Хімія. Повторне видання. 9 клас. Савчин

Вуглеводні

§ 22. Метан як представник насичених вуглеводнів

Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати молекулярну та структурну формули метану;
• пояснювати склад і будову молекули метану, утворення хімічних зв’язків, фізичні властивості;
• характеризувати хімічні властивості метану;
• складати моделі молекули метану (кулестержневу й масштабну) і пояснювати їх;
• обґрунтовувати застосування метану та вплив продуктів його переробки на довкілля.

Склад молекули метану. З курсу неорганічної хімії вам відомо, що неметалічні елементи мають здатність утворювати леткі сполуки з Гідрогеном.

• Визначте склад леткої сполуки Карбону з Гідрогеном, скориставшись періодичною системою хімічних елементів (див. перший форзац).

Отже, молекула метану містить один атом Карбону й чотири атоми Гідрогену. Хімічна формула — СН₄. З § 21 вам відомо, що атом Карбону, утворюючи сполуку, перебуває в збудженому стані. Саме тому він може утворити чотири ковалентні зв’язки з чотирма атомами Гідрогену.

На основі молекулярної формули метану можна скласти електронну, позначивши пари електронів, що утворюють ковалентні зв’язки, крапками:

Якщо замінити крапки на риски, отримаємо структурну формулу метану:

Зі структурними формулами ви ознайомилися в курсі хімії 8 класу. Вони показують послідовність розміщення атомів у молекулах, але не дають справжніх уявлень про їх орієнтацію в просторі. Для того щоб уявити розміщення атомів у молекулах речовин, використовують метод моделювання.

Метод моделювання та його значення. Там, де неможливо спостерігати будову речовини або явище, застосовують метод моделювання. У науковому розумінні моделювання є одним із методів пізнання навколишнього світу, а модель — замінником, аналогом об’єкта, який до певної міри відтворює його особливості. Вам добре відомі знакові моделі, якими ви повсякчас користуєтеся, зокрема: символи хімічних елементів, формули хімічних речовин і рівняння, що відображають взаємодію речовин, — реакцію.

В органічній хімії ви ознайомитеся з матеріальними моделями. Це моделі молекул органічних речовин. Вони дають змогу чіткіше уявити будову молекул у тривимірному просторі.

Для моделювання в умовах шкільного кабінету використовують кулестержневі та масштабні моделі молекул. Кулестержневу модель конструюють за допомогою кульок і стержнів, які ви можете самостійно виготовити.

У масштабних моделях розміри атомів і зв’язки передаються точніше. Моделі будови органічних речовин можна зробити із пластиліну (кульки) і сірників (стержні).

Щоб виготовити модель молекули метану, необхідно з’ясувати, як утворюються ковалентні зв’язки між атомом Карбону й атомами Гідрогену.

Будова молекули метану. Досліджуючи будову вуглеводнів, учені довели, що молекула метану має форму тетраедра. У центрі тетраедра розміщений атом Карбону, сполучений ковалентними зв’язками з атомами Гідрогену, що розташовуються у вершинах тетраедра. Кут між зв’язками становить 109,5° (рис. 61).

Рис. 61. Розташування орбіталей у просторі

Ковалентні зв’язки утворюються чотирма неспареними електронами атома Карбону й електронами чотирьох атомів Гідрогену. Якщо використати кульки й стержні, то будова молекули метану матиме такий вигляд, як зображено на рисунку 62. Це кулестержнева модель молекули. Масштабну модель зображено на рисунку 63.

Рис. 62. Кулестержнева модель молекули метану

Рис. 63. Масштабна модель молекули метану

Отже, молекула метану має форму правильної трикутної піраміди. Усі валентні електрони атома Карбону взяли участь в утворенні хімічних зв’язків. Можна зробити висновок, що метан є насиченим вуглеводнем.

• Виготовте самостійно кулестержневу й масштабну моделі молекули метану, дотримуючись тетраедричної форми молекули.

Фізичні властивості метану та поширення в природі. Метан — це газ, що становить 75-98 % об’ємних часток природного газу. Він не має запаху й кольору, майже вдвічі легший за повітря, малорозчинний у воді. Метан міститься в складі природного газу, супутніх нафтових газів, є в пластах кам’яного вугілля. Метан часто називають болотним газом, тому що він утворюється на дні болотистих річок та озер унаслідок розкладання та бродіння рослинних решток.

Однак запаси природного газу із часом вичерпуються і не відновлюються. Тому вчені шукають альтернативні джерела енергії. В Україні до них належать метаногідрати, що містяться в метаногідратних покладах шельфів Чорного й Азовського морів. Їх скупчення виявлено на глибині від 300 до 2000 м поблизу берегів. Ці поклади мають вигляд сірого льоду, у порожнинах якого є метан. Сировиною слугували відмерлі рослини, рештки тваринних організмів, які потрапляють у води рік, морів та океанів.

До альтернативних джерел енергії належить і біогаз. Він утворюється внаслідок мікробіологічного розкладу біомаси чи біовідходів. Біогаз містить у своєму складі 55-75 % метану.

• Поясніть, які альтернативні джерела енергії зображено на рисунку 64.

Рис. 64. Альтернативні джерела енергії

Важливо знати, що метан потрапляє в атмосферу внаслідок господарської діяльності людини. Разом із вуглекислим газом він спричиняє парниковий ефект.

• Пригадайте, якої шкоди завдає парниковий ефект, та охарактеризуйте відомі вам заходи щодо запобігання цьому явищу.

Хімічні властивості метану. Вивчаючи ознаки відмінності органічних і неорганічних речовин, ви дізналися, що всі органічні сполуки горять. Унаслідок горіння метану утворюється карбон(ІV) оксид і вода. Рівняння реакції повного окиснення (рис. 65):

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О.

Рис. 65. Схема реакції горіння метану

Продукти горіння вказують на те, що метан складається з Карбону та Гідрогену. Щоб довести це, виконаємо два досліди.

Дослід 1. Запалимо метан і над полум’ям потримаємо холодний предмет. На його поверхні утворюються крапельки води.

Дослід 2. Сполоснемо скляний циліндр вапняною водою та потримаємо, як і в першому досліді, над запаленим газом. Через деякий час на стінках склянки починає утворюватися нерозчинна сполука білого кольору, що свідчить про наявність вуглекислого газу.

Отже, під час горіння відбувається окиснення Карбону й Гідрогену, що містяться в складі молекули метану. Досліди є яскравим підтвердженням якісного складу метану.

Ураховуючи класифікацію реакцій за тепловим ефектом, визначаємо, що ця реакція екзотермічна, тобто відбувається з виділенням великої кількості тепла.

• Складіть самостійно термохімічне рівняння реакції, якщо її тепловий ефект становить +890 кДж/моль.

За нестачі кисню метан окиснюється частково й замість вуглекислого газу утворюється вуглець або карбон(ІІ) оксид. Карбон(ІІ) оксид інакше називають чадним газом. Він згубно діє на організм людини. Це треба пам’ятати під час використання палива в печах чи газових плитах. Рівняння реакцій:

СН₄ + О₂ = С + 2Н₂О або 2СН₄ + 3О₂ = 2СО + 4Н₂О.

У суміші з киснем у відношенні 1 : 2, а з повітрям 1 : 5 метан вибухонебезпечний. Вибухи метану відбуваються в копальнях кам’яного вугілля, можуть статися і в житлових приміщеннях, якщо необережно поводитися з газом.

Працюючи в лабораторіях, а також у побуті необхідно дотримуватися правил безпеки. За наявності запаху (до природного газу спеціально додають запашні речовини з неприємним запахом) треба добре провітрити приміщення, а в разі потреби — викликати аварійну службу газу «104».

• Пригадайте, які реакції називають реакціями заміщення.

Метан як насичений вуглеводень у реакціях заміщення взаємодіє з галогенами. Типовою є реакція хлорування, що відбувається за яскравого освітлення суміші метану з хлором або підвищеної температури (+250-200 °С).

Продуктами реакції є хлорометан і гідроген хлорид (рис. 66).

Рис. 66. Схема реакції хлорування метану (І стадія)

Реакція хлорування метану на цій стадії не закінчується, а триває далі, з послідовним заміщенням атомів Гідрогену атомами Хлору. На II стадії хлорометан продовжує реагувати з хлором (рис. 67).

На III і IV стадіях утворені продукти реакції далі реагують із хлором: на III стадії — дихлорометан з утворенням трихлорометану, а на останній IV стадії відбувається повне заміщення всіх атомів Гідрогену в молекулі метану, продуктом чого є тетрахлорометан (рис. 67).

Рис. 67. Схема реакції хлорування метану (I-IV стадії)

• Складіть самостійно рівняння реакцій ще двох стадій хлорування метану та молекулярні рівняння реакцій.

Сумарне молекулярне рівняння реакції хлорування метану:

CH₄ + 4Сl₂ → ССl₄ + 4НСl.

Метан є хімічно стійкою речовиною. Під час пропускання його крізь розчини кислот і лугів реакції не відбуваються. Він стійкий і до дії сильних окисників, а реакції заміщення відбуваються тільки за підвищеної температури.

Отже, метан виявляє низьку хімічну активність у хімічних реакціях.

Значення метану як вуглеводневої сировини в енергетиці та продуктів його хлорування. Метан широко використовують як джерело теплової енергії в промисловості та побуті для опалення приміщень і приготування їжі. Ним (у складі природного газу) наповнюють балони, які замінюють паливо в побуті там, де не проведено газову магістраль. Це паливо легко транспортувати. Окрім того, метан — один із видів пального для двигунів внутрішнього згоряння. У промисловості — сировина для синтезу багатьох неорганічних й органічних сполук. Виділення великої кількості тепла під час горіння метану використовують для різання та зварювання металів.

Не менш важливими є продукти хімічних перетворень метану (табл. 9).

Таблиця 9

Застосування продуктів хімічних перетворень метану

• Складіть коротку розповідь про застосування продуктів хімічних перетворень метану, скориставшись даними таблиці 9.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Метан — найпростіша за будовою органічна сполука, у складі молекули якої міститься один атом Карбону й 4 атоми Гідрогену.

• Щоб чітко уявляти просторову будову молекул, в органічній хімії використовують метод моделювання — один із методів пізнання навколишнього світу, і модель — замінник, аналог об’єкта.

• Молекула метану має форму тетраедра. У центрі тетраедра — атом Карбону, у якому чотири неспарені електрони зовнішнього енергетичного рівня утворюють ковалентні зв’язки з електронами чотирьох атомів Гідрогену, розміщеними у вершинах тетраедра. Кут між ними становить 109,5°.

• Метан є у складі природного газу (75-98 % об’ємних часток). Не має запаху й кольору, майже вдвічі легший за повітря, малорозчинний у воді.

• Для метану характерні такі хімічні властивості: повне окиснення (горіння); неповне окиснення (за нестачі кисню); реакції заміщення з галогенами.

• Метан і продукти його хлорування використовують у хімії органічного синтезу, медицині, у фармацевтичній галузі промисловості як розчинники лаків, смол і жирів.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Поясніть склад і будову молекули метану.

2. Поясніть, використавши знання з географії, поширення метану в природі.

3. Охарактеризуйте властивості метану: а) фізичні; б) реакції повного й неповного окиснення; в) реакції хлорування.

4. Обчисліть відносну густину метану за: а) воднем; б) гелієм.

5. Укажіть масову частку Карбону в складі метану.

• А 75,2 %
• Б 75,5 %
• В 75 %
• Г 75,3 %

6. Укажіть, який реактив треба використати, щоб серед продуктів горіння метану виявити вуглекислий газ.

• А СаСО₃
• Б Са(ОН)₂
• В СаО
• Г СаСl₂

7. Обчисліть об’єм вуглекислого газу (н. у.), що утвориться внаслідок повного згоряння метану кількістю речовини 20 моль.

8. У суміші метану з азотом об’ємом 30 л масова частка азоту становить 0,05. Обчисліть маси продуктів першої стадії хлорування метану.

9. Обчисліть об’єм водню (н. у.) і масу сажі, що утворяться під час термічного розкладу метану об’ємом 112 м³.

10. За температури 1500 °С метан розкладається на етилен С₂Н і водень. Складіть рівняння реакції та обчисліть об’єми продуктів реакції, якщо прореагував метан масою 64 кг.