ORGAANILINE KEEMIA I osa

Transcript

1 ORGAANILINE KEEMIA I osa (Pildiallikas: ) 1. SISSEJUHATUS Orgaaniliseks keemiaks nimetatakse keemia haru, mis käsitleb orgaanilisi ühendeid ja tegeleb nende ehituse, omaduste, koostise, saamiisviiside ja reaktsoonide uurimisega. Varem käsitleti orgaanilist keemiat kui elusorganismidest pärnevate ainete keemiat. Siit tuleneski nimetus orgaaniline, sest suurem osa orgaanilistest ainetest on seotud elusorganismidega. Orgaanilised ühendid tekivad kas organismide elutegevuse käigus (rasvad, valgud) või on tekkinud organismide elutegevuse jääkidest (nafta, kivisüsi). Kõik orgaanilised ühendid sisaldavad süsinikku, mistõttu võib orgaanilist keemiat nimetada ka süsinikuühendite keemiaks. Erandiks on mõned süsinikuühendid, mida loetakse siiski anorgaaniliste ainete hulka, nagu näiteks süsinikoksiid ehk vingugaas (CO), süsinikdioksiid ehk süsihappegaas (CO2), süsihape (H2CO3), süsihappe soolad ehk karbonaadid (kaltsiumkarbonaat CaCO3), vesiniktsüaniidhape ehk sinihape (HCN) ja tema soolad ehk tsüaniidid jne. Peale süsiniku võib sageli orgaanilistes ühendites elementidest veel sisalduda vesinikku, hapnikku, lämmastikku, fosforit, väävlit ja halogeene. Keemia kui terviku seisukohalt on jaotus anorgaaniliseks ja orgaaniliseks keemiaks üsna mõttetu, kuid siiski süsinikuühendite tundmaõppimiseks on neid kergem vaadelda eraldi. Põhiline erinevus seisneb selles, et orgaaniliste ühendite arv ületab mitmekordselt anorgaaniliste ühendite hulga. Ligikaudu 95% kõigist tänapäeval tuntud ja valmistatud ainetest on süsinikuühendid. Teiseks põhjuseks eristamaks orgaanilisi ühendeid anorgaanilistest on see, et enamikes orgaanilistes ühendites on kovalentsed süsiniksüsinik või süsinik-vesinik sidemed. Selliste sidemetega ühendid on madala sulamis- ja keemistemperatuuriga, ei juhi soojust ja elektrit ja võivad kergesti oksüdeeruda. Kolmandaks põhjuseks orgaaniliste ühendite esiletoomiseks on nende seos kogu elava loodusega. Ilma süsinikuühenditeta ei oleks ka võimalik mingisugunegi elutegevus selle madalamatest vormidest kõrgemateni välja. Täpse ülevaate registreeritud ainete arvust annab rahvusvaheline keemia teabeteenistus (Chemical Abstract Service CAS) ja selle organistatsiooni infole tuginedes oli aasta lõpu seisuga kataloogis kirjas ligikaudu 27,3 miljonit ainet. 1

2 Kusjuures iga päev kantakse rahvusvahelise keemia teabeteenistuse kaloogi juurde umbes 4000 uut ainet. Kas need kõik ained ka praktikas kasutust leiavad, see on iseküsimus. Orgaaniline keemia on noor teadus, sest iseseisva teadusharuna tekkis see alles 19. sajandil. Orgaanilise keemia lätted aga ulatuvad kaugesse inimkonna kujunemise algusesse, sest tähtsamate orgaaniliste ainete ja nende töötlemisega hakkas inimene juba tol ajal kokku puutuma. Näiteks toidu valmistamine, loomanaha töötlemine, taimede seemnetest ja viljadest eeterlike õlide saamine, värvainete tootmine, marjadest veini kääritamine ja veinist äädika kääritamine on vaid mõned näited, mis on just kui mitte päris orgaaniline keemia, aga vähemalt orgaanilise keemia tehnoloogia, mida inimene õppis valdama väga ammu. Taime- ja loomariigi põhjalikum uurimine algas 18. sajandil, sest siis tunti juba rohkelt orgaanilisi aineid ja leiti ka sobivamad keemilised meetodid nende ainetega töötamiseks ja nende lähemaks uurimiseks. Sellest tulenevalt uute orgaaniliste ainete arv järjest kasvas, mistõttu tekkis vajadus eraldada nn taimsete ja loomsete ainete keemia iseseisvaks teadusharuks. Rootsi keemiku Jöns Jacob Berzeliuse ettepanekul hakati aastast alates orgaanilisi ühendeid käsitlevat keemiat nimetama orgaaniliseks keemiaks. Kaua aega pidurdas orgaanilise keemia arengut nn vitalismi ehk elujõu teooria. Tol ajal arvati, et orgaanilisi aineid laboratooriumis valmistada ei ole võimalik, sest need saavad moodustuda ainult elusorganismides salapärase elujõu (vis vitalis) toimel. Esimese löögi vitalismi teooriale andis saksa keemik Friedrich Wöhler, kes aastal sai endalegi ootamatult ammooniumtsüanaadi kuumutamisel karbamiidi ehk uurea ehk kusiaine. tº NH4OCN H2NCONH2 Karbamiid on valkude ainevahetuse lõppsaadus ja on selline ühend, mis moodustub maksas ning mille abil imetajad ja veel mõned loomad eritavad neerude kaudu organismist välja oma ainevahetuse jääklämmastikku. Seega sai Wöhler ametlikult esimesena anorgaanilistest ainetest orgaanilise aine, mis koheselt ei kõigutanud vitalismi teooria pooldajaid. 19. sajandi keskpaigast alates tuli üha rohkem teateid juurde üle kogu maailma uute orgaaniliste ühendite (äädikhappe, sipelghappe, etüülalkoholi, benseeni, suhkru, rasva, aniliini jne) sünteesimisest, mistõttu 19. sajandi lõpuks vitalismi teooria purustati lõplikult. Friedrich Wöhler ( ) (Pildiallikas: ) Tänapäeval on orgaanilisel keemial tähtis roll argielus, sest meid ümbritsevatest ainetest on just enamik orgaanilise päritoluga või tehisained, nagu näiteks toiduvärvid, riided, jalatsid, ravimid, mööbel, plastmassid, lõhkeained, kosmeetikatooted, ehitusmaterjalid, taimekaitsevanedid, tehiskiud, liimid, paber, mootorikütused, pesemisvahendid jne. Kasvanud ajalooliselt välja looduslike ühendite uuringutest, on orgaaniline keemia ja selle saavutused tänapäeval tunginud paljudesse teaduse ja tehnoloogia harudesse, nagu näiteks bio- ja geenitehnoloogiad, nanotehnoloogia jne. Kogu kaasaegne biomeditsiin on mõeldamatu ilma orgaanilise keemiata, sest praktiliselt kõigi uute ravimite toimeained on orgaanilised ühendid. 2

3 2. SÜSINIKU ERILISUS Põhimõtteliselt on võimalike süsinikuühendite arv lõpmata suur. Selle põhjuseks on süsiniku võime moodustada tohutult pikki ahelaid, mis võivad olla: a) lineaarsed - süsiniku aatom ahelas on seotud vaid kahe naaberaatomiga (v.a molekulis olevad äärmised aatomid) b) hargnenud - mõni ahelas olev süsiniku aatom on seotud kolme või nelja süsiniku aatomiga. Nimetuses kasutatakse eesliidet: isoc) tsüklilised ehk suletud ehk kinnised - liikudes ahelas mööda süsinikuaatomeid jõuab taas esimese süsinikuni. Nimetuses kasutatakse eesliidet: tsüklo- Lisaks võivad süsinikud olla ahelas seotud teiste elementidega. Ka teised elemendid võivad moodustada ahelaid, kuid selliste ahelate püsivus ei ole suur. LINEAARNE ehk HARGNEMATA AHEL Näiteks: HARGNENUD AHEL Näiteks: TSÜKLILINE AHEL Näiteks: Lihtsuse huvides kujutatakse süsnikuaatomeid tasapinnal nii, nagu oleksid kõik sidemetevahelised nurgad täisnurgad. Tegelikult on aga süsiniku aatomis sidemete vaheline nurk 109,5 º, mistõttu kolme või enama süsiniku aatomiga ahel paistab juba siksakilisena. Süsiniku omadus moodustada väga pikki püsivaid süsinik-süsinik sidemeid sisaldavaid ahelaid on tingitud tema aatomi ehituse eripärast. Vabas olekus süsiniku aatomi kuus elektroni on jaotunud kahe elektronkihi vahel. Nagu kõrval olevalt jooniselt näha, on süsiniku aatomil normaalolekus kaks paardumata elektroni, mille arvel ta saaks moodustada kaks kovalentset sidet. Selline elektronide jaotus orbitaalidel on vaid üksikul isoleeritud süsiniku aatomil. 3

4 Kui aatomi väliselektronikihis on vabu ehk vakantseid elektrone, siis saab neid välisenergia arvel kergelt üle viia vabadele orbitaalidele. Seda protsessi nimetatakse ergastamiseks. Seega ergastumise tulemusena ja keemilitse sidemete moodustumisel toimub elektronide ümberpaigutumine ja üleminek teistele orbitaalidele. Süsiniku aatom ergastub kergelt, mille tõttu elektronpaarist 2s liigub üks elektron üle vabale 2p orbitaalile. Selle tulemusena teise kihi s- ja p-orbitaalide elektronide energia võrdsustub (hübridisatsioon) ja välisele elektronkihile moodustub neli paardumata elektroni, mille arvel saab süsinik moodustada teiste elementidega neli kovalentset sidet nagu kõrval olevalt jooniselt näha on. Kõige püsivamas olekus ehk ühendis ongi süsiniku elektronid paigutunud just nii. Selline süsiniku aatomi elektroide paigutus on stabiilses olekus võimalik ainult sel juhul, kui kõik tema teise kihi orbitaalid on elektronidega täidetud teiste aatomite elektronide osavõtul. Kuigi elektrone ei saa eristada, siis selguse huvides on kõrvaloleval joonisel teise elemendi elektronid süsiniku elektronidest tähistatud veidi pikemate nooltega. Nüüd asub süsiniku aatomi teisel elektonkihil väga püsiv kaheksast elektronist koosnev elektronoktett nagu on näiteks neoonil. Kõik süsiniku teise kihi elektronid on seotud sidemetesse, millest ongi tingitud süsiniku eripära põhjus. Räni aatomi ehitus on sarnane süsiniku aatomi ehitusega ja ergastumise tulemusena moodustub ka temal väliskihile neli paardumata elektroni. Kuid ränil on süsinikuga võrreldes juures d- orbitaal, mis jääb isegi peale ergastumist ikkagi elektronidest tühjaks. Püsivuse saavutamiseks oleks ränil vaja krüptooni 18- elektronilist väliskihti. Seepärast ka ei ole Si-Si-Si ahelad püsivad ning räni ühenditele on rohkem iseloomulikumad räni-hapnik ahel Si-O-Si-O. Nendes ahelates aitavad hapniku elektronid räni tühje d- orbitaale osaliselt täita ja sellega sideme stabiilsust tõsta. Ahelate suure püsivuse ja stabiilsuse tõttu ongi süsinik kõige sobivam element suurte molekulide ehitamiseks ja sel põhjusel on ka kogu elu oma mitmekesisuses rajatud just süsiniku keemiale. 3. SÜSINIKU, LÄMMASTIKU, HAPNIKU JA VESINIKU VALETSOLEKUD Valents on aatomi omadus moodustada aatomite vahele ühiseid elektronpaare, mille tulemusel saab võimalikuks keemiliste sidemete teke teiste aatomitega. Valents on seega keemiliste sidemete ehk ühiste elektronpaaride arv, mida antud aatom saab moodustada. 3.1 SÜSINIKU VALENTSOLEKUD Ergastatud süsiniku aatomi on välisel elektronkihil on 4 paardumata elektroni. Seega saab süsiniku aatom moodustada ühendites 4 kovalentset sidet. Sellest tulenevalt on süsinikul ka neli erinevat valentsolekut, mis on jaotuvad järgmiselt: a) 4 üksiksidet Näiteks: metaan 4

5 b) 2 üksiksidet ja 1 kaksikside Näiteks: eteen c) 1 kolmikside ja 3 üksiksidet Näiteks: etüün d) 2 kaksiksidet Näiteks: süsinikdioksiid 3.2 LÄMMASTIKU VALENTSOLEKUD Lämmastiku aatomi on välisel elektronkihil 5 elektroni ja neist 3 on paardumata elektroni. Seega saab lämmastiku aatom moodustada ühendites 3 kovalentset sidet. Sellest tulenevalt on lämmastikul ka kolm erinevat valentsolekut, mis on jaotuvad järgmiselt: a) 3 üksiksidet Näiteks: ammoniaak b) 1 üksikside ja 1 kaksikside Näiteks: püridiin c) 3 üksiksidet Näiteks: molekulaarne lämmastik 5

6 3.3 HAPNIKU VALENTSOLEKUD Hapniku aatomi on välisel elektronkihil on 6 elektroni ja neist 2 on paardumata elektroni. Seega saab hapniku aatom moodustada ühendites 2 kovalentset sidet. Sellest tulenevalt on hapnikul ka kaks erinevat valentsolekut, mis on jaotuvad järgmiselt: a) 2 üksiksidet Näiteks: vesi b) 1 kaksikside Näiteks: molekulaarne hapnik 3.4 VESINIKU VALENTSOLEK Vesiniku aatomil on üks elektronkiht, milles asub üks elektron. Viimane on ühtlasi ka väliselektroniks, millest järeldub, et vesinik saab moodustada ühendites ainult ühe kovalentse üksiksideme. 1 üksikside Näiteks: etaan 4. ORGAANILISES KEEMIAS KASUTATAVAD VALEMID Molekulide ehitust väljendatakse valemite abil.. See näitab, millistest keemilistest elementidest aine koosneb ja milline on koostiselementide arvuline vahekord aines. Valemeid on mitmeid liike: a) Summaarne ehk molekulvalem väljendab aine koostist ja näitab, millised aatomid ja kui palju neid molekulis sisaldub. b) Klassikaline ehk tasapinnaline struktuurvalem näitab millised aatomid ja milliste sidemetega on nad omavahel seotud. Selles kujutatakse kõiki sidemeid kriipsukestena. c) Lihtsustatud ehk lühendatud struktuurivalem näitab, millised aatomite rühmad omavahel seotud on, kuid selles valemis võetakse süsiniku juurde kuuluvad aatomid või aatomite rühmad kokku. Suurima täpsuse huvides võidakse välja tuua siin mõnikord üksikud olulisemad sidemed. See valem on üks levinuimaid ja ka mugavamaid orgaaniliste ühendite tähistusviise. d) Ruumiline struktuurivalem püüab anda ettekujutuse molekuli ruumilisest ehitusest. Selles valemis tähistavad pidevad jooned sidemeid, mis asuvad paberi tasandil. Mustad ettepoole laienevad nooled näitavad sidet, mis ulatub paberi tasandist meie suunas. Viirutatud või punktiiriga tähistatud jooned näitavad sidet, mis jäävad paberi tasandist tahapoole. e) Nurkvalem ehk molekuli graafiline kujutis selles valemis lähtutakse süsinikuahela projektsioonist tasandile. Molekuli graafilises kujutises tähistab sirglõik, kaks sirglõiku või kolm sirglõiku vastavalt kas ühekordset, kahekordset või kolmekordset sidet kahe aatomi vahel. Süsinikke eraldi ei märgita, 6

7 sest kriipsu ots või murdekoht tähistabki süsiniku aatomit. Samuti ei märgita süsiniku aatomiga seotud vesinike aatomeid. Need mõeldakse juurde vastavalt süsiniku sidemete arvule. Ülejäänud elemendid või aatomiterühmad tähistatakse keemiliste sümbolitega. ERINEVATE TÄHISTUSVIISIDE VÕRDLUS VALEMI LIIK ETANOOL 2-METÜÜLPROPAAN Molekulvalem C2H6O C4H10 Klassikaline struktuurivalem Lihtsustatud struktuurivalem Ruumiline struktuurivalem CH3-CH2-OH CH3-CH2(CH3)-CH3 Nurkvalem Molekuli mudel (sinised on süsiniku, valged vesiniku aatomid ja punane hapniku aatom) 7

8 5. ORGAANILISTE JA ANORGAANILISTE ÜHENDITE VÕRDLUS Omadus Orgaanilised ühendid Anorgaanilised ühendid Keemilise sideme tüüp Peamiselt kovalentne side Peamiselt iooniline side Sulamis- ja Peamiselt madalad sulamis- ja Peamiselt kõrged sulamis- ja keemistemperatuurid keemistemperatuurid (vastavalt keemistemperatuurid (vastavalt alla 350 ºC ja 750 ºC) üle 350 ºC ja 750 ºC) Elektrijuhtivus Halb elektrijuhtivus Hea elektrijuhtivus (mitteelektrolüüdid) (elektrolüüdid) Lahustuvus vees Peamiselt vees halvasti Peamiselt vees hästi lahustuvad lahustuvad Lahustuvus Peamiselt mittepolaarsetes Peamiselt mittepolaarsetes mittepolaarsetes ühendites hästi lahustuvad ühendites halvasti lahustuvad ühendites (benseen, etanool jt) Süttivus Kergelt süttivad Halvasti süttivad 6. SÜSINIKUÜHENDITE REDOKSOMADUSED Süsiniku aatomi oksüdatsiooniaste võib olla vahemikus IV kuni +IV. Näiteks metaanis CH4 on süsiniku oksüdatsiooniaste IV ehk kõige madalam. Seega keemilistes reaktsioonides saab metaani süsiniku oksüdatsooniaste minna ainult suuremaks ja seal olev süsinik saab käituda ainult redutseerijana (loovutades elektrone). Süsinikdioksiidis CO2 ja tetraklorometaanis CCl4 on süsiniku oksüdatsiooniaste +IV ehk kõige kõrgem. Seega keemilistes reaktsioonides saavad nendes sisalduvate süsiniku aatomite oksüdatsooniastmed ainult väheneda ning seal olev süsinik saab käituda ainult oksüdeerijana (liites elektrone). Maksimaalse oksüdatsiooniastme tõttu CO2 ja CCl4 oksüdeeruda ja ühtlasi ka põleda ei saa, mistõttu neid saab edukalt kasutada tulekustutusvahendites. Kõik süsinikuühendid, milles süsiniku oksüdatsiooniaste on suurem kui IV ja väiksem kui +IV, võivad käituda nii oksüdeerijatena kui ka redutseerijatena. Seega võib väita, et enamik orgaanilisi aineid võivad oksüdeeruda ja redutseeruda. Tavaliselt on orgaaniliste ainete molekulide koostises mitu süsiniku aatomit ning neil võivad olla ka erinevad oksüdatsiooniastmed. Süsiniku oksüdatsiooniastme väärtused võivad olla peale täisarvude ka murdarvulised või isegi null. Süsiniku keskmine oksüdatsiooniaste ühendis leitakse arvutuslikult molekulvalemi põhjal, lähtudes sellest, et kõikide aatomite oksüdatsiooniastmete summa liitaines on null. Näited: 8

9 Kui soovitakse teada saada eraldi iga süsiniku oksüdatsiooniastet ühendis, siis need väärtused leitakse struktuurivalemi järgi. Siin on abiks järgmised reeglid: 1) Iga side C ja H aatomi vahel (C-H) annab süsiniku oksüdatsiooniastmele -1. 2) Iga side C ja O aatomi vahel (C-O) annab süsiniku oksüdatsiooniastmele +1. Sama kehtib ka teiste elektronegatiivsemate elementidega nagu näiteks C-N, C-Br jne. 3) Süsinike aatomite vahelised sidemed (C-C) annavad oksüdatsiooniastmele O ehk oksüdatsiooniastet ei mõjuta. Näited: Kui ühendis on kõikide süsinike oksüdatsiooniastmed teada, saab sel viisil oletada, missugused süsiniku aatomid redoksreaktsioonidel osalevad. Süsiniku oksüdatsiooniastmete väärtuse alusel saab kindlaks teha, milliste ühendite oksüdeerumisel eraldub rohkem energiat. Mida madalam on süsiniku oksüdatsiooniaste, seda rohkem eraldub selle oksüdeerumisel energiat. Energiaga on seotud nii kütte- kui ka toiteväärtus. Näiteks sisaldab looduslik gaas põhiliselt metaani. Kuna metaanis ongi süsinikul kõige madalam oksüdatsiooniaste, siis tema oksüdeerumisel eraldub ohtralt energiat. Sel põhjusel peetaksegi looduslikku gaasi oma kõrge kütteväärtuse tõttu väärtuslikuks kütuseks. Ka soodes pinnale tõusvad väikesed mullikesed sisaldavad põhiliselt metaani. (Pildiallikas: ) Kui võrrelda rasvu ja süsivesikuid, siis rasvades on süsiniku keskmine oksüdatsiooniaste -2 ja süsivesikutes 0. Rasvades on süsiniku keskmine oksüdatsiooniaste süsivesikute omast madalam, mistõttu eraldavad nad oksüdeerumisel hulga rohkem energiat kui süsivesikud. Sel põhjusel ongi rasvad süsivesikutest palju energiarikkamad toitained. 9

10 Rasvased toidud on väga energiarikkad, mistõttu ei tohi nende tarbimisega liialdada. (Pildiallikas: 7. ORGAANILISTE AINETE OKSÜDEERUMINE Orgaanilistes ainetes (välja arvatud tetraklorometaan ja freoonid) on maksimaalne süsiniku oksüdatsiooniaste +III. Seega võivad enamik orgaanilisi aineid oksüdeeruda ning oksüdatsiooniprotsessidel eraldada energiat, mis teeb neist tähtsad energiaallikad. Energia eraldumise tõttu on orgaaniliste ainete oksüdatsiooniprotsessid eksotermilised. Oksüdatsioonil vabanenud energiat kasutatakse looduses organismide elutegevuses, aga ka inimtegevuses masinate käivitamiseks. Kõige tavalisemaks oksüdeerijaks oksüdatsioonireaktsioonidel on molekulaarne hapnik. Lisaks viimasele võivad olla oksüdeerijateks ka hapnikurikkad anorgaanilised ained, nagu näiteks nitraadid, permanganaadid, kloraadid jt. Kõik oksüdatsiooniprotsessid võivad kulgeda erineva kiirusega. Aeglasteks protsessideks võib pidada näiteks värvide pleekumist, roostetamist, toiduainete riknemist õhu käes, maavarade (nafta, maagaasi, põlevkivi jt) tekkimist. Ka elusorganismides ensüümide vahendusel toimuvaid oksüdatsiooniprotsesse (kaasa arvatud hingamine) võib pidada aeglasteks. Veini valmistamine mahladest nende kääritamise tulemusena on samuti näide aeglasest oksüdatsioonist. (Pildiallikas: ) Kiireteks oksüdatsiooniprotsessideks on põlemine ja plahvatus. Põlemise puhul eristatakse täielikku ja mittetäielikku põlemist. Täielik põlemine toimub keskkonnas, kus hapnikku on piisavalt. Täieliku põlemise saadused on alati süsinikdioksiid ja vesi. Mittetäielikult põlevad ained siis, kui hapnikku on vähe. Mittetäieliku põlemise saadusteks on süsinikdioksiid, vesi ja muud ained (vingugaas-co, tahm-c jt). 10

11 Reeglina põlevad õhus mittetäielikumalt sellised orgaanilised ained, milles on suur süsinikusisaldus võrreldes vesinikusisaldusega. Tavaliselt reedab mittetäielikku põlemist tahmav leek, kuna hapniku vaeguse tõttu ei suuda kõik söeosakesed leegis ära põleda ja eralduvad tahmana. Plahvatus on põlemise eriliik, kus põlemine toimub ülisuure kiirusega. Plahvatuse tulemusena järsult vabanev energia tekitab järsu temperatuuri tõusu, kõrge rõhu ja lööklaine. Lööklaine tõttu ongi plahvatusel purustav toime. Plahvatavaid segusid koos õhuga võivad anda näiteks mitmed gaasilised või aurustunud orgaanilised ained. Seega on paljud orgaanilised ained väga tuleja plahvatusohtlikud. Bensiini plahvatus (Pildiallikas: ) Samas on tähtis teada ka plahvatava aine kui ka õhu hulga mahulisi alam- ja ülempiire. Sellest piirist allpool ja ülevalpool plahvatust enam ei toimu.. Süsiniku aatomite arvu kasvades plahvatusohtliku segu alumine usalduspiir langeb veelgi. Metaani alumine ja ülemine usalduspiir on vastavalt 5 ja 15 %. Kodudes kasutataval vedelgaasil ehk baloongaasil (propaani ja butaani segu) on vastavad piirid 1,9 ja 9 %. Süsivesinikest üheks ohtlikumaks aineks peetakse etüüni, kuna see võib plahvatada juba siis, kui õhus sisaldub seda 2-95 %. Samuti võib tekkida plahvatusohtlikke olukordi, kui õhku on sattunud bensiiniaure, eetrit jt. Kõik orgaanilised ained põlevad ainult gaasilises faasis ehk aurustunud olekus, kui nad on segunenud hapniku või õhuga. Seega tahkes või vedelas olekus orgaanilised ained ei põle, vaid põlevad nende kohal olevad aurud. Põlemis- või plahvatusprotsessi algatamiseks on vajalik süütamine. Plahvatuse esilekutsumiseks piisab süütamise asemel vahel isegi väikesest sädemest, mis võib tekkida elektriseadmete sisselülitamisel või metallesemete järsul kokkupõrkel. Seepärast võib veel tänapäevalgi esineda rangetele turvameetmetele vaatamata plahvatusi endiselt kaevandustes, nafta puurimisel, kütusetanklates jne. Siiski kaasajal gaasilekke kiiremaks avastamiseks nii võrgu- kui ka balloonigaasid lõhnastatakse. Mida kergemini aine aurustub, seda kergem on teda süüdata ja seda efektiivsemalt ta põleb. Kui aine on põlema süüdatud, siis edasi on kõrge temperatuur juba iseenesest tagatud oksüdeerumisel eralduva soojusega. Kui aga aine ei aurustu, siis peab teda põlema minemiseks lagundama nii kaua, et temast tekiksid lenduvad ja põlevad ained. Sellisel juhul koosneb protsess kahest osast: pürolüüsist (lagundamisest) ja oksüdeerumisest (reaalsest põlemisest). Pürolüüsi ja selle eriliike (krakkimist ja utmist) tutvustatakse lähemalt alkaanide keemiliste omaduste all. 8. ORGAANILISTE ÜHENDITE LIIGITUS Orgaanilisi ühendeid võib liigitada süsinikuahela ehituse, sideme kordsuse või funktsionaalrühmade alusel. Käsitledes süsivesinikke (süsiniku ja vesiniku ühendeid) on süsinikuahela ehituse alusel võimalik liigitada neid kas atsüklilisteks (alifaatseteks) või tsüklilisteks. Atsüklilised on need süsivesinikud, kus puuduvad tsüklid. Tsüklilisteks ühenditeks on need süsivesinikud, mis sisaldavad süsinikuahelas ühte või mitut tsüklit. 11

12 Sideme kordsuse alusel võib süsivesinikke liigitada kas küllastunud ja küllastumata ühenditeks. Küllastunud süsivesinikud on orgaanilised ühendid, milles süsinike aatomite vahel on kovalentsed üksiksidemed. Küllastumata süsivesinikeks nimetatakse orgaanilisi ühendeid, kus süsinike aatomite vahel on kordsed ehk kovalentsed kaksik- või kolmiksidemed. Orgaanilise ühendi unikaalsed omadused ei sõltu mitte ainult selle süsinikuahelast, vaid ka vesiniku aatomi või vesiniku aatomite asemel ahela külge kinnitunud erinevatest aatomitest või aatomirühmadest. Viimaseid nimetatakse funktsionaalseteks rühmadeks. Funktsionaalne rühm ehk tunnusrühm on aatomit (halogeenid, hapnik, lämmastik) või aatomeid sisaldav rühm süsinikuahela küljes, mis määrab ära aineklassi ja annab talle iseloomulikud omadused. Tuntumatest funktsionaalrühmadest annab ülevaate järgnev tabel: AINE KLASS FUNKTSIONAALNE ÜLDVALEM ESINDAJA RÜHM Halogeeniühendid halogeenirühm R-Hal (-F, -Cl, -Br, -I) CH3Cl klorometaan ehk metüülkloriid, C6H5Br - bromobenseen Alkoholid hüdroksüülrühm R-OH CH3CH2OHetanool ehk etaan-1-ool Fenoolid hüdroksüülrühm Ar-OH C6H5OH fenool Eetrid alkoksürühm R-O-R` CH3OCH3 - dimetüüleeter Aldehüüdid aldehüüdrühm R- CHO HCHO - metanaal 12

13 Ketoonid karbonüülrühm R- CO- R` CH3COCH3 propanoon ehk propaan-2-oon Karboksüülhapped karboksüülrühm R COOH CH3COOH - etaanhape Estrid estrirühm R COO R` CH3COOCH3 - metüületanaat Amiidid Amiidirühm R CO NH2 CH3CONH2 - metaanamiid Amiinid aminorühm R NH2; R NH R`; R N R` R`` CH3NH2- metüülamiin, CH3NHCH3 ehk NH(CH3)2 dimetüülamiin, N(CH3)3 - trimetüülamiin Nitroühend nitrorühm R NO2 CH3NO2 - nitrometaan R süsivesinik- ehk alküülrühm, Ar - fenüülrühm Ühendeid, mis sisaldavad ainult üht liiki funktsionaalrühmi, nimetatakse ühefunktsionaalseteks. Kui ühe ja sama süsinikuühendi molekulis on vesiniku aatomid asendatud erinevate funktsionaalsete rühmadega, siis nimetatakse niisuguseid ühendeid mitmefunktsionaalseteks ehk polüfunktsionaalseteks ühenditeks. Polüfunktsionaalseteks ühenditeks on näiteks aminohapped ja sahhariidid. 9. SÜSIVESINIKUD Süsivesinikud on orgaanilised ühendid, mis koosnevad süsiniku ja vesiniku aatomitest. Süsivesikke võib liigitada atsüklilisteks ja tsüklilisteks, hargnemata ja hargnenud ahelaga või sideme kordsustest lähtuvalt kas küllastunud ja küllastmata süsivesinikeks. Küllastunud süsivesinikes on aatomite vahel vaid üksiksidemed ja selliseid süsivesinikke nimetatakse alkaanideks. Vastavaid tsüklilisi ühendeid tsükloalkaanideks. 13

14 Küllastumata süsivesinikes on süsiniku aatomite vahel kordsed sidemed. Kui süsiniku aatomite vahel on kaksikside, siis nimetatakse neid üheneid alkeenideks ja vastavaid tsüklilisi ühendeid tsükloalkeenideks. Kui süsiniku aatomite vahel on kolmikside, siis nimetatakse neid ühendeid alküünideks ja vastavaid tsüklilisi ühendeid tsükloalküünideks. Omaette tsükliliste süsivesinike liigi moodustavad kuuest süsiniku aatomist koosnevaid tsükleid sisaldavad ained. Nendes on tsüklis süsiniku aatomite vahel vaheldumisi üksik- ja kaksiksidemed. Selliseid ühendeid nimetatakse aromaatseteks süsivesinikeks ehk areenideks. 9.1 ALKAANID Alkaanideks nimetatakse küllastunud süsivesinikke, mis sisaldavad süsiniku aatomite vahel kovalentseid üksiksidemeid. Alkaanide nimetuse tunnuseks on lõpuliide AAN. Alkaanide üldvalem on CnH2n NIMETUSTE ANDMINE ja HOMOLOOGILINE RIDA Orgaanilistel ainetel on kahte liiki nimetusi. Käibelolevad tavanimetused ehk triviaalsed nimetused on pandud ainetele kas nende päritolu, saamisallikka (maagaas, soogaas, sipelghape, sidrunhape, äädkhape), mõne omaduse (jää-äädikhape) või tehnilise rakenduse järgi. Triviaalsed nimetused aga ei anna teavet molekuli koostise, ehituse ja omaduste kohta. Seepärast kasutatakse keemias teaduslike nimetuste süsteemi ehk aine struktuuri ja nimetust siduvate reeglite kogumit, mida nimetatakse nomeklatuuriks. Metaanhappe triviaalne nimetus sipelghape tuleneb tema leidumisest sipelgates (Pildiallikas: ) Enamik maailma keemikuid on tunnustanud ja kasutusele võtnud nn Rahvusvahelise Puhta Keemia ja Rakenduskeemia Liidu (International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC) nomenklatuuri. Eesti keelele sobiva keemia nomenklatuuri alused on koostanud Eesti Keemia Selts toetudes IUPAC`i ja aasta otsustele. Nomenklatuurile tuginedes ongi kasutusel keemias rohkem süstemaatilised nimetused, mis kajastavad ühendi keemilist struktuuri. Paigutades süsivesinike ja sealhulgas alkaanide valemid üksteise järele nii, et iga järgnev süsivesinik esineb eelmisest ühe süsiniku võrra, on võimalik märgata, et kõrvutiolevad süsivesinikud erinevad teineteisest veel kahe vesiniku aatomi võrra. Ridu, mille kõrvuti seisvad liikmed erinevad teineteisest rühma -CH2- võrra, nimetatakse homoloogiliseks reaks. Homoloogilise rea liikmeid nimetatakse homoloogideks. Sõnatüvi kirjeldab süsinikuahela pikkust. Nelja esimese alkaani puhul on sõnatüved triviaalsed. Edasi, alates viiendast liikmest, kasutatakse kreekakeelsete arvsõnae tüvesid: pentaan (penta), heksaan (heksa) jne. 14

15 Alkaanide homoloogilise rea liikmetest ja vastavatest alküülrühmadest annab ülevaate järmine tabel: ALKAAN ALKAANI NIMETUS ALKÜÜLRÜHM ALKÜÜLRÜHMA NIMETUS CH4 METAAN CH3 METÜÜL C2H6 ETAAN C2H5 ETÜÜL C3H8 PROPAAN C3H7 PROPÜÜL C4H10 BUTAAN C4H9 BUTÜÜL C5H12 PENTAAN C5H11 PENTÜÜL C6H14 HEKSAAN C6H13 HEKSÜÜL C7H16 HEPTAAN C7H15 HEPTÜÜL C8H18 OKTAAN C8H17 OKTÜÜL C9H20 NONAAN C9H19 NONÜÜL C10H22 DEKAAN C10H21 DETSÜÜL Homoloodilise rea liikmete koostise seaduspärane muutumine süsiniku ja vesiniku aatomi arvude kasvades toimub ka nende omaduste seaduspärane muutumine. Süsiniku aatomite arvu kasvades kasvavad homoloogidel ka molekulmass, tihedus, sulamis- ja keemistemperatuur. Reeglina väheneb aga homoloogilises reas süsinikuahela pikenedes ainete lahustuvus vees. Keerulisem on hargnenud ahelaga alkaanide nimetamine. Hargnemine tähendab seda, et üks või mitu vesiniku aatomit on süsivesiniku ahelas asendatud teiste süsivesinikahelatega. Pikimat süsivesinikahelat nimetatakse tüviühendiks. Selle järgi saab ühend nimetuse. Tüviühendiga liitunud ahelaid nimetatakse asendusrühmadeks. Asendusrühmade nimetused tulenevad alkaanide nimetustest. Alkaanidest tuletatud asendusrühmasid nimetatakse alküülrühmadeks. Alküülrühma tähis on R-. Hargnenud ahelaga alkaanide nimetamisel lähtutakse järgmistest reeglitest: 1) Leitakse pikim süsiniku ahel (tüviühend). Sellest tulenevalt antakse alkaanile nimetus. Tsüklilise ühendi puhul moodustavadki tsüklis olevad süsiniku aatomid peaahela ehk tüviühendi. Tsüklilise ühendi nimetamisel lisatakse vastava alkaani ette eesliide tsüklo-. 2) Nummerdatakse pikima süsiniku ahela süsiniku aatomid nii, et asendusrühmade kohanumbrid oleksid võimalikult väikesed (nummerdamist alustatakse sealt, kus asendusrühmad on ahela otsale kõige lähemal). Kui on tegemist tsüklilise ahelaga, siis nummerdamist alustatakse asendusrühmast alates liikudes päripäeva. 3) Nimetatakse ühend, kirjutades asendusrühmade nimetused tähestikulises järjekorras tüviühendi nimetuse ette. Mitme samasuguse asendusrühma korral kasutatakse eesliiteid di-, tri- tetra-, pentajne. NÄITED: Nimetus: 2-metüül - pentaan 15

16 Nimetus: 5-etüül - 3 -metüül- oktaan Nimetus: 1,2 dimetüül- tsüklobutaan ALKAANI MOLEKULI EHITUS Alkaanid on sellised süsiniku ja vesiniku ühendid, kus ühe süsiniku aatomid on seotud nelja kovalentse üksiksidemega teiste aatomitega. Kõige lihtsaim näide on metaani molekul, kus üks süsiniku aatom on seotud nelja kovalentse üksiksideme abil nelja vesiniku aatomiga. Kõik sidemed metaani molekulis on sigma (σ) sidemed. Sigma side on kovalentne side, mida moodustuvate elektronide pilv asub aatomeid ühendaval ühel sirgel. Teiste sõnadega toimub sigmasidemes orbitaalide kattumine aatomituumi ühendava sirge suunas. σ side võib ühendada ka süsiniku aatomeid omavahel, samuti süsiniku aatomeid teiste elementide aatomidega. Nelja sideme nelja elektronpilve jaoks on kõige rahulavam lahendus paikneda ruumis üksteisest võrdsetel kaugustel Seepärast σ sidemed süsiniku aatomi juures hargnevad ka ühtlaselt, kuna nendevahelised vahelised nurgad on võrdsed. Sidemetevaheline nurk on 109,5. Sigmasidemed (vastassuundades paiknevad nooled) metaani molekulis. (Jooniseallikas: ) Kui üks süsinik on seotud nelja vesiniku aatomiga, kusjuures süsiniku ja vesiniku aatomite vahelised nurgad on võrdsed (109,5 ), siis võib sellist molekuli kujutada nii nagu asuksid süsinikuga seotud aatomid kolmnurkse püramiidi ehk tetraeedri tippudes ja süsinik selle keskel. Tetraeedriline metaani molekul (Jooniseallikas: Sp3-Orbital.png ) 16

17 Ruumiliselt võib metaani molekuli kujutada selliselt nagu all vasakpoolsel joonisel näha on. Metaani molekulmudelit koos teda ümbritseva elektronkattega on kujutatud parempoolsel joonisel. Metaani sellise ehituse tõttu nimetatakse nelja üksiksidemega süsinikku tetraeedriliseks süsinikuks. Kui on seotud mitu tetraeedrilist süsinikku, siis sel juhul on tegemist süsinikuahelaga. Tingituna süsiniku aatomi tetraeedrilisest ehitusest ehk sidemetevaheliste nurkade võrdse paiknemise tõttu, on kõik süsinikuahelad siksakilise ehitusega. Alljärgneval joonisel on kujutatud kaheksat süsiniku aatomit sisaldavat oktaani molekuli ALKAANIDE FÜÜSIKALISED OMADUSED Alkaanide füüsikalised omadused muutuvad homoloogilises reas seaduspäraselt. Molekulmassi kasvades kasvab ka nende tihedus, sulamis- ja keemistemperatuur. Alkaanide homoloogilise rea neli esimest liiget on toatemperatuuril gaasid. Viiendast kuni viieteistkümnenda liikmeni on toatemperatuuril vedelas ja alates kuueteiskümnendast liikmest heksadekaanist- on alkaanid tahkes olekus. Tahkeid alkaane või nende segusid nimetatakse sageli ka parafiinideks. Kuigi molekulmassi kasvades alkaanide tihedus suureneb, siis ometigi jäävad isegi tahkete alkaanide tihedused vee tihedusest väiksemaks kõikudes 0,7 g/cm³ ümber. Järelkult on kõik alkaanid veest kergemad. Hargnenud ahelaga alkaanide sulamis- ja keemistemperatuurid ning tihedused on madalamad hargnemata ahelaga alkaanidest. Pikema hargnemata ahelaga alkaanidel on omadus üksteise külge liibuda, sest nende kokkupuutepind on suurem. Sellest tulenevalt suuremate molekulidevaheliste jõudude ja vastastikmõjude tõttu läheb vaja nende lõhkumiseks rohkem enerigat ja seega ka kõrgemat temperatuuri. Alkaanid nagu ka kõik teised süsivesinikud on mittepolaarsed ained, mis polaarsetes ainetes ei lahustu, kuna nad ei suuda lõhkuda polaarsete ainete molekulide vahelisi sidemeid. Vastastikmõju puudumise tõttu alkaanid vees kui polaarses aines sel põhjusel ka ei lahustu. 17

18 Aineid, millel puudub veega vastastikmõju, puudub võime moodustada vesiniksidemeid, veega ei märgu ja vees ei lahustu, nimetatakse hüdroboobseteks ehk vett tõrjuvateks aineteks. Näiteks sel põhjusel võib veetilku kohata kergesti õli- või veepinnal ja vahakorraga kaetud puuviljadel. Hüdrofiilseteks ehk vee-lembesteks nimetatakse selliseid aineid, millel esineb vastastikmõju veega, esineb võime moodustada vesiniksidemeid, nad on vees märguvad ja vees lahustuvad. Alkaanid lahustuvad hästi mittepolaarsetes lahustites (teised süsivesinikud või nende segud). Õli kui mittepolaarne aine ei lahustu vees ja jääb alati vee pinnale, kuna ta on veest kergem. (Pildiallikas: ) Alkaanide aurud ja gaasilised alkaanid on kergesti süttivad, plahvatusohtlikud ja narkootilise toimega, kahjustades närvisüsteemi ja mõjudes suurtes kogustes isegi surmavalt Nahaga kokkupuutes mõjuvad alkaanid ärritavalt ja loomadele tekitavad karvkatte kahjustusi. Põlema läinud õli, naftat, parafiiniaure ei tohi kustutada veega (Pildiallikas: emie/didaktik/keusch/grafik/34.jpg ) ALKAANIDE KEEMILISED OMADUSED Alkaanid on keemiliselt kõige passiivsemad orgaanilised ained, kuna nende molekulides asuvad üksiksidemed on tugevad ja püsivad. Alkaanid on toatemperatuuril püsivad isegi tugevate oksüdeerijate ja kontsentreeritud hapete ja leeliste suhtes. Reaktsioonivõime tõstmiseks on vajalik alkaane kas kuumutada või kasutada erinevaid katalüsaatoreid. Alkaanidele on iseloomulikeks reaktsioonideks põlemine, pürolüüs ja asendusreaktsioonid halogeenidega. 1) Täielik põlemine (kiire oksüdatsioon) CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O Täielik põlemine toimub piisava hapnikukoguse (õhu) olemasolul. Täielikul põlemisel tekivad alati süsinikdioksiid ja veeaur. Metaan põleb helesinaka kahvatu leegiga (Pildiallikas: ) 18

19 2) Mittetäielik põlemine C5H12 + 6O2 3CO2 + 6H2O + 2C Mittetäielikult põlevad need ained, milles on süsinikusisaldus vesinikusisaldusega võrreldes suhteliselt suur. Mittetäielikul põlemisel võivad moodustuda süsinikdioksiidi ja veeauru kõrval veel mitmeid orgaanilisi ühendeid, süsinikoksiid ja süsi. Leegis põlemata jäänud süsinikuosakesed eralduvadki tihti tahmana. Küünlaleek on alati tahmav, kuna suure süsiniku sisalduse tõttu esineb seal mittetäielik põlemine (Pildiallikas: ) 3) Pürolüüs Pürolüüs on orgaaniliste ainete lagunemine kõrgel temperatuuril, mida rakendatakse nafta, maagaasi, kivisöe, põlevkivi ja puidu töötlemisel. Sõltuvalt temperatuurist võib metaanist saada kas väga puhast tahma ja vesinikku või siis etüüni ja vesinikku: tº tº 2CH4 C2H2 + 3H2 CH4 C + 2H2 Puidu, turba, kivisöe ja põlevkivi kuivdestillatsiooni ehk kuumutamist ilma õhu juurdepääsuta nimetatakse utmiseks. Viimast vaadeldakse kui pürolüüsi erisaadust. Kõrvuti koksiga (söega), mida vajab metallurgia, tekib utmisel veel mitmeid gaasilisi ja vedelaid saadusi. Viimased leiavad rakendust nii keemiatööstuses (reaktiivid) kui ka olmekeemia toodete valmistamiseks (liimid, lakid, värvid, pesuained). Puidu utmine (Pildiallikad: autori erakogu) 19

20 Nafta destilleerimissaaduste lagunemist lühemate ahelatega ühenditeks nimetatakse krakkimiseks. Sobiva koostise ja ehitusega krakimissaaduste tekkeks kasutatakse ka katalüsaatoreid ja vesinikku. H2, kat., tº C12H26 C5H12 + C7H14 4) Asendusreaktsioonid (radikaalsed asendusreaktsioonid) a) Asendusreaktsioonid halogeenidega ehk halogeenimine Asendusreaktsioonid halogeenidega toimuvad kas valguse või temperatuuri mõjul. Reaktsioonid kloori ja broomiga toimuvad mõõduka kiirusega ja on hästi kontrollitavad. Fluoriga kulgevad asendusrekatsioonid kontrollimatult liiga kiiresti, tormiliselt ja plahvatusega, ent joodiga liiga aeglaselt. Alkaanide halogeenimine toimub etappide kaupa, kus korraga asendatakse alkaani molekulis üks vesiniku aatom. Kloori rohkuse korral võivad asenduda ka kõik metaani vesiniku aatomid kloori aatomitega. tº, valgus CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl Selleks, et keemiline reaktsioon toimuks, peavad sidemed lähteainete molekulides katkema, milleks vajatakse soojus- või valgusenergiat. Kloori molekul, neelates valgusenergiat, laguneb kaheks kloori aatomiks. Tekkinud kloori aatomitel on kummalgi üks paardumata elektron. Paardumata elektronidega osakesi nimetatakse radikaalideks. Antud näidetes on radikaale kujutatud tärnikestena. Radikaalid on väga kõrge energiaga ja seega ka väga aktiivsed ja ebastabiilsed osakesed, mis püüavad igal võimalusel ühendada oma üksiku elektroni mingi teise osakese elektroniga elektronpaariks. Radikaal võib rünnata seetõttu isegi stabiilseid molekule. Kloori radikaal põrgates kokku metaani molekuliga, seob endaga vesiniku aatomi. Selle tulemusel jääb järele paardumata elektroniga rühm CH3, mida nimetatakse metüülradikaaliks. Tekkinud metüülradikaal võib ühineda mistahes teise radikaaliga, mille tagajärjel moodustub stabiilne molekul. Samal ajal võib metüülradikaal rünnata ka mõnda stabiilset molekuli, kust haarab sealt endale elektroni, mille tagajärjel muutub viimane ebastabiilseks osakeseks ehk uueks radikaaliks. Reeglina toimub orgaanilistes ühendites vesiniku asendus radikaaliga esimesena selle süsiniku aatomi juures, mida rohkem süsinik- süsinik sidemeid on sellel süsinikul. Sel põhjusel toimub propaani ja kloori vahelises reaktsioonis esimesena vesiniku asendus kloori aatomiga just teise süsiniku juures, kuna see sisaldab kahte süsinik-süsinik sidet, kuid esimene ja kolmas süsinik ainult ühte. Näide: 20

21 Summaarselt: CH3-CH2-CH3 + Cl2 CH3CHCH3 + HCl Cl Radikaalsetel reaktsioonidel on oluline tähtsus bioloogias ja meditsiinis, kuna need toimuvad pidevalt elusorganismides. Radikaale on kõikjal meie sees ja meie ümber. Kuigi nad on ebapüsivad ja mürgised, on nad elusorganismidele olulised signaalained, andes pidevalt infot meie tervislikust seisundist. Radikaalid osalevad vererõhu regulatsioonis, närvisüsteemi ülekandes, signaalreaktsioonides jm. Kuna radikaalid on väga ebastabiilsed ja reageerimisvõimelised ning võivad reageerida ka tihti stabiilsete osakestega, siis kahjustavad nad kõiki elusolendi rakke ja organeid. Radikaalid osalevad vananemisprotsessis, ateroskleroosi arenemises, nad võivad tekitada vähkkasvajaid jne. Oluliselt piiravad organismis radikaalide hulka antioksüdandid (näiteks C-vitamiin), mistõttu on vägagi vajalik viimaseid pidevalt toiduga saada. b) Asendusreaktsioonid hapnikuga See reaktsioonimehhanism toimub sarnaselt radikaalselt nagu eelminegi, kuid see reaktsioon toimub tavalisel temperatuuril väga aeglaselt ega kulge ühtlaselt. Reaktsiooni tulemusel tekivad alkoholid. 2CH3-CH2-CH3 + O2 2CH3CHCH3 OH ALKAANIDE TUNTUMAD ESINDAJAD Alkaane saadakse toornaftast fraktsioneeriva destillatsiooni teel, kuid osa alkaanidest toodetakse sünteetiliselt. Mõned alkaanid, nagu näiteks metaan, võivad moodustuda ka looduses orgaaniliste ainete anaeroobsel lagunemisel. Naftapuurkaev (Pildiallikas: ) METAAN CH4 Metaan on alkaanide kõige tuntumaks ja lihtsaimaks esindajaks. Metaani leidub kõikides looduslikes gaasides (maagaas, soogaas, kaevandusgaas) moodustades kogu loodusliku gaasi hulgast ligi 70-90%. Metaan tekib looduses taimsete ja loomsete jäänuste anaaeroobsel käärimisel näiteks kompostihunikus, märgaladel, sealhulgas veekogu põhjas ja soodes, kus metaan võib mullikestena õhku eralduda (soogaas). Metaani võib moodustuda ka organismide soolestikus käärimise tagajärjel. Näiteks üks lehm paiskab ühe ööpäeva jooksul keskkonda ligi 500 liitrit metaani. Tööstuse kui ka põllumajanduse arengu tõttu kasvab metaani sisaldus pidevalt atmosfääris. 21

22 Ohtlik on see sellepärast, et ta on umbes 10 korda mõjusam kasvuhooneefekti põhjustav gaas kui seda on süsinikdioksiid. Kaevandustes võib ta koguneda söekihtide peale ja vahele tekitades seal tänapäevani plahvatusi. Maagaasi ammutamine merepõhjast Maagaasi tranport läbi torude (Pildiallikad: ja ) Kui orgaanilisi jäätmeid kääritatakse hermeetiliselt ehk anaeroobselt kääritada, siis saadakse biogaas, mida kasutatakse peamiselt majapidamisgaasina. See sisaldab ligi 70% metaani. Näiteks endise Pääsküla prügimäel toodetud biogaasiga köetakse osaliselt siiamaani sealsetes läheduses asuvaid kortereid ja soojendatakse selle abil vett. Biogaasi tootmismahutid Indias (Pildiallikas: _biogas.html ) Tänapäeval osa metaanist toodetakse sünteetiliselt kõrgel temperatuuril vesiniku läbijuhtimisel läbi hõõguvate süte. Metaan on lõhnatu, värvuseta, maitseta, vees mittelahustuv, õhust kergem gaas. Gaasilekke kiireks avastamiseks võrgugaasi tavaliselt seepärast ka lõhnastatakse. Kuna metaan on raskesti veeldatav, siis seepärast ta baloongaasina kasutust ei leia. PROPAAN - C3H8 ja BUTAAN C4H10 Neid leidub nii looduslikus gaasis kui ka naftas. Looduslikus gaasis võib propaani hulk küündida 15%- ni, butaanil 0,3 %-ni. Nafta töötlemissaadustest moodustavad propaan ja butaan mõlemad umbes 2%. Mõlemad alkaanid on värvuseta, lõhnata, maitseta, vees praktiliselt lahustumatud gaasid. Kuna mõlemad on kergesti veeldatavad rõhu all, siis seepärast üheks tuntumaks kasutusalaks on nende kasutamine vedelgaasi ehk baloongaasina kui ka mootorikütusena. Vedelgaasi saadakse toornaftast krakkimise teel suurusjärgus 1-4% olenevalt nafta kvaliteedist. Saadav vedelgaas sisaldab sõltuvalt naftamaardla asukohast umbes 80-90% propaani ja 10-20% butaani. Ohutusnõuete tõttu lisatakse majapidamisgaasile 0,02% väävliühendeid, mis annavad talle tugeva lõhna. 22

23 Viimasel ajal leiab balloongaas kasutust ka gaasigrillides. Butaan on inimesele ohtlik gaas, sest 1%-lise butaanisisaldusega õhu sissehingamine tekitab 10 minutiga unisuse, 20-25%-line sisaldus kaotab ära valuaistingud ning edasine butaani kasv õhus kutsub esile lämbumise ja surma. Vedelgaasi transporditakse terasballoonides (Pildiallikas: ) ALKAANIDE KASUTUSALAD Suure põlemissoojuse ja kütteväärtuse tõttu kasutatakse alkaane kütusena. Maagaasist toodetav majapidamisgaas koosnebki enamasti metaanist. Kuna propaan ja butaan on kergesti rõhu all veeldatavad, siis kasutatakse neid vedelgaasina, mida transporditakse balloonides (balloongaas). Alkaanide mittetäielikul põlemisel saadud tahma kasutatakse trükitööstuses värvainena ja kummitööstuses täiteainena. Lisaks sisaldavad alkaane mitmed vedelkütused ja määrdeõlid. Näiteks bensiinis loetakse optimaalseks 6-8 %-list butaanisisaldust, sest see tagab bensiini parema lenduvuse. Butaani segu propaaniga leiab rakendust tänapäeval osoonikihiti lagundavate ainete freoonide - asendajatena aerosooltoodetes. Lisaks kasutatakse butaani veel mitmete teiste orgaaniliste ainete nagu näiteks eteen, buteeni, butadieeni, orgaaniliste hapete, aldehüüdide ja estrite sünteesimiseks. Tahketest alkaanidest pärinevat parafiini kasutatakse määrdeainete ja- õlide ning küünalde valmistamiseks. Meditsiinis kasutatakse vedelat parafiini liigestehaiguste ravil. Vanasti kasutati parafiini ka purkide kaanetamise asemel, kus marinaadilahusele või kompotile valati peale õhuke sulatatud parafiinikiht. Kui see oli hangunud, siis sel moel takistas parafiin õhu ja mikroorganismide juurdepääasu toiduainetele ning vältis nende riknemist. Vedela parafiini kasutamine liigeste- ja lihastehaiguste ravil (Pildiallikad: ja 23

24 KASUTATUD KIRJANDUS 1) Mati Karelson, Aarne Tõldsepp Keemia. Orgaaniline keemia gümnaasiumile, Koolibri, ) Aarne Tõldsepp Keemia. Orgaaniline keemia. Õpetajaraamat, Koolibri, ) Ants Tuulmets Orgaaniline keemia gümnaasiumile, Avita, ) Liina Karolin, Ants Tuulmets Keemia XI klassile. Õpetajaraamat, Koolibri, ) Neeme Katt Keemia lühikursus gümnaasiumile, Avita, ) Hergi Karik, Väino Ratassepp Keemia X klassile, Valgus, ) Hergi Karik jt Keemianomenklatuur, Eesti Entsüklopeediakirjastus, ) Sigmar Spauszus Retk orgaanilise keemia maailma, Valgus, ) 24