Тема 4. Теорія будови органічних сполук. Насичені вуглеводні

матеріал 9

Хімічні властивості алканів: повне і неповне окиснення. Розв’язування задач на обчислення за законом об’ємних відношень газів

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 57. Хімічні властивості алканів: повне і неповне окиснення. Розв’язування задач на обчислення за законом об’ємних відношень газів

Очікувані результати

оцінює самостійно або у співпраці з іншими надійність джерел і достовірність інформації в самостійно обраний спосіб [12 ПРО 2.1.1-2 П]
розрізняє самостійно або у співпраці з іншими наукове/псевдонаукове пояснення інформації природничого змісту [12 ПРО 2.1.1-3 П]
використовує самостійно або у співпраці з іншими здобуту інформацію для оцінювання природних і техногенних об’єктів, явищ і процесів, розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 2.1.1-6 П]
пояснює самостійно або у співпраці з іншими явища і процеси, використовуючи наукову термінологію, враховує під час планування структури повідомлення/ доповіді потреби і запити аудиторії [12 ПРО 2.2.1-1 П]
виявляє самостійно або у співпраці з іншими очевидну і приховану інформацію в медіаповідомленнях [12 ПРО 2.2.1-3 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими властивості об’єктів, істотні ознаки явищ і процесів, необхідні для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 3.1.1-2 П]
оцінює самостійно або у співпраці з іншими ризики і небезпеки, пов’язані із природними і техногенними об’єктами, явищами і процесами [12 ПРО 3.1.1-3 П]
установлює самостійно або у співпраці з іншими причиново-наслідкові зв’язки між певними явищами і процесами та їх наслідками [12 ПРО 3.3.1-1 П]
виявляє взаємозв’язки у природі, необхідні для розв’язання навчальної/життєвої проблеми [12 ПРО 3.3.1-2 П]
пояснює самостійно або у співпраці з іншими причини локальних, регіональних, глобальних проблем людства [12 ПРО 3.3.1-3 П]
оцінює самостійно або у співпраці з іншими вплив діяльності людини/власної діяльності на збереження/ порушення зв’язків у природі [12 ПРО 3.3.1-5 П]
розрізняє самостійно або у співпраці з іншими наукові факти, їх інтерпретації, судження [12 ПРО 4.1.1-1 П]

Мета уроку: навчитися розрізняти повне та неповне окиснення алканів, прогнозувати продукти даних реакцій, установлювати співвідношення між газами у рівняннях реакцій та розв’язувати розрахункові задачі із використанням закону об’ємних відношень газів, розуміти небезпеку неповного окиснення алканів для життя і здоров’я.

Очікувані результати для вчителя:

– надати розуміння про небезпеку неповного окиснення алканів для життя і здоров’я;
– оцінювати достовірність джерел інформації і наукового пояснення фактів і явищ;
– вміння прогнозувати продукти реакцій повного/неповного/часткового окиснення алканів;
– учні з’ясують зміст закону об’ємних відношень газів;
– учні навчаться розв’язувати задачі, використовуючи закон об’ємних відношень газів.

Очікувані результати для учнівства:

аналізую інформацію про неповне окиснення алканів і оцінюю її достовірність
записую рівняння реакцій повного та неповного окиснення алканів
установлюю співвідношення між газами за рівняннями реакцій
розв’язую розрахункові задачі із використанням закону об’ємних відношень газів,
розумію небезпеку неповного окиснення алканів для життя і здоров’я

План уроку

Мотивація (8 хв.).
Хімічні властивості алканів: повне і неповне окиснення (10 хв.).
Розв’язування задач на обчислення за законом об’ємних відношень газів (8 хв.).
Практикуємось (14 хв.).
Рефлексія (5 хв.).

1. Мотивація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 8 хв.

Розпочніть урок із обговорення новини, в якій би йшлося про отруєння чадним газом (можна відшукати інформацію у новинах вашої області). По-перше учні можуть оцінити достовірність і надійність джерела інформації, а по-друге наукову інтерпретацію даної події. Це сприятиме розвитку медіаграмотності та критичного мислення учнів.

Чадний газ як продукт неповного окиснення алканів потрапляє в легені людини, яка знаходиться, наприклад, в гаражі. У крові чадний газ зв’язується з гемоглобіном сильніше, ніж кисень. Гемоглобін – білок, що бере участь у транспортуванні кисню. CO блокує можливість гемоглобіну переносити кисень до мозку, серця та інших органів. Навіть невелика кількість CO швидко призводить до кисневого голодування (асфіксії), втрати свідомості та, без допомоги, до смерті.

Проаналізуйте новину із сайту: https://radiotrek.rv.ua/news/cholovik-u-rivnomu-led-ne-zaginuv-cherez-chadniy-gaz-u-garazh_341110.html (дата звернення: 15.11.2025)

У новині йдеться про отруєння чоловіка чадним газом під час прогрівання авто на холостому ході у зачиненому гаражі. Як ви міркуєте чи достовірна дана новина?

Чи відомо вам про подібні випадки отруєння чадним газом? Поміркуйте чи може подібне трапитися під час використання бензинового/дизельного генератору?

Чому саме чадний газ спричиняє отруєння організму (можете для пояснення скористатися додатковими джерелами інформації, наприклад https://moz.gov.ua/uk/u-chomu-nebezpeka-chadnogo-gazu-ta-jak-uberegtisja-vid-otruennja ).

Сьогодні на уроці, вивчаючи тему «Повне і неповне окиснення алканів», ми не просто запишемо дві хімічні реакції. Ми зрозуміємо, чому одна маленька зміна – нестача кисню – призводить до утворення смертельно небезпечної речовини, і як знання хімії можуть врятувати життя.

Джерело: Фото з мережі Інтернет, генератор розміщений на вулиці

2. Хімічні властивості алканів: повне і неповне окиснення.

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 10 хв.

Повне і часткове окиснення розрізняють на підставі характеристики – кількості кисню, що бере участь у процесі.

Розрізняють повне та неповне окиснення алканів. Як ви вважаєте на підставі якої характеристики розрізняють ці два види окиснення?

За нестачі кисню відбувається неповне окиснення, а за умови достатньої кількості кисню – повне окиснення.

Повне окиснення (або горіння) відбувається за умов достатньої кількості або надлишку кисню та високої температури. Це екзотермічна реакція, що супроводжується виділенням великої кількості теплоти і світла. Кінцевими продуктами завжди є вуглекислий газ (CO₂ ) та вода (H₂O).

Загальний вигляд реакції повного окиснення алканів:

(1) $\begin{equation*} C_n H_{2n+2} + \frac{3n + 1}{2} O_2 \to nCO_2 + (n + 1) H_2 O\end{equation*}$

Поясніть, що у даній реакції означає «n»?

Реакція повного окиснення метану:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Запишіть рівняння реакції горіння будь-якого представника алканів. Обміняйтеся зошитами із однокласниками і здійсніть взаємоперевірку написаного рівняння реакції.

Повне окиснення алканів має велике значення, адже використовується як основне джерело енергії (спалювання природного газу, бензину). Вищі алкани горять, виділяючи кіптяву.

Неповне окиснення відбувається, коли кисню недостатньо для повного згоряння вуглеводню. Це дуже небезпечний процес. Замість вуглекислого газу у таких реакціях утворюється чадний газ (CO) (або у крайніх випадках – сажа (C) та вода (H₂O).

Небезпека неповного окиснення полягає в утворенні сильної отрути, яка не має запаху та кольору – чадного газу. Це є небажаним побічним процесом при спалюванні палива. У промисловості сажа (технічний вуглець) використовується для виробництва гуми та фарб.

Реакції неповного окиснення метану:

2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O
CH₄ + O₂ → C + 2H₂O

Враховуючи, що коефіцієнти перед формулами речовин, що є газами, означають число об’ємів, зробіть висновок щодо співвідношення об’ємів метану та кисню у реакціях повного і неповного окиснення.

Розрізняють ще часткове окиснення алканів, що відбувається за наявності каталізаторів (зазвичай солей Mn²⁺), t≈200⁰C. Під час цього процесу утворюється суміш оксигеновмісних органічних сполук: спиртів, альдегідів, кетонів, карбонових кислот.

СН₄ + О₂ → СН₃ОН (метанол)
СН₄ + О₂ → СН₂О (метаналь)
СН₄ + О₂ → НСООН (метанова кислота)

Коефіцієнти за потреби доберіть самостійно.

3. Розв’язування задач на обчислення за законом об’ємних відношень газів.

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 8 хв.

Значна частина вуглеводнів за нормальних умов – це гази.

Пригадайте, які алкани є газами за н.у.

Метан, етан, пропан, бутан – це гази.

У газах, на відміну від твердих чи рідких речовин, відстань між молекулами дуже велика. Тому порції різних газів, що містять однакову кількість молекул, займають однаковий об’єм за незмінних тиску та температури.

На початку XIX ст. італійський фізик і хімік Амадео Авогадро, проводячи численні досліди з газами, сформулював закон, який назвали його іменем – закон Авогадро: рівні об’єми різних газів за однакових умов містять однакове число молекул.

Це означає, що в 1 л метану СН₄ міститься стільки ж молекул, скільки їх є в 1 л бутану чи в 1 л вуглекислого газу. За результатами дослідів Авогадро установив, що невеликі цілі числа, якими виражається відношення об’ємів газоподібних речовин, збігаються з коефіцієнтами перед формулами цих речовин у рівнянні реакції.

Ж.-Л. Гей-Люссак 1808 року сформулював закон об’ємних відношень газів: об’єми газів, що вступають у реакцію, а також утворюються в результаті реакції, відносяться як невеликі цілі числа (за умов незмінного тиску). Ці числа збігаються з коефіцієнтами в рівнянні реакції. Закон Гей-Люссака поширюється на всі газоподібні речовини (органічні та неорганічні).

На прикладі реакції повного окиснення метану розглянемо закон об’ємних відношень газів:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Як видно з рівняння, молекула метану реагує із двома молекулами кисню, утворюючи молекулу вуглекислого газу і дві молекули води.

Отже, можна стверджувати, що на згорання 1 моль метану потрібно 2 моль кисню. При цьому утвориться 1 моль карбон(IV) оксиду й 2 моль води. Тобто:

n(СН₄) : n(О₂) : n(СО₂) : n(Н₂О) = 1 : 2 : 1 : 2

Оскільки вода за температури горіння метану є газоподібною, то, зважаючи на закон об’ємних відношень газів, можна записати так:

V(CH₄) : V(O₂) : V(CO₂) : V(H₂O) = 1 : 2 : 1 : 2

Якщо необхідно здійснити перерахунок який об’єм кисню необхідний на повне окиснення метану об’ємом 5 л , то необхідно виконати такі дії:

V₂(O₂) = V₂(CH₄) * V₁(O₂) / V₁(CH₄) = 5*2 / 1 = 10 (л)

V₁– початковий об’єм (за рівнянням реакції); V₂ – кінцевий об’єм (який розраховуємо).

Або ж математично: на спалювання 1 об’єму метану необхідно 2 об’єми кисню, тобто на спалюванню метану об’ємом 5 л, кисню необхідно удвічі більше – 10 л.

4. Практикуємось.

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

Визначте невідомий вуглеводень у реакції:
- 2С_xH_y + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O

Назвіть вуглеводень. Вкажіть чи є дана реакція прикладом повного окиснення, чому? У яких співвідношеннях вступають у реакцію вуглеводень та кисень? Чи порушиться співвідношення між об’ємами газів, якщо всі коефіцієнти зменшити удвічі?

Відповідь:

Обчисліть і вкажіть об’єм кисню (н.у.), який витратиться на повне окиснення пропану, об’ємом 15 м³.

Відповідь:

С₄Н₁₀ – бутан. Повне окиснення, бо утворюється карбон(IV) оксид. Співвідношення V(С₄Н₁₀) : V(O₂) =2:13 = 1 : 6,5. Не порушиться.

Розрахунки проводимо за рівнянням реакції:

Співвідношення об’ємів V(С₃Н₈) : V(O₂) =1:5 Це означає, що на окиснення 1 м³ пропану потрібно 5 м³ кисню. Отже, на окиснення 15 м³ пропану необхідно у 5 разів більше кисню, 75 м³.

Укажіть число атомів Карбону в молекулі алкану, якщо на спалювання його зразка об’ємом 4 л витрачається кисень об’ємом 14 л.

Відповідь:

Рівняння повного окиснення алкану має вигляд:

(2) $\begin{equation*} C_n H_{2n+2} + \frac{3n + 1}{2} O_2 \to nCO_2 + (n + 1) H_2 O\end{equation*}$

Згідно із законом об’ємних співвідношень (для газів при однакових умовах, наприклад, н.у.), співвідношення об’ємів реагентів дорівнює співвідношенню їхніх стехіометричних коефіцієнтів у рівнянні:4

7 = 3n + 1

n = 2

Оскільки n – це число атомів Карбону в молекулі алкану, то молекулярна формула алкану: C₂H₆ (етан).

Який об’єм повітря необхідний для спалювання 100м³ суміші метану і пропану, об’ємна частка метану в якій 0,4.

Відповідь:

V(CH₄) = V(суміші) * φ(CH₄) = 100 м³ * 0,4 = 40 м³
V(C₃H₈) = V(суміші) * φ(C₃H₈) = 100 м³ * 0,6 = 60 м³

V₁(O₂) = 2 * V(CH₄) = 2 *40 м³ = 80 м³

V₂(O₂) = 5 * V(C₃H₈) = 5 *60 м³ = 300 м³

Загальний об’єм кисню: V_заг(O₂) = V₁(O₂) + V₂(O₂) = 80м³ + 300м³ = 380 м³

V(повітря) =380м³ / 0.21 = 1809,52м³

Вважаємо вміст кисню у повітрі 21%.

Рефлексія

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 5 хв.

«Продовжи речення»

Продовжіть кожне з наведених речень, щоб підсумувати ваші враження від уроку та засвоєний матеріал:

Сьогодні на уроці я зрозумів(ла), що найважливішим було…
Найбільше мене здивувало (або було найважчим)…
Тепер я можу використати свої нові знання, щоб…
Я б хотів(ла) дізнатися більше про…
Мій настрій після уроку… (можна описати словом або емоцією).

У вільний від відпочинку час

Який об’єм карбон(IV) оксиду та водяної пари утвориться під час спалювання метану об’ємом 10 м³.
При спалюванні 10 л метану у герметичному резервуарі, що містить 15 л кисню, відбулася реакція. Після завершення реакції та охолодження резервуару (до початкових умов) було встановлено, що частина метану не прореагувала, а об’єм газоподібних продуктів (без урахування водяної пари) склав 10 л. Всі об’єми виміряні за однакових умов. Проведіть стехіометричний розрахунок і доведіть чи можливе за даних умов повне окиснення. Виходячи з об’ємів реагентів та кінцевих продуктів, визначте, який продукт утворився CO чи CO₂. Запишіть рівняння реакції, що фактично відбулася.

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 57. Хімічні властивості алканів: повне і неповне окиснення. Розв’язування задач на обчислення за законом об’ємних відношень газів

Робочий аркуш учнівства

Очікувані результати

Очікувані результати для учнівства:

Я розумію відмінності між повним і неповним окисненням алканів.
Я записую рівняння реакцій повного та неповного окиснення алканів та установлюю співвідношення між газами за рівняннями реакцій.
Я розв’язую розрахункові задачі із використанням закону об’ємних відношень газів.
Я розумію небезпеку неповного окиснення алканів для життя і здоров’я, усвідомлюю правила використання побутового газу, бензинових/дизельних генераторів тощо.

План уроку

Мотивація (8 хв.).
Хімічні властивості алканів: повне і неповне окиснення (10 хв.).
Розв’язування задач на обчислення за законом об’ємних відношень газів (8 хв.).
Практикуємось (14 хв.).
Рефлексія (5 хв.).

1. Мотивація

Джерело: Фото з мережі Інтернет, генератор розміщений на вулиці

2. Хімічні властивості алканів: повне і неповне окиснення.

За нестачі кисню відбувається неповне окиснення, а за умови достатньої кількості кисню – повне окиснення.

Загальний вигляд реакції повного окиснення алканів:

(3) $\begin{equation*} C_n H_{2n+2} + \frac{3n + 1}{2} O_2 \to nCO_2 + (n + 1) H_2 O\end{equation*}$

Поясніть, що у даній реакції означає «n»?

Реакція повного окиснення метану:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Реакції неповного окиснення метану:

2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O
CH₄ + O₂ → C + 2H₂O

СН₄ + О₂ → СН₃ОН (метанол)
СН₄ + О₂ → СН₂О (метаналь)
СН₄ + О₂ → НСООН (метанова кислота)

Коефіцієнти за потреби доберіть самостійно.

3. Розв’язування задач на обчислення за законом об’ємних відношень газів.

Значна частина вуглеводнів за нормальних умов – це гази.

Пригадайте, які алкани є газами за н.у.

Метан, етан, пропан, бутан – це гази.

На прикладі реакції повного окиснення метану розглянемо закон об’ємних відношень газів:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

n(СН₄) : n(О₂) : n(СО₂) : n(Н₂О) = 1 : 2 : 1 : 2

V(CH₄) : V(O₂) : V(CO₂) : V(H₂O) = 1 : 2 : 1 : 2

V₂(O₂) = V₂(CH₄) * V₁(O₂) / V₁(CH₄) = 5*2 / 1 = 10 (л)

V₁– початковий об’єм (за рівнянням реакції); V₂ – кінцевий об’єм (який розраховуємо).

4. Практикуємось.

Визначте невідомий вуглеводень у реакції:
- 2С_xH_y + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O

Обчисліть і вкажіть об’єм кисню (н.у.), який витратиться на повне окиснення пропану, об’ємом 15 м³.

Укажіть число атомів Карбону в молекулі алкану, якщо на спалювання його зразка об’ємом 4 л витрачається кисень об’ємом 14 л.

Який об’єм повітря необхідний для спалювання 100м³ суміші метану і пропану, об’ємна частка метану в якій 0,4.

Рефлексія

«Продовжи речення»

Продовжіть кожне з наведених речень, щоб підсумувати ваші враження від уроку та засвоєний матеріал:

Сьогодні на уроці я зрозумів(ла), що найважливішим було…
Найбільше мене здивувало (або було найважчим)…
Тепер я можу використати свої нові знання, щоб…
Я б хотів(ла) дізнатися більше про…
Мій настрій після уроку… (можна описати словом або емоцією).

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

У вільний від відпочинку час

Який об’єм карбон(IV) оксиду та водяної пари утвориться під час спалювання метану об’ємом 10 м³.
При спалюванні 10 л метану у герметичному резервуарі, що містить 15 л кисню, відбулася реакція. Після завершення реакції та охолодження резервуару (до початкових умов) було встановлено, що частина метану не прореагувала, а об’єм газоподібних продуктів (без урахування водяної пари) склав 10 л. Всі об’єми виміряні за однакових умов. Проведіть стехіометричний розрахунок і доведіть чи можливе за даних умов повне окиснення. Виходячи з об’ємів реагентів та кінцевих продуктів, визначте, який продукт утворився CO чи CO₂. Запишіть рівняння реакції, що фактично відбулася.

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе