азота.

Генератор

биогаза

Растительная

биомасса

или навоз

Электро-

генератор

Удобрения

Рис. 4. Получение и использование биогаза.

Из лабораторных способов получения алканов наиболее часто в задачах различного типа встречается синтез Вюрца и пиролиз со­лей карболовых кислот со щелочами.

Французский химик, член Парижской академии наук Шарль Адольф Вюрц в 1855 г. разработал универсальный способ синтеза предельных углеводородов нагреванием галогеналканов с металлами (натрием, цинковой пылью). Кстати, помимо приведенной реакции Ш. Вюрц внес огромный вклад в развитие органической химии, в его честь назван минерал вюрцит.

Для наглядности в уравнении реакции Вюрца преподаватель показы­вает, как под действием металла образуются радикалы, которые со­единяются между собой в молекулу нового алкана. Этот процесс удоб­но изобразить и с помощью моделей молекул.

t

CH₃ – CH₂ – Br Br – CH₂ – CH₃ CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₃ + 2NaBr

+

Na Na

Сильным учащимся, очевидно, будет по силам решить проблем­ную ситуацию: «Какие вещества получатся, если в реакцию Вюрца ввести два различных галогеналкана?» Очевидно, возможны три раз­личных комбинации двух галогеналканов, которые должны привести к синтезу трех конечных углеводородов:

CH₃ –Br Br – CH₃ CH₃ – CH₃

+ Na

CH₃ – CH₂ – CH₃

- NaBr

CH₃ – CH₂ – Br Br – CH₂ – CH₃ CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₃

Более сложна для учащихся обратная задача, например: ка­кой галогеналкан следует взять в реакцию Вюрца, чтобы получить 2,3-диметилбутан? Решение лучше осуществлять от обратного:

— изобразить формулу требуемого продукта

СН₃ – СН – СН – СН₃

| |

СН₃ СН₃

— разделить ее пополам (на два радикала)

СН₃ – СН – – СН – СН₃

| |

СН₃ СН₃

— добавить к радикалам атом галогена

СН₃ – СН – Вr СН₃ – СНВr – СН₃

| или

СН₃

Это 2-бромпропан:

2CH₃ – CHBr – CH₃ + 2Na СН₃ – СН – СН – СН₃ + 2NaBr

| |

СН₃ CH₃

Замечательная особенность реакции Вюрца — удвоение числа атомов углерода в продукте по сравнению с исходным веществом.

Особенность другого лабораторного способа получения алка-нов состоит в уменьшении числа углеродных атомов на единицу. Речь идет о пиролизе (нагревании вещества, приводящем к его разложе­нию) солей карбоновых кислот со щелочью. Преподаватель демонстрирует эту реакцию, нагревая в пробирке с газоотводной трубкой смесь аце­тата натрия с гидроксидом натрия. Обучающиеся констатируют, что ме­тан нерастворим в воде (его можно собрать в пробирку методом вы­теснения воды), не обесцвечивает раствор перманганата калия, го­рит бледно-голубым пламенем.

CH₃ – COONa + Na – O – H CH₄ + Na₂CO₃

Написав на доске левую половину уравнения, преподаватель предла­гает ребятам определить, какое неорганическое вещество (обведен­ное в рамочку) выделяется в качестве побочного продукта (карбо­нат натрия). Можно вспомнить, что функциональная группа карбоновых кислот называется карбоксильной. В этой реакции производ­ное карбоновой кислоты (соль) теряет карбоксильный фрагмент, поэтому реакция называется декарбоксилированием.

Примером специфического способа получения алканов являет­ся гидролиз карбида алюминия. Этимология слова гидролиз (от гре­ческого слов hydor— вода и lysis— разложение, распад) позволяет оп­ределить такие реакции, как процесс разложения сложного соедине­ния на два или более новых вещества под действием воды.

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al (OH)₃ + 3CH₄ ↑

VI. Физические свойства алканов.

Преподаватель обращает внимание ребят на то, что в любом гомологиче­ском ряду с увеличением числа атомов углерода в цепи (т. е. с увеличением относительной молекулярной массы) возрастают температуры плавле­ния, кипения, плотность веществ. Это одно из подтверждений закона природы о переходе количества в качество. Таким образом, алканы могут существовать в трех различных агрегатных состояниях. Обучающиеся вспоминают типы агрегатных состояний, различия между ними с точки зрения межмолекулярного взаимодействия и степени упоря­доченности молекул. Преподаватель на доске обобщает ответы, записывая схему (рис. 5).

Агрегатные состояния вещества

Газообразное Жидкое Твердое

Кристаллическое Аморфное

Рис. 5. Агрегатные состояния вещества.

Преподаватель демонстрирует образцы алканов. Газообразный углево­дород увидеть непросто, но в газовой зажигалке под давлением пропан и бутан являются бесцветными жидкостями. При нажатии на кла­пан на волю с легким шипением вырываются бесцветные газообраз­ные алканы, практически лишенные запаха. Если зажечь зажигалку, то алканы горят слегка окрашенным пламенем.

Жидкие предельные углеводороды (бензин) уже имеют запах. Преподаватель приливает несколько миллилитров бензина в пробирку с водой. Границу раздела видно плохо, обе жидкости бесцветны. При интенсивном встряхивании пробирки образуется мутная эмульсия, которая быстро расслаивается: предельные углеводороды нераство­римы в воде. Если бросить в пробирку кристаллик перманганата ка­лия, водный слой окрасится. Окраска не исчезнет, поскольку алканы не реагируют с водным раствором КМnО₄.

Вазелин — смесь жидких и твердых предельных углеводородов. Можно убедиться, что алканы с большой молекулярной массой жир­ные на ощупь. Парафин — смесь твердых углеводородов, имеет аморфное состояние. Преподаватель показывает, что кусочек парафина пла­вает на поверхности воды (его плотность меньше единицы) и легко плавится (при нагревании воды в пробирке кусочек парафина пре­вратится в жидкость). Однако предельные углеводороды легко раство­ряются в неполярных органических растворителях, жидкие алканы смешиваются друг с другом.

Все газообразные и жидкие алканы образуют взрывоопасные смеси с воздухом, поэтому в быту с ними надо обращаться очень осто­рожно.

Для закрепления материала рекомендуется решить ряд задач на способы получения алканов, а также вспомнить задачи на нахож­дение формулы вещества по массовым долям элементов (алгоритм решения приведен в книге для учителя, 9 класс, глава «Органические вещества», а также ниже).

Алгоритм решения задач на вывод формулы вещества.

1. Обозначить формулу вещества с помощью индексов х, у, z и т. д. по числу элементов в молекуле.

2. Если в условии не дана массовая доля одного элемента, вы­числить ее как разность 100% и массовых долей всех остальных эле­ментов.

3. Найти отношение индексов х : у : z как отношение частных от деления массовой доли элемента на его относительную атомную массу. Привести частные от деления к отношению целых чисел. Определите простейшую формулу вещества.

4. В задачах на нахождение формул органических веществ часто требуется сравнить относительную молекулярную массу про­стейшей формулы с М _r истинной, найденной по условию задачи (чаще всего плотности по воздуху или по водороду). Отношение этих масс дает число, на которое надо умножить индексы простейшей формулы.

Пример. Углеводород, плотность паров которого по водоро­ду равна 15, содержит 80,0% углерода. Найдите его молекулярную формулу.

Дано: Решение:

ω(С) = 80,0% 1. Обозначим формулу углеводорода С_хНу.

Dн₂ (в-ва) = 15 2. Вычислим массовую долю водорода в соединении:

ω(Н) = 100% – ω(С) = 100% – 80,0% = 20,0%

Формула — ? 3. Найдем отношение индексов х : у

ω (С) ω (Н) 80,0 20,0 6,67 20,0

х : у = ——— : ——— = ——— : ——— = 6,67 : 20 = ——— : ——— = 1 : 3

А _r (С) А _r (Н) 12 1 6,67 6,67

Простейшая формула соединения СН₃.

4. Рассчитаем относительную молекулярную массу углеводорода:

М _r (С_xH_y) = 2 • Dн₂(в-ва) = 2 • 15 = 30

Сравним ее с относительной молекулярной массой простей­шей формулы:

М _r (СН₃) = 12 + 3=15

М _r (С_xH_y) 30

———— = —— = 2

М _r (СН) 15

Выяснили, что число атомов обоих элементов в простейшей формуле надо увеличить в два раза. Истинная формула вещества С₂Н₆.

3.Закрепление пройденного материала.

Усвоение учащимися материала данного урока очень важно, поскольку это основа успешного постижения номенклатуры и изоме­рии остальных классов органических соединений. Необходимо отра­ботать основные типы заданий в классе и дома, только после этого можно переходить к изучению дальнейшего материала.

Задание 1.

1-й уровень.

1. Какая из приведенных общих формул углеводородов соответ­ствует алканам:

C_nH_2n-2; C_nH_2n; C_nH_2n+2; C_nH_2n-6 ?

2. Составьте структурные формулы предельных углеводородов по приведенным углеродным скелетам:

C – C – C – C C – C C C – C – C – C – C

| | | |

C – C – C C C – C

C C – C – C – C – C

| | | |

C – C – C C C C

|

C – C – C

3. Какие углеводороды являются гомологами бутана: метан, этилен, изобутан, бензол, пентан?

4. Напишите молекулярные формулы углеводородов: пропана, гексана, октана; радикалов: метила, этила,

пропила.

2-й уровень.

1. Укажите формулы алканов и назовите эти вещества:

С₆Н₁₂, С₄Н₁₀, С₂Н₆, С₁₃Н₂₆, С₆Н₆, С₉Н₂₀.

2. Какие из перечисленных углеводородов содержат третич­ный атом углерода: этан, 2-метилбутан,

3,3-диметилпентан, 2,3-диметилгексан?

3. В каком состоянии гибридизации все атомы углерода в алканах: sp²-, sp-, sp³-?

4. Укажите пары гомологов: этан и этилен; пропан и этан; бутан и изобутан; гексан и гептан; метан и

октан.

Задание 2.

1-й уровень.

1. Составьте структурные формулы изомеров пентана и назови­те их.

2. Назовите по международной номенклатуре следующие пре­дельные углеводороды:

CH₃ – CH₂ – CH₂ СН₃ – СН – СН₂ – СН – СН₃ CH₃ – CH₂ – CH – CH₂ – CH₃

| | | |

СН₃ СН₃ СН₃ C₂H₅

3. У каких алканов отсутствуют изомеры: метан, этан, пропан, бутан?

2-й уровень.

1. Составьте структурные формулы всех изомеров гексана и назовите их.

2. Составьте структурные формулы всех изомеров октана, име­ющих один четвертичный атом углерода, и

назовите их.

3. Напишите структурные формулы всех изомеров алкана, плотность паров которого по воздуху 2,48.

Задание 3.

Составьте структурные формулы следующих алканов:

1-й уровень. 2-метилгексан; З-метил-3-этилпентан; 2,3,4 - триметилгексан.

2-й уровень. 2,2,3,4-тетраметилгептан; 2,3-диметил-З-изопропилгексан; 2-метил-3,3-диэтилоктан.

Задание 4.

1-й уровень.

Объемные доли компонентов природного газа одного из место­рождений составляют: 92% метана, 5% этана, 2% пропана, 0,7% оксида углерода (IV) и 0, 3% азота. Определите объемы каждого углево­дорода в 120 м³ природного газа.

2-й уровень.

Объемные доли алканов в природном газе равны: метан — 91%, этан — 6%, пропан — 2%, бутан — 1 %. Вычислите массовые доли газов и рассчитайте объем воздуха, который потребуется для сжигания 1 м³ природного газа такого состава (условия нормальные, объемная доля кислорода в воздухе 20%).

Задание 5.

1-й уровень.

1. Какие продукты получаются при крекинге предельного угле­водорода состава С₁₄Н₃₀ (тетрадекан)?

2. Какие вещества получатся при нагревании с натрием следу­ющих веществ: а) иодметан;

б) 1-бромпропан.

3. Напишите уравнение реакции изомеризации н-бутана.

4. Какие вещества получатся при нагревании пропионата нат­рия СН₃—СН₂—COONa с гидроксидом натрия? Напишите уравнение реакции.

2-й уровень.

1. Напишите уравнение крекинга следующих алканов: а) н-декан; б) 2,3-диметилбутан.

2. Напишите реакции Вюрца, с помощью которых можно полу­чить следующие углеводороды:

а) н-гексан; б) 2,5-диметилгексан.

3. При изомеризации предельного углеводорода нормального строения образуется 2,2,4-триметилпентан.

Определите исходный уг­леводород.

4. Составьте уравнения реакций получения указанных углеводо­родов нагреванием соли

соответствующей кислоты со щелочью: а) пропан; б) 2-метилпропан.

Задание 6.

1-й уровень.

1. Вычислите массовые доли углерода в четырех первых пред­ставителях гомологического ряда алканов.

2. Определите формулу углеводорода, массовая доля углерода в котором 75%, а водорода — 25%.

2-й уровень.

1. Вычислите массовые доли водорода в четырех первых пред­ставителях гомологического ряда алканов.

Сделайте вывод о дальней­шем изменении массовой доли водорода следующих гомологов.

2. Массовая доля углерода в углеводороде составляет 82,76%. При нормальных условиях 10 л этого газа

имеют массу 25,88 г. Со­ставьте структурные формулы изомеров углеводорода и назовите их по

международной номенклатуре.

4. Домашнее задание: § 11 с.67 - 72, упр. 1-6 с. 81; повт. § 10.

Методическая литература

• Габриелян О.С., Остроумов И.Г. Настольная книга учителя. Химия. 10 кл. – М.: Дрофа, 2004.

• Габриелян О.С., Рунов Н.Н., Толкунов В.И. Химический эксперимент в школе. 10 класс. М.: Дрофа, 2005.

• Габриелян О.С., Попкова Т.Н., Карцова А.А. Органическая химия, 10: профильный уровень: методическое пособие: книга для учителя. М.: Просвещение, 2006.