§ 23. Метан як представник насичених вуглеводнів. Молекулярна й структурна формули метану. Основний і збуджений стани атома

Після опрацювання параграфа ви зможете:

називати метан як одну з найважливіших органічних речовин, розрізняти його за складом;
характеризувати склад метану й будову його молекули.

Метан — найпростіша летка сполука Карбону з Гідрогеном. Скориставшися періодичною системою хімічних елементів, визначимо молекулярну формулу метану - СН₄. Тобто до складу молекули метану входить атом Карбону та чотири атоми Гідрогену.

Розгляньмо особливості будови атома Карбону, щоб з’ясувати, у якій послідовності атоми Карбону й Гідрогену сполучені між собою, як вони розташовані один відносно одного в просторі. За номером групи в періодичній системі хімічних елементів легко визначити, що на зовнішньому (другому) енергетичному рівні атома Карбону чотири електрони. Якщо атом Карбону перебуває в основному стані (рис. 23.1), то на зовнішньому (другому від ядра) енергетичному рівні є два s- і два р-електрони.

Рис. 23.1. 1. Види електронних орбіталей. 2. Будова атома Карбону в основному і збудженому* станах. 3. Атоми Карбону у збудженому стані виявляють валентність IV

• Визначте, які з електронів зовнішнього енергетичного рівня в атомі Карбону в основному стані спарені, а які - ні.

Під час хімічних реакцій атом Карбону одержує ззовні енергію (у формі теплоти, світла тощо) і переходить у так званий збуджений стан.

Збуджений стан атома — енергетично нестабільний стан, у який атом переходить унаслідок отримання енергії ззовні.

Унаслідок цього один з 2s-електронів, поглинувши порцію енергії, займає вільну 2р-орбіталь. Тобто на зовнішньому рівні в атомі Карбону всі чотири електрони стають неспареними. Ось чому атому Карбону в збудженому стані властива валентність IV.

Унікальні властивості атомів Карбону зумовлені двома чинниками. Чотири електрони на зовнішньому енергетичному рівні й найменший у IVA підгрупі радіус атома - причина того, що атом Карбону не схильний ані втрачати, ані приєднувати електрони. Тобто утворення йонних зв’язків для нього не характерне й атом Карбону утворює переважно ковалентні зв’язки.

З огляду на будову зовнішнього енергетичного рівня атома Карбону в збудженому стані змоделюймо утворення ковалентних зв’язків у молекулі метану (рис. 23.2).

Рис. 23. 2. Утворення ковалентних зв’язків у молекулі метану

В електронній формулі метану замінимо спільні електронні пари атомів Карбону й Гідрогену рисочками, щоб одержати структурну формулу сполуки (рис. 23.3).

Рис. 23.3. Структурна формула молекули метану відбиває послідовність сполучення атомів у ній

Розгляньмо кулестержневу й масштабну моделі молекули метану (рис. 23.4). Вони, так само як електронна і структурна формули, відображають структуру та принцип будови цього мікрооб’єкта, хоча й не відтворюють його зовнішнього вигляду.

Рис. 23.4. Кулестержнева (1) і масштабна (2) моделі молекули метану

В утворенні ковалентних зв’язків з атомами Гідрогену беруть участь один s- і три р-електрони атома Карбону. У молекулі метану всі зв’язки рівноцінні, атоми Гідрогену розташовані симетрично по кутах тетраедра. У центрі цієї геометричної фігури розташований атом Карбону. Причина такого взаємного розташування полягає у вирівнюванні за формою та енергією електронних орбіталей зовнішнього енергетичного рівня атома Карбону.

Ковалентні зв’язки між атомами Карбону й Гідрогену слабо полярні. Однак молекула метану, з огляду на її симетричність, неполярна. Як це впливає на фізичні властивості метану і речовин, подібних до нього?

Висновки ви зможете зробити самотужки, проаналізувавши дані, наведені в таблиці 23.1.

Таблиця 23.1

Фізичні властивості метану

Колір		Безбарвний
Запах		Без запаху
Густина, кг/м³	газу (0 °С)	0,7168
	рідини (-164,6 °С)	415
Температура, °С	плавлення	-182,49
	кипіння	-161,58
Розчинність у воді, г/кг		0,02

ПРО ГОЛОВНЕ

• Метан - найпростіша летка сполука Карбону з Гідрогеном.

• Молекулярна формула метану СН₄.

• Збуджений стан атома - енергетично нестабільний стан, у який атом переходить унаслідок отримання енергії ззовні.

• Атом Карбону в збудженому стані чотиривалентний.

• Просторова форма молекули метану тетраедрична.

Перевірте себе

1. Яка речовина є найпростішою леткою сполукою Карбону з Гідрогеном? 2. Яка хімічна формула метану? Структурна формула? 3. Який стан атома називають збудженим? 4. Яка валентність атома Карбону в збудженому стані? 5. Яка просторова форма молекули метану?

Застосуйте свої знання й уміння

6. Усно обчисліть молярну масу метану, масові частки елементів у цій сполуці та її відносну густину за воднем і киснем. Порівняйте відносну густину метану й повітря.

*7. Визначте валентність атома Бору в збудженому стані.

*8. Перехід електрона в атомі з одного енергетичного рівня на інший неможливий. Поясніть, чому атоми Оксигену й Флуору не можуть перейти в збуджений стан і як це пов’язано зі значеннями максимальної валентності цих елементів.

Творча майстерня

9. Виготовте з надувних кульок округлої форми масштабну модель молекули метану.

Дізнайтеся більше