Хімія. 9 клас. Березан

§ 24. Вуглеводні. Метан

Ознайомившись із матеріалом параграфа, ви:

  • дізнаєтесь про хімічний склад вуглеводнів та їх класифікацію;
  • з'ясуєте молекулярну, електронну та структурну формули метану;
  • довідаєтесь про фізичні властивості метану її поширеність його в природі.

Вуглеводні

Термін «вуглеводні» походить від старих назв елементів: Карбон — «вуглець», а Гідроген — «водень». Отже, це сполуки Карбону з Гідрогеном.

Метан — найпростіший вуглеводень, молекула якого складається з одного атома Карбону і чотирьох атомів Гідрогену.

Вуглеводні поділяють на насичені та ненасичені.

Метан. Молекулярна і структурна формули метану

Метан СН4 — найпростіший насичений вуглеводень. Напишемо електронну формулу Карбону та її графічний варіант. Зауважмо, що в органічній хімії замість вислову «графічна формула» вживають термін «структурна формула».

В основному стані на зовнішньому енергетичному рівні атома Карбону розміщуються 4 електрони: два на s-орбіталі та два на р-орбіталі. Однак одна р-орбіталь залишається вакантною. Унаслідок збудження атома один електрон з s-орбіталі переходить на вакантну р-орбіталь:

Під час утворення молекули метану СН4 атом Карбону, перебуваючи у збудженому стані, використовує чотири неспарених електрони на утворення спільних ковалентних пар з чотирма атомами Гідрогену.

Рис. 24.1. Електронна та структурна формули метану

Пригадаймо, що в кулестержневій моделі кожен стержень — це одинарний зв'язок між атомами. Масштабна модель показує відношення розмірів атомів у молекулі. Якщо центри атомів у молекулі метану сполучити відрізками, то утвориться правильний чотиригранник — тетраедр. Тому кажуть, що молекула метану має форму тетраедра. У його центрі розміщується атом Карбону, а на чотирьох вершинах — атоми Гідрогену.

Поширеність у природі та фізичні властивості метану

У природі Землі метан доволі поширений. Він утворюється в процесі анаеробного розкладання органічних речовин, зокрема целюлози. Горючі природні гази зазвичай містять до 95 % метану. На дні боліт і ставків метан утворюється внаслідок розкладу решток рослин без доступу повітря. Тому його ще називають болотним газом. Також метан нагромаджується у вугільних, соляних шахтах унаслідок виділення із пластів вугілля і супутніх порід, де він міститься у вільному та зв'язаному стані. У цьому разі його називають рудниковим газом.

Метан — безбарвний газ без запаху й смаку, майже удвічі легший за повітря. У воді малорозчинний. На повітрі або в атмосфері кисню він горить неяскравим полум'ям. Його суміш з повітрям вибухонебезпечна. Метан за температури -162 °С стає рідким, а за температури -182 °С твердне.

Хімічні властивості метану

Заміщуючи в молекулах вуглеводнів один або кілька атомів Гідрогену на атоми інших елементів чи на цілі групи атомів (реакції заміщення), отримують похідні вуглеводнів.

Реакція метану з хлором (реакція хлорування) відбувається при освітленні:

Взаємодія метану з хлором відбувається в кілька етапів. За умов достатньої кількості хлопу відбувається послідовне заміщення атомів Гідрогену на атоми Хлопу:

Якщо атом Гідрогену замістити на групу атомів -ОН, отримаємо метанол (метиловий спирт):

Застосування метану

Рис. 24.3. Застосування метану в господарській діяльності людини

Для тих, хто хоче знати хімію глибше

У 2013 році вперше у світі успішно завершився експеримент — отримання природного газу (метану) з підводних покладів його гідратів. Видобуток проводили з дна Японського моря на горизонті 1300 м нижче рівня океану.

У світі виявлено понад 220 зон покладів гідратів метану на шельфах океанів та морів. Найчастіше вони залягають на глибинах, де температура не вища за +4 °С і тиск не менший за 2 мПа, що забезпечує термостатичну рівновагу цих покладів. Метангідратні пласти — це переважно осадові породи, що містять 70-80 % піску і глини та 20-30 % льодоподібної маси гідратів. Найбільші з них — біля узбережжів Атлантичного й Тихого океанів. У морях гідратовмісна товща може сягати кількасот метрів. Газові гідрати, наприклад СН4 · 6Н2О, за структурою нагадують пористий лід.

Чорне море також багате на поклади гідратів метану. Пошуково-розвідувальні експедиції ще в 1988-1989 роках виявили там на глибинах 300-1000 м метангідратні товщі під шаром донних відкладень. Загалом у його басейні залягає 45-75 трлн м3 прогнозованих ресурсів природного газу у вигляді газогідратів. До речі, вперше у світі 1972 року їх було добуто із дна саме Чорного моря. За попередніми оцінками, в українській економічній зоні Чорного моря запаси метану дорівнюють мінімум 1000-річнуму обсягу видобутку газу в сучасній Україні.

Підсумки

  • 1. Вуглеводні — це сполуки Карбону з Гідрогеном.
  • 2. Вуглеводні бувають насичені й ненасичені. Критерієм поділу слугує типу хімічного зв'язку між атомами Карбону.
  • 3. Метан — найпростіший насичений вуглеводень.

Контрольні запитання

  • 1. Скільки ковалентних зв'язків є в молекулі метану?
  • 2. Яка просторова будова молекули метану?
  • 3. Де метан трапляється в природі?
  • 4. Опишіть фізичні властивості метану.
  • 5. Чому органічну хімію можна назвати «хімією вуглеводнів та їх похідних»?
  • 6. Напишіть молекулярну, електронну та структурну формули метану.
  • 7. Чим відрізняються насичені та ненасичені вуглеводні? До якої їх групи належить метан?
  • 8. У молекулі метану замініть атом Гідрогену на атом Брому. Запишіть молекулярну та структурну формули утвореної речовини.

Вправи та задачі

1. Обчисліть відносну густину метану за воднем.

2. Обчисліть масу 0,75 моль метану.

3. Обчисліть об'єм 30 г метану (н. у.).

4. Обчисліть об'єм кисню (н. у.), необхідний для спалювання 0,32 кг метану (продуктами згоряння якого є карбон(ІV) оксид і вода).

5. Обчисліть молярну масу дихлоропохідної метану.

6. Обчисліть масову частку Хлору в молекули тетрахлорометану ССl4.

7. Обчисліть масу суміші, яка містить 33,6 л метану і 44,8 л азоту.

8. Обчисліть об'єм (н. у.) 0,8 моль метану.

9. Обчисліть масу суміші, що містить 0,2 моль метану і 0,4 моль карбон(ІV) оксиду.

10. Обчисліть масову частку Гідрогену в метані.

11. Обчисліть об'єм (н. у) метану (л) масою 0,8 кг.

12. Обчисліть об'єм хлору (н. у.), що прореагує з 320 г метану згідно з реакцією, хімічне рівняння якої:

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

13. Обчисліть масу органічного продукту реакції, що утвориться під час взаємодії 1,5 моль метану з хлором згідно реакції, хімічне рівняння якої:

CH4 + 2Сl2 → СН2Сl2 + 2НСl