Лекција 4.4 садржи следеће групе задатака:

Изабери решење задатка:

Задатак 1 (бесплатан)

Кратко решење

а)
\[ \text{метилпропан: } \text{C}_4\text{H}_{10} \quad (n = 4) \]\[ 2\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\text{O}_2 \longrightarrow 8\text{CO}_2 + 10\text{H}_2\text{O} \]
б)
\[ n\text{-октан: } \text{C}_8\text{H}_{18} \quad (n = 8) \]\[ 2\text{C}_8\text{H}_{18} + 25\text{O}_2 \longrightarrow 16\text{CO}_2 + 18\text{H}_2\text{O} \]

Детаљно решење

Корак 1: Тип реакције и општа једначина

Потпуно сагоревање алкана је потпуна оксидација. Као производи настају угљеник(IV)-оксид и вода. Користимо општу једначину из лекције: \[ 2\text{C}_n\text{H}_{2n+2} + (3n+1)\text{O}_2 \longrightarrow 2n\text{CO}_2 + (2n+2)\text{H}_2\text{O} \]

а) метилпропан

Корак 2: Молекулска формула

Метилпропан има четири атома угљеника (прпан са метил-групом), па је то изомер бутана. Структурна формула је \( \text{CH}_3\text{-CH(CH}_3\text{)-CH}_3 \). Молекулска формула је \( \text{C}_4\text{H}_{10} \), односно \( n = 4 \).

Корак 3: Једначина реакције

Заменом \( n = 4 \) добијамо \( 3n+1 = 13 \), \( 2n = 8 \) и \( 2n+2 = 10 \). \[ 2\text{CH}_3\text{-CH(CH}_3\text{)-CH}_3 + 13\text{O}_2 \longrightarrow 8\text{CO}_2 + 10\text{H}_2\text{O} \] Проверавамо број атома: C: \( 2 \cdot 4 = 8 \); H: \( 2 \cdot 10 = 20 \); O: \( 13 \cdot 2 = 26 = 8 \cdot 2 + 10 \).

б) n-октан

Корак 4: Молекулска формула

n-Октан је алкан са неразгранатим низом од осам атома угљеника. Структурна формула је \( \text{CH}_3\text{-(CH}_2\text{)}_6\text{-CH}_3 \). Молекулска формула је \( \text{C}_8\text{H}_{18} \), односно \( n = 8 \).

Корак 5: Једначина реакције

Заменом \( n = 8 \) добијамо \( 3n+1 = 25 \), \( 2n = 16 \) и \( 2n+2 = 18 \). \[ 2\text{CH}_3\text{-(CH}_2\text{)}_6\text{-CH}_3 + 25\text{O}_2 \longrightarrow 16\text{CO}_2 + 18\text{H}_2\text{O} \] Проверавамо број атома: C: \( 2 \cdot 8 = 16 \); H: \( 2 \cdot 18 = 36 \); O: \( 25 \cdot 2 = 50 = 16 \cdot 2 + 18 \).

Кратак запис решења:

а)

\[ 2\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\text{O}_2 \longrightarrow 8\text{CO}_2 + 10\text{H}_2\text{O} \]

б)

\[ 2\text{C}_8\text{H}_{18} + 25\text{O}_2 \longrightarrow 16\text{CO}_2 + 18\text{H}_2\text{O} \]

Најважније из лекције

Растворљивост: Алкани су неполарни – не растварају се у води, растварају се у органским неполарним растварачима.
Сагоревање: Потпуно (давање \(\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}\)) уз довољно \(\text{O}_2\); непотпуно (давање \(\text{CO}\) или \(\text{C} + \text{H}_2\text{O}\)) при мањку \(\text{O}_2\).
Пиролиза (крековање): Термичко разлагање на високој температури без кисеоника на мање алкане, алкене и \(\text{H}_2\).
Халогеновање: Реакција фотохемијске слободнорадикалске супституције кроз 3 фазе: иницијација (\(\text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} 2\text{Cl}\cdot\)), пропагација (\(\text{R}\cdot + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{R}-\text{Cl} + \text{Cl}\cdot\)) и терминација (спајање два радикала).
Парафини (лат. parum affinis – слабог афинитета) је стари назив за алкане који указује на њихову слабу хемијску реактивност на собној температури.
Молекули алкана су неполарни, па се због тога не растварају у води (поларном растварачу), али се одлично растварају у неполарним органским растварачима. Течни алкани се често користе и сами као неполарни растварачи.
Слаба реактивност алкана последица је постојања веома јаких и готово неполарних простох ковалентних \(\text{C}-\text{C}\) и \(\text{C}-\text{H}\) (\(\sigma\)) веза, за чије је раскидање потребна знатна енергија.
Потпуно сагоревање: Одвија се уз довољно присуство кисеоника, при чему се сав угљеник оксидује до \(\text{CO}_2\) (угљеник(IV)-оксида) и настаје вода (\(\text{H}_2\text{O}\)) уз ослобађање велике количине топлоте.
\[ 2\text{C}_{n}\text{H}_{2n+2} + (3n+1)\text{O}_2 \longrightarrow 2n\text{CO}_2 + (2n+2)\text{H}_2\text{O} \] Општа једначина потпуног сагоревања алкана
Уколико нема довољно кисеоника или је молекулска маса алкана велика, сагоревање је непотпуно и као производи настају отровни угљеник(II)-оксид (\(\text{CO}\)) или чађ (\(\text{C}\)) уз воду.
Сагоревање бутана (\(\text{C}_4\text{H}_{10}\)):
  • Потпуно сагоревање: \(2\text{C}_4\text{H}_{10} + 13\text{O}_2 \longrightarrow 8\text{CO}_2 + 10\text{H}_2\text{O}\)
  • Непотпуно (настанак \(\text{CO}\)): \(2\text{C}_4\text{H}_{10} + 9\text{O}_2 \longrightarrow 8\text{CO} + 10\text{H}_2\text{O}\)
  • Непотпуно (настанак чађи): \(2\text{C}_4\text{H}_{10} + 5\text{O}_2 \longrightarrow 8\text{C} + 10\text{H}_2\text{O}\)
Написати једначину потпуног сагоревања метана.
\[ \text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \longrightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \]
Пиролиза (крековање) представља термичко разлагање молекула алкана на високој температури без присуства кисеоника.
Присуство кисеоника је строго искључено, јер би се у супротном десила реакција сагоревања, а не термичког разлагања.
Као производи пиролизе вишег алкана добијају се смеше алкана и алкена мање молекулске масе и елементарни водоник (\(\text{H}_2\)). Овај процес је кључан у индустријској преради нафте ради добијања квалитетнијих моторних горива.
Пиролиза етана и пропана: \[ \text{CH}_3-\text{CH}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{CH}_2=\text{CH}_2 + \text{H}_2 \] \[ \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_3 \xrightarrow{t^\circ} \begin{cases} \text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_3 + \text{H}_2 \\ \text{CH}_2=\text{CH}_2 + \text{CH}_4 \end{cases} \]
Халогеновање је реакција супституције (замене) у којој се атоми водоника у алкану постепено замењују атомима халогена (\(\text{Cl}_2\), \(\text{Br}_2\)) под дејством светлости (\(h\nu\)) или повишене температуре.
Реактивност халогена:
  • \(\text{F}_2\) – реагује експлозивно (веза \(\text{C}-\text{C}\) се цепа).
  • \(\text{Cl}_2\), \(\text{Br}_2\) – реагују умерено на светлости.
  • \(\text{I}_2\) – практично не реагује (ендотермна и спора реакција).
Поступно хлоровање метана: \[ \text{CH}_4 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{CH}_3\text{Cl} + \text{HCl} \quad (\text{хлорметан}) \] \[ \text{CH}_3\text{Cl} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{CH}_2\text{Cl}_2 + \text{HCl} \quad (\text{дихлорметан}) \] \[ \text{CH}_2\text{Cl}_2 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{CHCl}_3 + \text{HCl} \quad (\text{трихлорметан / хлороформ}) \] \[ \text{CHCl}_3 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{CCl}_4 + \text{HCl} \quad (\text{тетрахлорметан / угљен-тетрахлорид}) \]
Хлороформ (\(\text{CHCl}_3\)) и угљен-тетрахлорид (\(\text{CCl}_4\)) су значајни индустријски неполарни растварачи.

Реакција халогеновања је ланчана реакција која се одвија кроз три јасно дефинисане фазе:

Под дејством UV светлости долази до хомолитичког раскидања ковалентне везе у молекулу халогена, при чему настају два веома реактивна радикала са неспареним електроном: \[ \text{Cl}-\text{Cl} \xrightarrow{h\nu} \text{Cl}\cdot + \text{Cl}\cdot \]
Радикал реагује са стабилним молекулом дајући нови радикал и нови молекул. Ланац се самостално наставља: \[ \text{CH}_4 + \text{Cl}\cdot \longrightarrow \cdot\text{CH}_3 + \text{HCl} \] \[ \cdot\text{CH}_3 + \text{Cl}_2 \longrightarrow \text{CH}_3\text{Cl} + \text{Cl}\cdot \] \[ \text{CH}_3\text{Cl} + \text{Cl}\cdot \longrightarrow \cdot\text{CH}_2\text{Cl} + \text{HCl} \] \[ \cdot\text{CH}_2\text{Cl} + \text{Cl}_2 \longrightarrow \text{CH}_2\text{Cl}_2 + \text{Cl}\cdot \]
Сударом и спајањем било која два слободна радикала настаје стабилан молекул, чиме се троше радикали и прекида ланчана реакција: \[ \cdot\text{CH}_3 + \text{Cl}\cdot \longrightarrow \text{CH}_3\text{Cl} \] \[ \cdot\text{CH}_3 + \cdot\text{CH}_3 \longrightarrow \text{CH}_3-\text{CH}_3 \] \[ \cdot\text{CH}_2\text{Cl} + \text{Cl}\cdot \longrightarrow \text{CH}_2\text{Cl}_2 \]

Задаци за вежбање

Задатак 1 (лак): Написати једначину потпуног сагоревања пропана (\(\text{C}_3\text{H}_8\)).
При потпуном сагоревању настају \(\text{CO}_2\) и \(\text{H}_2\text{O}\): \[ \text{C}_3\text{H}_8 + 5\text{O}_2 \longrightarrow 3\text{CO}_2 + 4\text{H}_2\text{O} \]
Задатак 2 (средњи): Написати рационалне структурне формуле и називе свих могућих монохлор-деривата (структурних изомера) који настају фотохемијским хлоровањем \(n\)-бутана.
Хлор може заменити водоник на примарном (C1) или секундарном (C2) угљениковом атому:
  1. \(\text{CH}_2\text{Cl}-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3\) - 1-хлорбутан
  2. \(\text{CH}_3-\text{CH}(\text{Cl})-\text{CH}_2-\text{CH}_3\) - 2-хлорбутан
Дакле, настају 2 различита монохлор-изомера.
Задатак 3 (средњи): Који производи пиролизе могу настати раскидањем веза у молекулу пропана (\(\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_3\))?
При пиролизи пропана могућа су два правца разлагања:
1. Дехидрогенација (издвајање водоника): настају пропен и водоник \[ \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_3 + \text{H}_2 \] 2. Цепање \(\text{C}-\text{C}\) везе: настају етен и метан \[ \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{CH}_2=\text{CH}_2 + \text{CH}_4 \]
Задатак 4 (тежак): Колико се \(\text{dm}^3\) угљеник(IV)-оксида (при нормалним условима) и колико грама воде добија потпуним сагоревањем \(72\text{ g}\) пентана (\(\text{C}_5\text{H}_{12}\))? (\(M(\text{C}_5\text{H}_{12}) = 72\text{ g/mol}\), \(M(\text{H}_2\text{O}) = 18\text{ g/mol}\), \(V_m = 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol}\)).
Једначина реакције: \[ \text{C}_5\text{H}_{12} + 8\text{O}_2 \longrightarrow 5\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \] Количина пентана је: \[ n(\text{C}_5\text{H}_{12}) = \frac{m}{M} = \frac{72\text{ g}}{72\text{ g/mol}} = 1\text{ mol} \] Према стехиометријским односима:
  • \(n(\text{CO}_2) = 5 \cdot n(\text{C}_5\text{H}_{12}) = 5\text{ mol}\)
    \(V(\text{CO}_2) = 5\text{ mol} \cdot 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol} = \mathbf{112\text{ dm}^3}\)
  • \(n(\text{H}_2\text{O}) = 6 \cdot n(\text{C}_5\text{H}_{12}) = 6\text{ mol}\)
    \(m(\text{H}_2\text{O}) = 6\text{ mol} \cdot 18\text{ g/mol} = \mathbf{108\text{ g}}\)
Одговор: Настаје \(112\text{ dm}^3\) \(\text{CO}_2\) и \(108\text{ g}\) воде.

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: