UntitledWprowadzenie Przeczytaj Grafika interaktywna Sprawd si Dla
nauczyciela
Na skal przemysow eten otrzymuje si w wyniku rozpadu
termicznego alkanów, w procesie znanym pod nazw kraking
termiczny. W metodzie tej wglowodory s podgrzewane do
temperatury 750–950°C, w wyniku czego dugie acuchy wglowe
rozpadaj si na krótsze. Z powstaej mieszaniny eten oddziela si
przez destylacj frakcyjn. Czy to jedyny sposób, aby otrzyma
ten alken? W jaki sposób otrzyma inne alkeny? Jak sdzisz, czy
halogenopochodne alkanów mog zosta poddane reakcji eliminacji celem
otrzymania alkenów?
Twoje cele
Przemysowe metody otrzymywania etenu oparte s na krakingu dugich
acuchów wglowych alkanów. ródo: domena publiczna, dostpny w
internecie: pixabay.com.
Jak z alkanu otrzyma alken?
Metody otrzymywania alkenów z alkanów
Reakcje eliminacji
1. Halogenowanie alkanów w obecnoci wiata lub w podwyszonej
temperaturze i eliminacja czsteczki typu HX z halogenoalkanu
Alkeny mona otrzyma w wyniku cigu przemian zaprezentowanych na
schemacie poniej.
Otrzymywanie alkenów, gdzie X = Cl, Br lub I ródo: GroMar Sp. z
o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Przykad 1
Otrzymywanie etenu
Etap 1. Halogenowanie alkanów w obecnoci wiata (hν) lub
w podwyszonej temperaturze.
W pierwszym etapie, jako zwizek startowy, wykorzystywany jest
etan, który w reakcji z lub , w obecnoci wiata,
daje odpowiedni halogenoalkan. Reakcja przebiega zgodnie
z mechanizmem acuchowej substytucji rodnikowej.
ródo: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Etap 2. Reakcja eliminacji czsteczki typu HX
z halogenoalkanu
Cl
2
Br
2
javascript:void(0);
Reakcja eliminacji przebiega w obecnoci silnej zasady
w rodowisku alkoholu (najczciej etanolu) w podwyszonej
temperaturze. W przedstawionym równaniu reakcji czsteczka
chloroetanu traci chlorowodór ( ), w efekcie czego powstaje
alken. Chlorowodór reaguje z zasad tworzc sól - chlorek potasu
( ).
ródo: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Wane!
Ta sama reakcja prowadzona w temperaturze pokojowej,
w rodowisku wodnym bez obecnoci alkoholu prowadzi do
otrzymania etanolu.
2. Odwodornienie alkanów
Proces ten znany jest jako dehydrogenacja. Jest to proces odwrotny
do uwodornienia. Reakcja ta polega na usuniciu czsteczki wodoru
z alkanu (lub innej czsteczki organicznej). Jest to bardzo
przydatny sposób przeksztacania alkanów w alkeny.
Reakcja odwodornienia prowadzona jest w wysokiej temperaturze
(400600°C) i pod obnionym cinieniem. Katalizatory tej reakcji
to midzy innymi: , , . Z uwagi na cigy rozwój tej metody
otrzymywania alkenów oraz udoskonalanie procesu technologicznego,
liczba nowych katalizatorów nieustannie wzrasta.
Reakcja odwodornienia to reakcja równowagowa, dlatego równanie
reakcji zapisujemy z dwiema penymi strzakami skierowanymi
w przeciwne strony. Sugeruje to, e reakcja w zalenoci od
warunków moe przebiega w obu kierunkach. Z uwagi na fakt,
e liczba moli produktów jest wiksza ni substratów, niskie cinienie
zapewnia przesuwanie stanu równowagi chemicznej w kierunku
produktów.
Przykad 2
Odwodornienie alkanów o acuchach prostych, zawierajcych
w czsteczkach od 6 do 18 atomów wgla do odpowiednich
terminalnych alkenów
CH3-CH28-CH3←→katalizator, cinienie,
ogrzewanieH2+CH2=CH-CH27-CH3
Odwodornienie w obecnoci tlenku wgla(IV) Na podstawie
dostpnych danych literaturowych, otrzymywanie wglowodorów
nienasyconych na drodze odwodornienia alkanów w obecnoci CO ,
moe przebiega zgodnie ze schematem:
CnH2n+2+CO2←→cinienie, ogrzewanieCnH2n+CO ↑+H2O Gdzie:
C H – wzór ogólny alkanów C H – wzór ogólny alkenów
Przykad. Otrzymywanie but-1-enu CH3-CH2-CH2-CH3+CO2←→cinienie,
ogrzewanieCH3-CH2-CH=CH2+CO ↑+H2O
Wane!
n 2n
Alkany o acuchach wglowych duszych ni butan, w obecnoci
ulegaj przede wszystkim reakcjom krakingu.
Kraking
Podczas krakingu nastpuje rozerwanie wizania wgiel - wgiel, wskutek
czego z czsteczki alkanu (acuch zawierajcy co najmniej 4 atomy
wgla) powstaj dwie czsteczki - alkanu oraz alkenu. Rozerwanie
wizania moe zachodzi w rónym miejscu, std otrzymywane s
mieszaniny wglowodorów. Gówny produkt wyodrbniany jest
z mieszaniny produktów na drodze destylacji w obnionej
temperaturze i zwikszonym cinieniu.
1. Kraking termiczny
Jest to metoda przemysowa otrzymywania wielu alkenów, m.in etenu.
W procesie tym nastpuje rozkad termiczny alkanów, std nazwa
kraking termiczny. Krakingowi termicznemu poddaje si oleje cikie,
a reakcja przebiega pod zwikszonym cinieniem (27 MPa)
i w temperaturze 500 - 550°C.
ródem wglowodorów poddawanych krakingowi termicznemu jest czsto
frakcja nafty lub frakcja oleju napdowego z destylacji
frakcyjnej ropy naftowej.
Przykad 3
Otrzymywanie etenu
3. Kraking katalityczny
W metodzie tej stosowane s katalizatory (np. , ,
glinokrzemiany, zeolity), a reakcja prowadzona jest
w wysokiej temperaturze (450 - 510°C) i pod
zmniejszonym cinieniem . W wyniku krakingu katalitycznego
alkanów powstaj zarówno alkany, jak i alkeny. Na przebieg
i kierunek zachodzcych reakcji zasadniczy wpyw ma temperatura
i rodzaj uytego katalizatora. Std moliwe s dwie róne drogi
zajcia procesu i otrzymanie rónych mieszanin
wglowodorów.
ródo: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Sownik reakcja eliminacji
(ac. eliminare „usuwa”) proces polegajcy na oderwaniu od
ssiadujcych atomów wgla dwóch atomów lub grup atomów bez zastpienia
ich innymi podstawnikami, w wyniku czego ronie krotno wizania
lub powstaje zwizek cykliczny
wglowodory nienasycone
Al
2
O
3
Cr
2
O
3
javascript:void(0);
grupa zwizków zbudowanych wycznie z atomów wgla i atomów
wodoru, w czsteczkach których midzy atomami wgla wystpuje
jedno lub kilka wiza wielokrotnych (podwójnych lub
potrójnych)
substytucja
alkeny
nienasycone zwizki organiczne zbudowane z atomów wgla
i atomów wodoru, o wzorze ogólnym ; posiadaj
w swojej strukturze wizanie podwójne (w dowolnym miejscu
acucha)
kraking
(z ang. crack „pka”, „ama”) to proces, podczas którego na skutek
dziaania wysokiej temperatury (lub w obecnoci katalizatora)
nastpuje rozerwanie wizania wgiel - wgiel, wskutek czego
z czsteczki alkanu (acuch zawierajcy co najmniej 4 atomy wgla)
powstaj dwie czsteczki - alkanu oraz alkenu; rozerwanie wizania moe
zachodzi w rónym miejscu, std otrzymywane s mieszaniny
wglowodorów
Bibliografia Bhasin M. M., McCain J. H., Vora B. V., Imai T.,
Pujado P. R., Dehydrogenation and oxydehydrogenation of paraffins
to olefins, Applied Catalysis A: General 221 (2001) 397- 419
https://chem.libretexts.org/ data dostpu 20.02.2020
DudekRóycki K., Potek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz
nazewnictwa zwizków organicznych. Poradnik dla nauczycieli
i uczniów, Kraków 2020.
DudekRóycki K., Potek M., Wichur T., Wglowodory. Repetytorium
i zadania, Kraków 2020.
Encyklopedia PWN
Grzywa E., Molenda J., Technologia podstawowych syntez
organicznych. Tom I. Surowce do syntez, Warszawa 1995.
Morrison R. T., Boyd R. N., Chemia organiczna, t. 1, Warszawa
2010.
McMurry J., Chemia organiczna, cz. 2, Warszawa 2010.
Skrzyska E., Badanie aktywnoci katalizatorów wanadowych
w reakcji odwodornienia izobutanu do izobutenu w obecnoci
ditlenku wgla, praca doktorska, dostp:
https://repozytorium.biblos.pk.edu.pl/redo/resources/26579/file/suwFiles/SkrzynskaE_BadanieAktywnosci.pdf
C
n
H
2n
Grafika interaktywna
Polecenie 1
Czy wiesz, jaki cig przemian pozwoli na otrzymanie z alkanu
alkoholu, a nastpnie odpowiedniego alkenu? Czy mona otrzyma
alken, rezygnujc z jednego etapu? Zapoznaj si z grafik
interaktywn, która przedstawia cig reakcji na przykadzie
2metylopentanu, a nastpnie przejd do wykonania wiczenia
1.
1
2
3
4
5
3. 2-chloro-2-metylopentan
Model 3D zwizku:
Model 3D zwizku:
6. NaOH, alkohol Produkty uboczne: NaCl, H O
7. Al O , ogrzewanie; lub st. H SO , ogrzewanie; Produkt uboczny: H
O
8. 2-metylopent-2-en Wzór sumaryczny: C H
Model 3D zwizku:
Co to jest dehydrogenacja? Jakie katalizatory znajduj zastosowanie
w tym procesie? Zapoznaj si z grafik prezentujc
dehydrogenacj etylobenzenu, a nastpnie rozwi zadania nr 2
i 3.
1
2
3
4
1. Produkcja etenylobenzenu Procesy odwodornienia (dehydrogenacji)
s szeroko stosowane w produkcji zwizków aromatycznych
w przemyle petrochemicznym. Takie procesy s wysoce
endotermiczne i wymagaj temperatur sigajcych do 500°C
i wyszych.
Jedn z reakcji odwodornienia, stosowan na skal przemysow jest
produkcja etenylobenzenu przez odwodornienie etylobenzenu.
.
3. Tlenek chromu(III) Alkany takie jak pentan i 2-metylobutan
mona przeksztaci w pent-1-en i 2-metylobut-1-en stosujc
jako katalizator tlenek chromu(III) (Cr O ). Reakcj prowadzi si
w temperaturze 500°C.
Model 3D styrenu
niepodane reakcje zachodz w wysokiej temperaturze i prowadz do
koksowania i dezaktywacji katalizatora, co sprawia, e nieunikniona
jest jego czsta regeneracja;
podczas procesu zuywa si dua ilo ciepa, dlatego wymagane s wysokie
temperatury reakcji.
Synteza krótkoacuchowych olefin poprzez egzotermiczne selektywne
utlenianie etanu i propanu jest w rzeczywistoci uwaana za
potencjaln alternatyw dla tradycyjnej, wysoce energochonnej
pirolizy surowców wglowodorowych.
2 C2H6 + O2 → 2 C2H4 + 2 H2O
Cr O2 3
wiczenie 1
Napisz cig przemian, za pomoc których otrzymasz but-2-en. Jako
substratu wyjciowego uyj butanu. Nazwij produkty reakcji i nie
zapomnij o uwzgldnieniu warunków reakcji chemicznych.
Podczas okrelania nazw uyj symboli E lub Z.
Uwaga!
Zastanów si, czy w tej reakcji nie ma wicej produktów.
Odpowied zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjcie, a
nastpnie umie je w wyznaczonym polu.
wiczenie 2
Które zwizki chemiczne, wymienione poniej, mog suy do wspomagania
tlenku elaza(III) wykorzystywanego do katalitycznego odwodornienia
alkanów.
tlenek chromu(III)
tlenek potasu
wglan potasu
wglan chromu(III)
wiczenie 3
Okrel typ hybrydyzacji orbitali walencyjnych atomów wgla w
substracie i produkcie. Okrel liczb wszystkich wiza sigma i wiza pi
w butanie i but-2-enie.
Odpowied zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjcie, a
nastpnie umie je w wyznaczonym polu.
Sprawd si
Zaznacz rodowisko, w którym z powodzeniem uda si przeprowadzi
reakcj eliminacji czsteczki halogenowodoru z monohalogenopochodnej
alkanu.
cynk, alkohol
woda, sód
CH
3
–CH
2
–CH
2
–CH
2
–CH
2
−CH
3
pent-1-en lub pent-2-en
eten
cykloheksan
3-chloro-2-metylopentan. ródo: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC
BY-SA 3.0.
Ustal warunki reakcji, jakie naley uy w celu przeprowadzenia
przemian oznaczonych jako 1,2.
Odpowied zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjcie, a
nastpnie umie je w wyznaczonym polu.
pentan
1
→ 1-chloropentan
2
→ pent-1-en
wiczenie 6
Wybierz sporód odpowiedzi a-d ten zestaw, który poprawnie opisuje
typ reakcji 1 oraz 2.
pentan
1
→ 1-chloropentan
2
→ pent-1-en
wiczenie 7
Rozwi chemograf. W miejsce liter X, Y wpisz wzory póstrukturalne
odpowiednich zwizków.
ródo: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Odpowied zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjcie, a
nastpnie umie je w wyznaczonym polu.
wiczenie 8
Bromek alkilowy A w reakcji z KOH w etanolu daje (jako produkt
gówny) alken B.
Alken B reaguje z bromowodorem w obecnoci nadtlenków, dajc produkt
narysowany na schemacie.
ródo: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
1. Napisz schematy opisanych w zadaniu reakcji oraz podaj nazwy
zwizków A, B.
2. Podaj nazw systematyczn alkanu, którego naleaoby uy do
otrzymania zwizku A, jeeli reakcja byaby prowadzona w obecnoci
bromu i wiata.
Odpowied zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjcie, a
nastpnie umie je w wyznaczonym polu.
Przedmiot: chemia
Grupa docelowa: uczniowie III etapu edukacyjnego, liceum,
technikum, zakres rozszerzony; uczniowie III etapu
edukacyjnego – ksztacenie w zakresie rozszerzonym
Podstawa programowa:
Zakres rozszerzony
XIII. Wglowodory. Ucze:
5) planuje cig przemian pozwalajcych otrzyma np. alken
z alkanu (z udziaem fluorowcopochodnych wglowodorów); pisze
odpowiednie równania reakcji.
Ksztatowane kompetencje kluczowe:
Cele operacyjne
Ucze:
analizuje warunki reakcji niezbdne do otrzymywania alkenów
z alkanów; planuje cig reakcji pozwalajcych na otrzymanie
alkenów z alkanów i pisze odpowiednie równania reakcji;
rysuje oraz nazywa produkty powstae w wyniku reakcji
prowadzcych do alkenów.
Strategie nauczania:
Formy pracy:
rodki dydaktyczne:
Przebieg zaj
Faza wstpna:
1. Zaciekawienie i dyskusja. Nauczyciel wywietla okadk
emateriau, na której widoczny jest komin przemysowy, po czym zadaje
pytania ze wstpu do lekcji: „Czy wiecie, e na skal przemysow eten
mona otrzyma w wyniku rozpadu termicznego alkanów,
w procesie znanym pod nazw kraking termiczny”? W metodzie
tej wglowodory s podgrzewane do temperatury 750–950°C,
w wyniku czego due wglowodory rozpadaj si na mniejsze.
Z powstaej mieszaniny eten oddziela si przez destylacj
frakcyjn. Czy to jedyny sposób aby otrzyma ten alken? W jaki
sposób otrzyma inne alkeny? Czy halogenopochodne alkanów mog zosta
poddane reakcji eliminacji celem otrzymania alkenów?
2. Rozpoznawanie wiedzy wyjciowej uczniów. Uczniowie przypominaj na
czym polegaj najwaniejsze typy reakcji: substytucja, addycja,
eliminacja. Chtny ucze przypomina tre reguy Markownikowa oraz reguy
Zajcewa.
3. Ustalenie celów lekcji. Nauczyciel podaje temat zaj
i wspólnie z uczniami ustala cele lekcji, które
uczniowie zapisuj na kartkach i gromadz
w portfolio.
Faza realizacyjna:
1. Nauczyciel wywietla na tablicy multimedialnej równania reakcji
otrzymywania alkenów z alkanów (reakcja eliminacji –
otrzymywanie etenu; odwodornienie alkanu; kraking termiczny;
kraking katalityczny) z czci „przeczytaj” emateriau
i wspólnie z uczniami omawia przebieg reakcji
i warunki zachodzenia procesów.
2. Nauczyciel poleca uczniom prac w parach z grafik
interaktywn, w której analizuj warunki otrzymywania wybranego
alkenu z alkanu.
3. Nauczyciel zapowiada uczniom, e bd rozwizywa wiczenia nr 58
zawarte w emateriale w sekcji „sprawd si”. Uczniowie
wykonuj zadania w parach. Po ustalonym czasie wybrani
uczniowie przedstawiaj odpowiedzi, a pozostali uczniowie
wspólnie ustosunkowuj si do nich. Nauczyciel w razie potrzeby
koryguje odpowiedzi, dopowiada istotne informacje, udziela uczniom
informacji zwrotnej. Prowadzcy zapowiada uczniom, e w kolejnym
kroku bd rozwizywa wiczenia nr 1 i 4 z sekcji „Sprawd
si”. Kady z uczniów wykonuje wiczenia samodzielnie. Po
ustalonym czasie wybrani uczniowie przedstawiaj rozwizania.
Nauczyciel w razie potrzeby koryguje odpowiedzi, dopowiada
istotne informacje, udziela uczniom informacji zwrotnej.
Faza podsumowujca:
1. Uczniowie na planszy z narysowan bateri i zaznaczonymi
poziomami jej naadowania, np. co 510% zaznaczaj samoprzylepnymi
karteczkami w jakim stopniu opanowali zagadnienia wynikajce
z zamierzonych do osignicia celów lekcji. W przypadku,
gdy bateria nie jest naadowana w 100%, zastanawiaj si
w jaki sposób podnie swój poziom posiadanej wiedzy?
Praca domowa:
Uczniowie wykonuj pozostae wiczenia zawarte w emateriale –
„Sprawd si”, których nie zdyli wykona na lekcji.
Wskazówki metodyczne opisujce róne zastosowania multimedium:
Nauczyciel moe wykorzysta medium w sekcji „Grafika
interaktywna” do pracy przed lekcj. Uczniowie zapoznaj si
z jego treci i przygotowuj do pracy na zajciach
w ten sposób, eby móc samodzielnie rozwiza zadania
w temacie.
Materiay pomocnicze:
1. Nauczyciel przygotowuje plansz z narysowan bateri
i zaznaczonymi poziomami jej naadowania, np. co 510% do
oceny stopnia opanowania zagadnie oraz samoprzylepne karteczki
dla uczniów.
2. Podrczniki do dyspozycji na lekcji:
K. DudekRóycki , M. Potek, T. Wichur, Kompendium terminologii oraz
nazewnictwa zwizków organicznych. Poradnik dla nauczycieli
i uczniów, Kraków 2020. K. DudekRóycki , M. Potek, T. Wichur,
Wglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020. K. H.
Lautenschläger, W. Schröter, A. Wanninger, Nowoczesne kompendium
chemii, tum. A. Dworak, Warszawa 2014.