Χημεία (Β΄ Λυκείου) - Βιβλίο Μαθητή (Εμπλουτισμένο)
(2.3)
Αλκάνια - μεθάνιο,
φυσικό αέριο, βιοαέριο

Φυσικό αέριο

Συνήθως το πετρέλαιο συνυπάρχει με αέριο μίγμα, κυρίως υδρογονανθράκων, που ονομάζεται φυσικό αέριο.

• Το φυσικό αέριο είναι μίγμα αέριων υδρογονανθράκων με κύριο συστατικό το μεθάνιο, CH4 (μέχρι και 90%).

Το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται ως καύσιμο και παρουσιάζει δύο βασικά πλεονεκτήματα έναντι του πετρελαίου:

1. Είναι καθαρό καύσιμο, γιατί αφ' ενός μεν καίγεται πλήρως και με ευκολία προς CO2, αφ' ετέρου δεν περιέχει S ή Ν2, οπότε δε δίνει ρυπογόνα αέρια όπως, SO2, CO, NΟx.

2. Έχει μεγάλη θερμαντική ικανότητα (9000 - 12000 Kcal για κάθε 1 m3 καυσίμου).

Εκτός από καύσιμο το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται και ως πρώτη ύλη στη βιομηχανία πετροχημικών προϊόντων.

Αλκάνια - μεθάνιο

Γενικά Ονοματολογία άκυκλων οργανικών ενώσεων-Ονοματολογία υδρογονανθράκων

Όπως έχουμε αναφέρει, αλκάνια ονομάζονται οι άκυκλοι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες. Τα αλκάνια έχουν γενικό μοριακό τύπο: CνΗ2ν+2 και το πρώτο μέλος της ομόλογης σειράς των αλκανίων είναι το μεθάνιο CH4. Στον ακόλουθο πίνακα φαίνονται οι μοριακοί και συντακτικοί τύποι των αλκανίων με 1 έως 5 άτομα άνθρακα.

Τα αλκάνια εμφανίζουν τετραεδρική διάταξη στο χώρο. Δηλαδή, στο κέντρο του τετραέδρου τοποθετείται ένα άτομο άνθρακα και στις κορυφές τοποθετούνται οι υποκαταστάτες του.

Προέλευση

Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες βρίσκονται άφθονοι στο φυσικό αέριο και στο πετρέλαιο. Επίσης το μεθάνιο αποτελεί το κύριο συστατικό του βιοαερίου.

Βιοαέριο είναι το αέριο που παράγεται από τη σήψη της βιομάζας (το σύνολο της οργανικής ύλης που παράγουν τα ζώα και τα φυτά) και του οποίου το κύριο συστατικό είναι το μεθάνιο.

N CvH2v+2 Συντακτικοί τύποι
1 CH4 CH4 μεθάνιο
2 C2H6 CH3-CH3 αιθάνιο
3 C3H8 CH3-CH2-CH3 προπάνιο
4 C4H10 CH3CH2CH2CH3 βουτάνιο
εικόνα μεθυλοπροπάνιο
5 C5H12 CH3CH2CH2CH2CH3 πεντάνιο
εικόνα μεθυλοβουτάνιο
εικόνα διμεθυλοπροπάνιο

ΠΙΝΑΚΑΣ 2.3: Μοριακοί, συντακτικοί και ονόματα των πρώτων μελών Διαδραστικοί πίνακες οργανικής χημείας

εικόνα

ΣΧΗΜΑ 2.4 Στερεοχημική διάταξη μεθανίου.

Παρασκευές

Τα αλκάνια, ως φυσικές πρώτες ύλες, δεν παράγονται βιομηχανικά. Αντίθετα, αποτελούν τις πρώτες ύλες για την παραγωγή άλλων ενώσεων (πετροχημεία). Τα απλούστερα αλκάνια (μεθάνιο έως πεντάνιο) μπορούν να παραχθούν σε καθαρή κατάσταση με κλασματική απόσταξη του πετρελαίου ή του φυσικού αερίου. Τα υπόλοιπα αλκάνια μπορούν να συντεθούν με μια από τις μεθόδους που περιγράφονται παρακάτω, οι οποίες έχουν καθαρό εργαστηριακό χαρακτήρα.

Γενικές παρασκευές αλκανίων

1. Από τα αλκυλαλογονίδια RX με αντικατάσταση του αλογόνου από υδρογόνο.

RX + H2 εικόναRH + HX

Από τα αλκυλαλογονίδια δραστικότερα είναι τα αλκυλοιωδίδια, ακολουθούν τα αλκυλοβρωμίδια και αλκυλοχλωρίδια, ενώ τα αλκυλοφθορίδια είναι τελείως αδρανή.

π.χ. CH3I + H2εικόναCh4 + HI

2. Με επίδραση νατρίου σε αλκυλαλογονίδια διαλυμένα σε ξηρό αιθέρα (μέθοδος Wurtz).

2RX + 2Na εικόναR-R + 2NaX

π.χ. 2CH3Br + 2Na → CH3CH3 + 2NaBr

3. Με θέρμανση των με νάτριο ή κάλιο αλάτων κορεσμένων μονοκαρβοξυλικών οξέων (RCOONa ή RCOOK) με στερεό NaOH ή ΚΟΗ.

RCOONa + NaOH εικόνα RH + Na2CO3

Η μέθοδος αυτή ονομάζεται αποκαρβοξυλίωση και το αλκάνιο που προκύπτει έχει 1 άτομο C λιγότερο από το άλας.

π.χ. CH3COONa + NaOH εικόνα CH4 + Na2CO3

4. Με καταλυτική υδρογόνωση ακόρεστων υδρογονανθράκων

π.χ. CvH2v + H2 εικόνα CvH2v+2

Φυσικές ιδιότητες

Τα κατώτερα μέλη των αλκανίων (C1 - C4) είναι αέρια, άχρωμα, άοσμα και αδιάλυτα στο νερό. Τα μέσα μέλη (C5 - C16) είναι υγρά με χαρακτηριστική οσμή πετρελαίου και τα ανώτερα (C17 και άνω) είναι στερεά, άχρωμα  με υφή κεριού, όπως η βαζελίνη.

Χημικές ιδιότητες

Το CH4 και όλα τα αλκάνια είναι αδρανείς ενώσεις. Σε κατάλληλες όμως συνθήκες μπορούν να δώσουν ορισμένες αντιδράσεις, σημαντικότερες από τις οποίες είναι: η καύση, η πυρόλυση και η υποκατάσταση.

α. Καύση Αντιδράσεις καύσης υδρογονανθράκων

Τα αλκάνια καίγονται με περίσσεια οξυγόνου (ή αέρα) προς

διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Για την έναρξη της αντίδρασης απαιτείται σπινθήρας, ο οποίος ενεργοποιεί τα αντιδρώντα.

CvH2v+2 + εικόναO2 → vCO2 + (v+1)H2O

π.χ. CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Όταν η ποσότητα οξυγόνου δεν είναι επαρκής, η καύση είναι ατελής, οπότε σχηματίζονται διάφορα προϊόντα όπως C, CO.

β. Πυρόλυση

Έχουμε ήδη τονίσει τη σημασία της πυρόλυσης για την παρασκευή βενζίνης και για την παρασκευή των ακόρεστων και αρωματικών υδρογονανθράκων που χρησιμοποιούνται ως πρώτες ύλες στα πετροχημικά εργοστάσια. Υπενθυμίζουμε ότι η πυρόλυση γίνεται με θέρμανση παρουσία καταλυτών και απουσία αέρα. Κατά την πυρόλυση γίνονται πολλές αντιδράσεις, όπως σχάση αλυσίδας, κυκλοποίηση, ισομερείωση και αφυδρογόνωση. Αντιδράσεις που οδηγούν σε προϊόντα με διακλαδισμένη αλυσίδα χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της ποιότητας μιας βενζίνης (αναμόρφωση βενζίνης).

Πυρόλυση αλκανίων είναι η θερμική διάσπαση απουσία αέρα κάτω από πίεση, με ή χωρίς καταλύτη, που οδηγεί σε μίγματα κορεσμένων και ακόρεστων υδρογονανθράκων με μικρότερη σχετική μοριακή μάζα ή σε ισομερείς με διακλαδισμένη αλυσίδα

εικόνα

γ. Υποκατάσταση

Σε ορισμένες συνθήκες είναι δυνατό να υποκατασταθούν ένα ή περισσότερα υδρογόνα ενός αλκανίου από άλλα στοιχεία ή ομάδες στοιχείων. Από όλες αυτές τις αντιδράσεις ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η αλογόνωση (και ειδικότερα η χλωρίωση), η οποία είναι μια φωτοχημική αντίδραση, δηλαδή γίνεται παρουσία φωτός. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αλογόνωσης είναι η χλωρίωση του μεθανίου. Στο διάχυτο φως γίνεται σταδιακή υποκατάσταση των ατόμων υδρογόνου του μεθανίου από άτομα χλωρίου.

CH4 + Cl2 εικόνα CH3Cl + HCl
χλωρομεθάνιο

CH3Cl + Cl2 εικόνα CH2Cl2 + HCl
διχλωρομεθάνιο

CH2Cl2 + Cl2  CHCl3  + HCl
τριχλωρομεθάνιο ή χλωροφόρμιο

CHCl3 Cl2 CCl4  + HCl
τετραχλωρομεθάνιο ή τετραχλωράνθρακας

Χρήσεις

Με βάση όσα ήδη έχουν αναφερθεί, προκύπτει ότι τα αλκάνια χρησιμοποιούνται ή ως καύσιμα ή ως πρώτες ύλες στη βιομηχανία των πετροχημικών. Παρακάτω δίνονται χαρακτηριστικά παραδείγματα χρήσεων.

CH4: χρησιμοποιείται ως καύσιμο (φυσικό αέριο - βιοαέριο - αέριο νάφθας) και ως πρώτη ύλη στην πετροχημεία.

C3H8 - C4H10: χρησιμοποιείται ως υγραέριο στις  γνωστές μας φιάλες «πετρογκάζ» ή τα κοινά «γκαζάκια», τα οποία περιέχουν μίγμα C3H8 και C4Η10 υγροποιημένο υπό πίεση.

C5H12 - C6H12 : χρησιμοποιείται υπό μορφή μίγματος κυρίως ως διαλύτης με το όνομα πετρελαϊκός αιθέρας.

C7H16 - C9H20: χρησιμοποιείται υπό μορφή μίγματος ως καύσιμο (βενζίνη).

• Αλκάνια με 20 και πάνω άτομα άνθρακα στο μόριό τους: χρησιμοποιούνται στη φαρμακευτική (βαζελίνη) και για την κατασκευή κεριών (παραφίνη).

(Παράδειγμα 2.1)

Ποιος από τους παρακάτω μοριακούς τύπους αντιστοιχεί σε αλκάνιο, ποιοι είναι δυνατοί συντακτικοί τύποι αυτού και πώς ονομάζονται οι αντίστοιχες ενώσεις;

(α) C2H4          β) C3H4            (γ) C4H10         (δ) C2H2

Απάντηση

Τα αλκάνια έχουν γενικό τύπο CνΗ2ν+2. Άρα το C4Η10 αντιστοιχεί σε αλκάνιο. Οι δυνατοί συντακτικοί τύποι είναι:

CH3CH2CH2CH3 βουτάνιο και CH3CHCH3 μεθυλοπροπάνιο

|

CH3

Εφαρμογή

Ποιος από τους παρακάτω μοριακούς τύπους αντιστοιχεί σε αλκάνιο, ποιοι είναι οι δυνατοί συντακτικοί τύποι και πώς ονομάζονται οι αντίστοιχες ενώσεις;

(α) C3H6          (β) C4H6          (γ) C5H12            (δ) C5H10

(Παράδειγμα 2.2)

To «γκαζάκι», που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή ζωή μας, πολλές φορές περιέχει καθαρό βουτάνιο. Πόσα λίτρα CO2 σε STP θα σχηματιστούν, όταν καεί πλήρως το περιεχόμενο μιας τέτοιας φιάλης που ζυγίζει 116 g;

Λύση

Γράφουμε την αντίδραση καύσης.

C4H10 + εικόναO2 → 4CO2 + 5H2O

1 mol δίνει 4 mol

ή 58g = 4·22,4L (STP)
116 gr x

x = 179,2 L CO2 σε STP.

Εφαρμογή

Πόσα γραμμάρια Η2Ο θα σχηματιστούν κατά την πλήρη καύση 3 g αιθανίου;

(Παράδειγμα 2.3)

Από τα έλη εκλύεται ένας κορεσμένος υδρογονάνθρακας που διαπιστώθηκε ότι περιέχει 25% Η. Να βρεθεί ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα.

Λύση

Από το γενικό τύπο των αλκανίων CνΗ2ν+2 προκύπτει ότι:

αλλά

(14v+2)g CvH2v+2 = (2v+2) g H
100 g 25 g

περιέχουν

ή ν = 1 Συνεπώς, ο μοριακός τύπος του υδρογονάνθρακα είναι CH4, δηλαδή πρόκειται για το μεθάνιο.

Εφαρμογή

Αλκάνιο περιέχει 80% C. Ποιος είναι ο μοριακός τύπος του αλκανίου;