Хімія. 9 клас. Ярошенко

§ 27. Метан, його будова та властивості. Гомологи метану

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • з'ясувати склад, будову й фізичні властивості метану;
  • сформувати уявлення про гомологи та гомологічний ряд алканів;
  • схарактеризувати склад, будову й фізичні властивості метану та його гомологів;
  • розв'язувати розрахункові задачі раніше вивчених типів на прикладі органічних сполук.

УЯВЛЕННЯ ПРО ВУГЛЕВОДНІ. Здатність атомів Карбону сполучатись один з одним й утворювати карбон-карбонові ланцюги різної довжини зумовила наявність великої групи органічних сполук із загальною назвою вуглеводні. Назва походить від раніше вживаних в українській мові назв хімічних елементів: С — вуглець, Н — водень, з атомів яких складаються молекули речовин цієї групи.

Незважаючи на те, що вуглеводні складаються лише з атомів двох хімічних елементів — Карбону й Гідрогену, — це досить різноманітна група речовин (схема 17, подана для ознайомлення).

Схема 17. Класифікація вуглеводнів

З деякими вуглеводнями ви ознайомитесь у цій темі, а от детально вивчатимете їх у старшій школі.

МЕТАН ЯК ПРЕДСТАВНИК НАСИЧЕНИХ ВУГЛЕВОДНІВ. Метан СН4 є першим і найпростішим представником вуглеводнів.

Походження назви насичені вуглеводні зумовлено тим, що в цих сполуках валентні електрони Карбону максимально використані для утворення зв'язків з іншими атомами. При цьому між двома сусідніми атомами Карбону є лише один хімічний зв'язок. Він дістав назву одинарний зв'язок. Такі сполуки в жодному разі не будуть вступати в реакції приєднання.

Схарактеризуйте якісний і кількісний склад метану.

Молекулярну, структурну й електронну формули метану подано в таблиці 8.

Таблиця 8

Формули метану

Зі структурної та електронної формул видно, що між атомом Карбону й атомами Гідрогену існують одинарні зв'язки.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАНУ. За фізичними властивостями — це газоподібна речовина без кольору й запаху, майже вдвічі легша від повітря, погано розчинна у воді. За температури 161,5 °С метан переходить у рідкий стан, а за температури 182,5 °С — твердне.

Дехто з вас може засумніватися в тому, що метан не має запаху. Адже користувачі природного газу саме за запахом визначають його витікання, якщо кран на газовій плиті нещільно закритий. Річ у тім, що метан є вибухонебезпечним, а через відсутність запаху вчасно виявити його витікання неможливо. Тому до природного газу додають спеціальні речовини зі стійким запахом. Відчувши його, кожен має розуміти, що в приміщенні є природний газ і в жодному разі до повного провітрювання не запалювати сірника й навіть не вмикати світло, щоб не стався вибух.

ГОМОЛОГИ МЕТАНУ. Наступний представник алканів — це етан. Його молекула містить два атоми Карбону й шість атомів Гідрогену, тобто молекулярна формула цієї сполуки С2Н6. Третій представник алканів — пропан С3Н8. Порівняйте кількісний склад молекул метану, етану й пропану, і ви побачите, що кожна наступна формула відрізняється від попередньої групою атомів -СН2-.

Починаючи з метану, можна записати ряд формул, у якому кожна наступна формула відрізнятиметься від попередньої на групу атомів -СН2-. Це будуть формули гомологів метану — сполук, які подібні за будовою і властивостями, але з різницею у складі молекул на одну й більше груп атомів -СН2-.

Гомологічний ряд — це ряд сполук, що мають однотипну будову, виявляють подібні хімічні властивості, але відрізняються за складом молекул на певне число груп атомів -СН2-. Такі сполуки називають гомологами.

Наявність гомологічних рядів є характерним явищем для органічної хімії. Якої б складної будови не були молекули гомологів, у всіх без винятку рядах наступна формула відрізняється від попередньої на групу атомів -СН2-.

Переконаємось у цьому, ознайомившись із таблицею 9.

Таблиця 9

Гомологічний ряд насичених вуглеводнів

Назва

Молекулярна формула

Напівструктурна формула

Метан

СН4

СН4

Етан

С2Н6

СН3СН3

Пропан

С3Н8

СН3СН2СН3

Бутан

С4Н10

СН3СН2СН2СН3

Пентан

С5Н12

СН3СН2СН2СН2СН3

Гексан

С6Н14

СН3СН2СН2СН2СН2СН3

Гептан

С7Н16

СН3СН2СН2СН2СН2СН2СН3

Октан

С8Н18

СН3СН2СН2СН2СН2СН2СН2СН3

Нонан

С9Н20

СН3СН2СН2СН2СН2СН2СН2СН2СН3

Декан

С10Н22

СН3СН2СН2СН2СН2СН2СН2СН2СН2СН3

До таблиці увійшли метан і дев'ять його гомологів. Нині відомо понад 100 гомологів метану. Зазначені в таблиці назви гомологів метану — це назви речовин із прямими нерозгалуженими карбоновими ланцюгами. Такі речовини називають нормальними і для уточнення до назви додають префікс н- — н-бутан (читається «ен-бутан»), н-гексан тощо.

Зверніть увагу на те, що і в самій назві гомологічного ряду, і в назвах окремих його представників наявний суфікс -ан. Він є в назвах усіх без винятку насичених вуглеводнів.

Усі насичені вуглеводні відповідають одній загальній формулі СnН2n+2, де n — кількість атомів Карбону в молекулі речовини.

Знаючи це, ви зможете успішно складати формули будь-якого гомолога, достатньо лише пам'ятати його порядковий номер у гомологічному ряді. Наприклад, октан — восьмий гомолог. Підставляємо в загальну формулу СnН2n+2 замість n число 8 й одержуємо формулу С8Н18.

РЕАКЦІЯ ЗАМІЩЕННЯ ДЛЯ МЕТАНУ. Насичені вуглеводні не вступають у реакції приєднання. Їм властиві реакції заміщення.

Метан та його гомологи вступають у реакцію заміщення з галогенами. Під час реакції відбувається поступове заміщення атомів Гідрогену атомами галогенів.

Назви речовин мають префікси, що у грецькій мові означають два (ди-), три (три-), чотири (тетра-). Як ви зрозуміли, вони вказують на кількість наявних у молекулі продукту реакції атомів Хлору чи іншого галогену.

Пригадайте, що в неорганічній хімії продуктами реакції заміщення є складна й проста речовини, наприклад:

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.

Для того щоб відбулася ця реакція, суміш газів нагрівають або діють на неї світлом.

Зверніть увагу! Реакція заміщення в органічній хімії відрізняється від реакції заміщення в неорганічній хімії тим, що обидва продукти реакції — складні речовини.

МОДЕЛІ МОЛЕКУЛ ВУГЛЕВОДНІВ. Їх легко і зручно виготовляти, маючи спеціальний набір (мал. 31) різнокольорових пластмасових кульок, що символізують атоми, і пластмасових стрижнів, за допомогою яких кульки з'єднують, показуючи тим самим хімічні зв'язки (для зручності з'єднання в кульках є отвори).

Мал. 31. Набір для моделювання молекул

З такого набору виготовлено кулестрижневу модель молекули метану (мал. 32).

Мал. 32. Кулестрижнева модель молекули метану

Кулька чорного кольору моделює атом Карбону, а наявні в ній чотири отвори дають змогу приєднати чотирма пластмасовими стрижнями чотири білі кульки (вони мають один отвір і моделюють атоми Гідрогену). Виготовлена модель передає просторове розміщення атомів у молекулі метану у вигляді правильного тетраедра. Цим вона відрізняється від структурної формули.

Окрім кулестрижневих моделей виготовляють ще й масштабні моделі молекул (мал. 33). Вони не лише відображають порядок сполучення атомів, а й завдяки дотриманню масштабу передають співвідношення між розмірами атомів. Наприклад, з масштабних моделей метану й етану видно, що діаметр атома Карбону більший за діаметр атома Гідрогену в 1,5 раза.

Мал. 33. Масштабні моделі молекул: а — метану; б — етану

Стисло про основне

• Метан СН4 — найпростіша за хімічним складом органічна сполука, яка належить до насичених вуглеводнів.

• Гомологи — речовини з подібною будовою та властивостями, кількісний склад молекул яких відрізняється на одну й більше груп атомів -СН2-.

• Формули гомологів метану відповідають загальній формулі СnН2n+2, а назва кожного з них закінчується суфіксом -ан.

• У молекулах насичених вуглеводнів усі хімічні зв'язки одинарні, звідси походить їхня назва.

Знаємо, розуміємо

  • 1. Назвіть 10 перших представників гомологічного ряду метану.
  • 2. Поясніть явище гомології.
  • 3. Схарактеризуйте структуру й фізичні властивості метану.

Застосовуємо

102. Порівняйте кількісний і якісний склад пропану й гексану.

103. Розташуйте назви алканів за збільшенням кількості атомів Карбону в молекулі.

  • А нонан
  • Б гексан
  • В гептан
  • Г пропан

104. Установіть відповідність між назвою та формулою алкану.

Назва

Формула

1

пентан

А

С2Н6

2

бутан

Б

С3Н8

3

етан

В

С4Н10

4

октан

Г

С5Н12

Д

С8Н18

105. Обчисліть відносну густину етану за повітрям, воднем, бутаном.

106. Де більше молекул: у порції етану об'ємом 11,2 л (н. у.) чи порції гексану масою 43 г?

107*. Визначте молекулярну формулу вуглеводню, масова частка Карбону в якому дорівнює 80 %, а його густина за воднем — 15.

108*. Установіть формулу алкану, якщо його порція кількістю речовини 0,25 моль має масу 25 г.