Хімія. 9 клас. Гранкіна

§ 21. МЕТАН ЯК ПРЕДСТАВНИК НАСИЧЕНИХ ВУГЛЕВОДНІВ. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАНУ

— Ти знаєш, яка органічна речовина згоряє в газових плитах?

— Там же газ горить.

— Ну так, газ. У цьому газі більше за все метану, його формула СН4. Зараз ми дізнаємося про нього багато нового.

ВУГЛЕВОДНІ

Оскільки органічних сполук багато, то для зручності вивчення їх ділять на класи, а класи — на гомологічні ряди. Перший клас органічних сполук називають «Вуглеводні». Ця назва походить від старої назви Карбону — вуглець і Гідрогену — водень.

• Сполуки, які належать до класу «Вуглеводні», складаються з атомів Карбону й Гідрогену.

У цьому класі декілька гомологічних рядів. Зараз ми будемо вивчати ряд, який називають «Алкани». Є в нього й старі назви — «Насичені вуглеводні», «Парафіни». Ознайомимося з першим представником алканів.

МЕТАН

Першим представником алканів є вуглеводень із найпростішою будовою — метан, формула — CH4.

Електронна й структурна формули молекули метану

Перше правило, яке ви повинні дуже добре знати, таке:

Карбон у органічних сполуках чотиривалентний.

• Згадаємо, що валентність чисельно дорівнює числу неспарених електронів.

Щоб з'ясувати, чому Карбон чотиривалентний, звернемося до будови його атома (рис. 50):

Рис. 50. Основний стан атома Карбону

В атомі Карбону 2 неспарених електрони, отже, він двовалентний.

Зараз ми розглянули основний стан атома. Якщо атом Карбону одержує додаткову енергію — опромінення, енергію зіткнення атомів, то один зі спарених електронів може перейти в межах одного рівня на вільну орбіталь. Число неспарених електронів при цьому збільшується.

Такий процес називають промотуванням* (рис. 51).

Рис. 51. Промотований стан атома Карбону

* В українській навчальній літературі замість слова «промотування» часто використовують інший термін — «збудження».

Отже, у промотованого атома Карбону вже 4 неспарених електрони. Значить, він чотиривалентний.

Під час утворення молекули метану між атомами Карбону й Гідрогену утворюється ковалентний зв'язок (рис. 52).

Рис. 52. Утворення ковалентних зв'язків між атомами С і Н

Оскільки електронегативності Карбону й Гідрогену відрізняються на невелике значення (близько 0,4), то зв'язок дуже слабкополярний.

Позначивши спільні електронні пари крапками, одержимо електронну формулу:

Замінивши 2 крапки на 1 риску, малюємо структурну формулу:

Зверніть увагу: всі електрони в атома Карбону спарені, у нього, як говорять, октет електронів (8 штук), в атома Гідрогену — по 2 спільних електрони. Всі електрони задіяні в утворенні зв'язків, ще приєднати який-небудь атом до атома Карбону неможливо. От тому алкани й називають «насиченими вуглеводнями».

Дізнайтеся більше

Просторова будова молекули метану

Для повного розуміння будови молекули метану залишилося розібратися з її просторовою будовою.

Ми тільки-но розглянули, що у промотованому стані в атомі Карбону один s-електрон і три p-електрони неспарені. Якби вони утворювали в такому стані хімічні зв'язки з електронами Гідрогену, то, мабуть, ці зв'язки не були б рівноцінними. Однак дослідження показують, що всі 4 зв'язки однакові. Цю проблему розв'язав американський учений Л. Полінг. Він припустив, що під час утворення хімічних зв'язків орбіталі атомів Карбону змінюють свою форму. Всі вони утворюють орбіталі, схожі на однакові несиметричні вісімки (рис. 53).

Рис. 53. Зміна форми орбіталей атомів Карбону під час утворення хімічних зв'язків

У результаті цього процесу в атомі Карбону одна s- і три р-орбіталі змінили свою форму. Тепер енергія всіх зв'язків у молекулі метану однакова.

Залишається тільки зрозуміти, як ці орбіталі будуть розташовуватися у просторі. Враховуємо, що електронні орбіталі, які мають однаковий негативний заряд, будуть відштовхуватися одна від одної. Експериментально було доведено, що хімічні зв'язки всередині молекули розташовані один відносно одного під кутом 109°28'. Зіставивши все це, учені дійшли висновку, що форма молекули метану — тетраедр (рис. 54).

Tetra — означає чотири, hedra — поверхня. У тетраедра 4 кути й 4 площини.

Схематично молекулу метану можна зобразити так:

Рис. 54. Форма молекули метану

• Молекула метану має тетраедричну форму.

Можна зібрати об'ємну модель молекули метану з кульок і стрижнів — куле-стрижневу (рис. 55), є і масштабна модель метану (рис. 56):

Рис. 55. Куле-стрижнева модель метану

Рис. 56. Напівсферична масштабна модель метану

Дослід «Виготовлення моделі молекули метану»

Зберіть із кульок і стрижнів модель молекули метану. Придумайте, як із підручного матеріалу зібрати об'ємну модель молекули метану.

Підказка: можна використати пластилін і сірники.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАНУ Й ПОШИРЕННЯ В ПРИРОДІ

Метан — газ за звичайних умов, без кольору й запаху. Малорозчинний у воді. Легше за повітря.

Завдання

1. Поясніть, чому метан погано розчиняється у воді.

2. Розрахуйте густину метану за повітрям. У скільки разів метан легше за повітря?

У природі метан утворюється під час розкладу органічних решток без доступу повітря. Тому він утворюється на болотах (і його називають «болотний газ»), трапляється в шахтах і рудниках. Звідси ще назва — «рудничний газ».

Але найбільше метану в природному газі — до 97-98 % і в суміші газів, які виділяються під час видобутку нафти (супутній газ).

Метан — дуже отруйний газ і надзвичайно вибухонебезпечний! Тому до газу для побутових потреб, який надходить споживачам, спеціально додають речовини, які дуже неприємно пахнуть, щоби відразу можна було відчути витік газу.

Якщо ви відчуваєте запах побутового газу, у жодному разі не вмикайте електроприлади, не запалюйте вогонь. Необхідно провітрити приміщення й викликати аварійну службу.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

1. Майже всі органічні речовини горять

Під час горіння (або повного окиснення) метану в достатній кількості повітря або кисню завжди утворюються... Подумайте самі. Міркуємо так: метан складається з Карбону й Гідрогену. Під час горіння в достатній кількості кисню будуть утворюватися карбон(IV) оксид і вода. При цьому виділяється велика кількість теплоти. Рівняння є таким:

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O;

ΔH = -880 кДж.

У разі нестачі кисню утворюються інші речовини:

CH4 + 2O2 → CO + 2H2O

Нагадуємо, що CO — чадний газ, надзвичайно отруйний.

Можливий і такий перебіг реакції:

CH4 + 2O2 C + 2H2O

У цьому випадку вуглець виділяється у вигляді сажі. Утворюється чорний дим або чорна сажа.

Під час горіння газових пальників необхідно провітрювати кухню, а за наявності газових опалювальних приладів стежити, щоби тяга була гарною. Інакше існує ризик отруїтися чадним газом.

Завдання. Знайдіть інформацію в мережі Internet і підготуйте повідомлення про дію карбон(ІІ) оксиду на організм людини.

2. Метан вступає в реакції з галогенами

Це реакція заміщення.

Для алканів характерні реакції заміщення (рис. 57). Якщо суміш метану й хлору виставити на розсіяне світло (обережно, на яскравому світлі вибухне!), то можна помітити, що під час реакції жовто-зелене забарвлення хлору поступово зникає.

Рис. 57. Реакція заміщення

Рівняння цієї реакції можна записати так:

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

Сполука CH3Cl має назву хлорометан. Частина слова «метан» буде в назві завжди, якщо до складу органічної речовини входить 1 атом Карбону.

Як правило, реакція відбувається далі:

Префікс ди- означає «два».

Можна записати так:

CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl

• Органічні речовини, в яких один або декілька атомів Гідрогену заміщені на Хлор, називають хлоропохідними.

Можна хлорувати далі.

Третя стадія:

Четверта стадія:

CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl

Усі ці реакції відбуваються послідовно, але вони не завжди йдуть до кінця, тому під час хлорування метану може утворюватися суміш хлоропохідних.

— В органічній хімії взаємодію між речовинами часто записують у вигляді схем, де вказують тільки реагенти і продукти реакції, пропускаючи проміжні речовини. У схемах записують стрілку, а не знак «дорівнює». Для проведення розрахунків їх теж необхідно зрівнювати.

У реакціях заміщення в органічній хімії атом одного елемента в молекулі заміщається на атом іншого елемента. При цьому, на відміну від таких реакцій у неорганічній хімії, реагенти й продукти — складні речовини.

Дізнайтеся більше

Під час нагрівання без доступу повітря метан розкладається:

CH4 C + 2H2

Цю реакцію використовують для одержання порошку сажі (C) і водню. Ці продукти широко використовуються в органічних синтезах. Метан — основна частина природного газу. Тому його в промисловості не одержують, а в разі необхідності виділяють у чистому вигляді з природного газу. Можна його одержувати прямим синтезом із вуглецю й водню за високих температур і без доступу повітря.

ЗАСТОСУВАННЯ МЕТАНУ ТА ЙОГО ПОХІДНИХ

Рис. 58. Сфери застосування метану та його похідних

Сажу, одержувану під час термічного розкладу метану, використовують в основному у виробництві фарб і гуми як чорний пігмент та наповнювач для пластмас; водень — у виробництві амоніаку, для гідрування жирів, в органічних синтезах.

Хлорметан — газ, який легко переходить у рідину, тому його використовують як холодоагент у холодильних установках, дихлорметан, трихлорметан і тетрахлорметан — розчинники. CHCl3 називається ще хлороформ. Його використовують як наркоз. CCl4 також застосовують для гасіння вогню, особливо тоді, коли не можна використовувати воду. Важкі негорючі випари цієї речовини не дають кисню повітря контактувати з палаючою речовиною. Хлоропохідні метану — одні з нечисленних органічних сполук, які не горять.

Дізнайтеся більше

• За результатами космічних досліджень, газ метан міститься в атмосфері Сатурна і Юпітера. Також припускають, що у твердому стані він може бути виявлений на Урані та Нептуні.

• На дні Світового океану є великі запаси метану у вигляді пластівців, що нагадують сніг. Ці пластівці — газові гідрати CH4 · 6H2O, які мають кристалічну ґратку льоду, де в порожнинах розташовані молекули метану (рис. 59). Під час горіння такої сполуки здається, що горить сніг, а після згоряння залишається калюжка води. Запаси газових гідратів у десятки разів більше, ніж запаси вугілля, нафти, торфу, і становлять приблизно 2 · 1016 м3.

Рис. 59. Газові гідрати

Підсумуємо вивчене в параграфі:

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

  • 277. Атоми яких елементів входять до складу сполук, що належать до вуглеводнів?
  • 278. До якого класу органічних сполук належить метан?
  • 279. Чому алкани називають іще насиченими вуглеводнями?
  • 280. Скільки неспарених електронів у атомі Карбону в основному стані? у промотованому стані?
  • 281. Форму якої геометричної фігури має молекула метану?
  • 282. Назвіть фізичні властивості метану.
  • 283. Чому метан називають «рудничним газом»? «болотним газом»?
  • 284. Розкажіть про правила безпеки під час роботи з побутовими газовими приладами.
  • 285. Який тип хімічної реакції характерний для метану?

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

286. На зовнішньому боці дна чайника, який гріли на газовій плиті, утворився чорний наліт. Чому? Напишіть відповідне рівняння реакції. Що б ви порадили господарям для безпечного користування газовою плитою?

287. Визначте об'єм кисню, необхідний для спалювання 5 м3 метану (н. у.).

288. Визначте масові частки елементів у молекулі метану.

289. Запишіть рівняння реакції взаємодії 1 моль метану з 2 моль хлору; з 3 моль хлору. Як називаються продукти реакції? Де їх використовують?

290. Скільки молекул міститься у 2 л метану (н. у.)?

Для допитливих

291. Як дослідним шляхом можна відрізнити метан від водню? кисню?

292. Напишіть рівняння реакції взаємодії метану з бромом, знаючи, що реакції відбуваються подібно до реакцій із хлором.

293. Як ви вважаєте, чому тетрахлорометан не горить?

294. Як холодоагент у холодильних установках широко використовували дихлородифторометан, або фреон. Його особливістю є те, що він легко переходить у рідкий стан, а потім, випаровуючись, поглинає тепло, а в холодильнику при цьому стає холодно. Напишіть молекулярну й структурну формули цієї речовини.

295. Чи знаєте ви, що...

Метан у природі міститься в кишкових газах та крові жуйних тварин і людини... Він виділяється в результаті так званого «метанового бродіння» під час розкладання тваринних і рослинних решток на дні водойм без доступу повітря... Суміш метану з повітрям називають іще рудничним газом. Він накопичується у вугільних шахтах і може стати причиною вибуху... У всьому світі люди навчилися у спеціальних установках без доступу повітря з біомаси добувати біогаз (альтернатива природному газу), що містить в основному цей газ...

Запитання

• Умовно запишемо утворення метану під час розкладання органічних решток за допомогою реакції: C + 2H2 CH4.

Розрахуйте об'єм метану (за н.у.), який утвориться з 1 кг вуглецю.

• У верхніх чи нижчих шарах повітря у шахтах більше накопичується метану? Поясніть свою відповідь.