mozok.click » Хімія » Метан як представник насичених вуглеводнів
Інформація про новину
  • Переглядів: 733
  • Автор: admin
  • Дата: 1-02-2018, 18:01
1-02-2018, 18:01

Метан як представник насичених вуглеводнів

Категорія: Хімія

Опанувавши 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, користуючись періодичною системою хімічних елементів (див. перший форзац).

Отже, до складу молекули метану входять один атом Карбону й чотири атоми Гідрогену. Хімічна формула — СН4. Як відомо, 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 можна скласти електронну, позначивши пари електронів, що утворюють ковалентні зв’язки, крапками:

Якщо замінити крапки на риски, отримаємо структурну формулу:



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

Метод моделювання та його значення. Там, де не можна спостерігати будову речовини або явище, застосовують метод моделювання. У науці моделювання розглядають як один з методів пізнання навколишнього світу, а модель — як замінник, аналог 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 відтворюють перебіг реакцій.

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 виготовляють 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 розташований атом Карбону, сполучений ковалентними зв’язками з атомами Гідрогену, розміщеними на вершинах. Кут між зв’язками — 109,5° (рис. 64).

Ковалентні зв’язки утворюються за рахунок одного 5- і трьох р-електронів атома Карбону й s-електронів атомів Гідрогену.

Якщо використати кульки й стержні, будова молекули матиме такий вигляд, як зображено на рисунку 65. Це кулестерж-нева модель молекули. Масштабну модель зображено на рисунку 66.

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 та масштабну моделі молекул метану, дотримуючись тетраедричної форми молекули.

Фізичні властивості метану та поширення в природі. Метан — це газ, що становить 75-98 % об’ємних часток природного газу. Не має запаху й кольору, майже вдвічі легший за повітря, малорозчинний у воді.

Здебільшого метан входить до складу природного газу, супутніх нафтових газів, є в пластах кам’яного вугілля. Метан часто називають болотним газом, тому що він утворюється на дні болотистих річок і озер

від розкладання та бродіння рослинних решток. Однак запаси природного газу з часом вичерпуються й 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 під час мікробіологічного розкладу біомаси або біовідхо-дів. Біогаз містить у своєму складі 55-75 % метану.

Поясніть, які альтернативні джерела енергії зображено на рисунку 67.

Важливо знати, що метан потрапляє в атмосферу внаслідок господарської діяльності людини. Разом з вуглекислим газом він є причиною парникового ефекту.

Пригадайте, яку шкоду спричиняє парниковий ефект і які заходи вам відомі щодо його попередження.

Хімічні властивості метану. Вивчаючи ознаки відмінності органічних і неорганічних речовин, ви дізналися, що всі органічні сполуки горять. Унаслідок горіння метану утворюється карбон(ІУ) оксид і вода. Рівняння реакції повного окиснення (рис. 68):

За продуктами горіння можна довести, що метан складається з Карбону та Гідрогену. Для цього проведемо досліди.

Дослід 1. Запалимо метан і над його 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 горючим газом. Згодом стінки циліндра помутніють, що свідчить про наявність вуглекислого газу.

Отже, під час горіння відбувається окиснення Карбону й Гідрогену, які входять до складу 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. У цьому випадку замість вуглекислого газу виділяється 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 приладах побутового призначення. Рівняння реакцій:

У суміші з киснем 1 : 2, а з повітрям 1 : 5 метан вибухонебезпечний. Вибухи метану відбуваються в копальнях кам’яного вугілля, можуть статися й у 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 газову службу.

Пригадайте, які реакції називають реакціями заміщення.

Метан, як насичений вуглеводень, вступає в реакції заміщення з галогенами. Типовою є реакція хлорування, що відбувається під час яскравого освітлення суміші метану з хлором або за сильного нагрівання.

Продуктами реакції є хлорометан і гідроген хлорид (рис. 69). Реакція хлорування метану на цьому не закінчується, а триває далі, послідовно заміщуючи атоми Гідрогену атомами Хлору. На ІІ стадії хлорометан далі реагує з хлором.

Продуктами ІІІ та ІУ стадій є трихлорометан СНСІз і тетра-хлорометан ССІ4.

Напишіть самостійно рівняння реакцій ще двох стадій хлорування метану та молекулярні рівняння реакцій.

Сумарне молекулярне рівняння реакції хлорування метану:

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 сильного нагрівання.

Отже, метан проявляє низьку хімічну активність під час хімічних реакцій.

Застосування метану та продуктів хімічних перетворень метану.

Метан широко використовують як джерело теплової енергії в промисловості та побуті для обігріву приміщень, приготування їжі. Ним (у складі природного газу) наповнюють балони, які замінюють паливо в побуті там, де не проведена газова магістраль. Це паливо легко транспортується. Крім того, це один з видів пального для двигунів внутрішнього згоряння. У промисловості — сировина для синтезу багатьох неорганічних та 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. 10).


Таблиця 10

Застосування продуктів хімічних перетворень метану

Назва

Хімічна

формула

Застосування

Сажа

Виготовлення друкарських фарб, гуми, барвників

Водень

Відновник металів на металургійних виробництвах, у великій кількості витрачається на синтез амоніаку й інших речовин

Хлорометан

У синтезі багатьох органічних речовин, зокрема силіконових полімерів; як розчинник для видалення плям від жиру та слідів смол; ракетне паливо, гербіциди

Дихлорометан

Розчинник лаків, смол, жирів; як клей для склеювання пластику; добування пестицидів; виготовлення деяких фармацевтичних препаратів, ароматизаторів; як місцевий анестетик

Трихлорометан

Для місцевого й загального наркозу; виробництва фреонів, пестицидів; як розчинник у фармацевтичній промисловості

Тетрахлорометан

Як холодоагент, розчинник; засіб для гасіння пожеж у вогнегасниках; у медицині

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

Метан — найпростіша за будовою органічна сполука, до складу молекули якої входять один атом Карбону й чотири атоми Гідрогену.

Щоб чітко уявляти просторову будову молекул, в органічній хімії використовують метод моделювання. У науці це один з методів пізнання навколишнього світу, а модель — замінник, аналог об’єкта.

Молекула метану має форму тетраедра. У центрі тетраедра — атом Карбону, у якого один s- і три р-електрони утворюють ковалентні зв’язки із s-електронами чотирьох атомів Гідрогену на його вершинах. Кут між ними становить 109,5°.

Метан — це газ, що входить до складу природного газу (75-98 % об’ємних часток). Не має запаху й кольору, майже вдвічі легший за повітря, малорозчинний у воді.

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

Метан і продукти його хлорування набули широкого застосування в хімії органічного синтезу, медицині, у фармацевтичній 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) хімічні.

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 СаСІ2

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.

 

Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Савчин

 






^