Przypomnijcie sobie:
• układanie elektronowo graficznych wzorów cząsteczek (według § 2);
• porównać gęstość gazów można, obliczając względną gęstość gazu, która dorównuje stosunkowi cząsteczkowych mas gazów (Dodatek 1).
Cząsteczkowy i strukturalny wzór metanu
Z poprzedniego paragrafu już wiesz, że najprostszymi związkami organicznymi są węglowodory - substancje zbudowane tylko z dwóch pierwiastków: węgla i wodoru. Wśród węglowodorów najprostszymi związkami są węglowodory nasycone, lub alkany.
Wzór cząsteczkowy metanu - CH4. W tej cząsteczce cztery atomy wodoru połączone są wiązaniami kowalencyjnymi z atomem węgla i wzór strukturalny metanu ma taką postać:
Węgiel i wodór mają bliskie wartości elektroujemności (2,55 i 2,20 odpowiednio). Dlatego między nimi jest wiązanie kowalencyjne niespo-laryzowane. Cząsteczka metanu też jest niespolaryzowana.
Budowa cząsteczki metanu.
Podstawowy i wzbudzony stan atomu węgla
Cząsteczka metanu zawiera cztery wiązania C-H - są to wiązania kowalencyjne, do których zrealizowania niezbędne jest powstanie czterech wspólnych par elektronowych:
Przypomnij sobie, że w stanie zwykłymi (podstawowym) na zewnętrznej powłoce elektronowej atomu węgla rozmieszczone są cztery elektrony: jedna para na s-orbitalu i dwa elektrony niesparowane na p-orbi talach.
W takim stanie atom węgla może utworzyć tylko dwa wiązania kowalencyjne. Aby powstały cztery wiązania na zewnętrznym poziomie powinny być cztery niesparowane elektrony. Dlatego atom węgla pochłania niedużą ilość energii i przechodzi w stan wzbudzony, w którym jeden z elektronów s-orbitalu przechodzi na wolny p-orbital.
Lecz nawet pod warunkiem takiego przejścia jednego elektronu, jeden s-orbital i trzy p-orbitale zewnętrznego poziomu nie mogą utworzyć czterech wiązań, ponieważ s-orbital przestrzennie niedostępny jest do pokrywania się z orbitalami innych atomów (ras. 23.1). Właśnie dlatego, kiedy węgiel przechodzi w stan wzbudzony, wszystkie cztery orbitale zewnętrznego poziomu energetycznego nabywają jednakowej energii, to znaczy i kształtu (niesymetrycznej foremnej ósemki) (rys. 23.2, a) i orientuje się już inaczej (rys. 23.2, b): są one skierowane do wierzchołka regularnej piramidy trójkątnej (tetraedru). Przy takim kształcie i skierowaniu wszystkie orbitale atomu węgla w stanie wzbudzonym bez ograniczeń mogą pokrywać się z orbitalami innych atomów (rys. 23.3).
Przy powstaniu wiązań chemicznych między atomami węgla i wodoru te wiązania też będą skierowane ku wierzchołkowi piramidy trójkątnej pod kątem 109,5°, dlatego cząsteczki metanu mają kształt tetraedru (rys. 23.4).
Zmianę kształtu i skierowania orbitali atomowych podczas przejścia atomów w stan wzbudzony nazywa się hybrydyzacją, a orbitale, które doznały zmian, nazywa się zhybrydyzowanymi. Przy powstaniu cząsteczki metanu zmiany zachodzą z jednym s-orbitalem i trzema p-orbitalami, dlatego taki stan atomu węgla nazywa się sp3-zhybrydyzowanym (patrz rys).
Trzy jednakowe p-orbitale w atomie węgla w stanie podstawowym muszą być rozmieszczone w taki sposób, żeby znajdować się na maksymalnej odległości jeden od drugiego. Właśnie dlatego p-orbitale są rozmieszczone na osiach wzajemnie prostopadłych (rys. 23.1). W stanie wzbudzonym jednakowych (zhybrydyzowanych) orbitali jest już cztery i one też muszą być rozmieszczone w taki sposób, żeby znajdować się w maksymalnej odległości od siebie. Właśnie tak tłumaczy się tetraedryczne skierowanie sp3-zhybrydyzowanych orbitali. Zjawisko hybrydyzacji wyjaśnia kształt zarówno organicznych, jak i nieorganicznych cząsteczek, lecz z tym zapoznasz się w trakcie pogłębiania wiedzy chemicznej.
Fizyczne właściwości metanu i rozpowszechnienie w przyrodzie Metan w warunkach zwykłych jest bezbarwnym gazem bez zapachu; gęstość przy 0°C wynosi 0,7168 kg/m3, nierozpuszczalny w wodzie (0,02 g metanu w 1 kg wody przy 25 °C), w przypadku silnego ochłodzenia przekształca się w ciecz lotną (twrz = -161,6 °C), a w przypadku dalszego ochładzania - w bezbarwne kryształy (ttop = -182,5°C).
Przy stężeniu w powietrzu od 4,4 do 17 % metan wybucha. Metan jest podstawowym składnikiem gazu ziemnego, który wykorzystujemy w życiu codziennym i dlatego wyciek gazu może spowodować poważne skutki (rys. 23.5). Z powodu braku zapachu wyciek metanu wykryć jest niemożliwie, dlatego do gazu ziemnego podczas wydobywania dodaje się specjalne
substancje z zapachem (odoranty). Zazwyczaj są to substancje organiczne należące do merkaptanów (tiole), które posiadają specyficzny zapach zepsutego mięsa.
Metan - to gaz nietoksyczny i w małych stężeniach jest bezpieczny dla człowieka, lecz przy dużej zawartości metanu w powietrzu (25-30 %) człowiek może stracić przytomność i umrzeć, ponieważ metan nie podtrzymuje oddychania.
Metan - to jeden z gazów cieplarnianych, ponieważ on wykazuje
efekt cieplarniany, przy tym nawet 20-25 razy większy niż dwutlenek węgla. W ostatnich latach stężenie metanu w powietrzu znacznie zwiększyło się z powodu intensywnej hodowli zwierząt: każda krowa w ciągu doby wydziela około 300 1 metanu, a światowa liczba krów wynosi ponad 1,5 min, nie licząc trzody.
Metan - to rozpowszechniona w przyrodzie substancja. Jego zawartość w gazie ziemnym wynosi 77-99 %, w gazie towarzyszącym ropie naftowej -31-90 %. Także metan wchodzi w skład gazu górniczego (tego, który wydziela się w kopalniach) i błotnego (tego, który wydziela się na błotach).
Na Ukrainie złoża metanu w postaci gazu ziemnego wynoszą około 1,5 tryliona m3 (28. miejsce wśród wszystkich krajów świata). Największe na Ukrainie złoża gazu i ropy naftowej zgromadzone są w regionie dnieprowsko-donieckim i karpackim. Znaczne złoża gazu ziemnego są w części równinnej Półwyspu Krymskiego oraz na szelfie czarnomorskim i azowskim. Według opinii wielu ekspertów, Ukraina ma wielkie perspektywy wydobywania gazu ziemnego na skalę światową w części północnej szelfu czarnomorskiego, gdzie prawdopodobnie rozmieszczone są największe złoża gazu ziemnego pod dnem Morza Czarnego.
W wielkich ilościach metan jest transportowany rurociągami. Także metan można przechowywać pod wysokim ciśnieniem w specjalnych stalowych butlach pomalowanych na czerwony kolor (rys. 23.6).
Znaczna ilość metanu istnieje na Ziemi w postaci tak zwanych gazohydratów (produktów połączenia z wodą). Takie związki istnieją tylko w warunkach niskiej temperatury i wysokiego ciśnienia, dlatego są spotykane w morzach północnych na głębokości około 1 km. Uważa się, że zapasy takiego metanu są 100 razy większe od zapasów wszystkich poznanych obecnie złóż gazu ziemnego.
Wybór merkaptanu do nadania zapachu metanowi nie jest przypadkowy: węch człowieka może pobierać zapach merkaptanu nawet wtedy, gdy w li powietrza będzie go tylko 10“16 moli. W takim stężeniu nawet pies nie może odczuć jego zapachu.
Na Ukrainie gazowe oświetlenie ulic (z wykorzystaniem metanu) po raz pierwszy było wprowadzone we Lwowie w roku 1858, a potem zjawiło się w Odessie, Charkowie, Kijowie i Czerniowcach. Później w tych miastach gaz zaczęto wykorzystywać jako paliwo.
Gazohydraty są substancjami klat-ratowymi (od łac. clathratus - ten, który jest zamknięty kratami, posadzony do klatki), lub substancjami włączenia. Klatratowymi nazywają się związki, w których niewielkie cząsteczki, takie jak metan, rozmieszczone są w pustotach między cząsteczkami ciekłej wody (jak podano na rysunku) i faktycznie są gazowymi hydratami. Takie związki są charakterystyczne dla wielu substancji gazowych, zwłaszcza metanu, lecz one są związkami stałymi tylko w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury. W przypadku dostania się hydratu metanu w normalne warunki, rozkłada się on na metan gazowy i ciekłą wodę. Jedna objętość hydratu matanu może wydzielić 160-180 objętości czystego gazu.
Myśl główna
Węglowodory - to najprostsze substancje organiczne złożone z atomów węgla
i wodoru. Metan - to najprostszy węglowodór.
Pytania kontrolne
261. Napiszcie strukturalny i elektronowy wzór metanu. Wymień rodzaje wiązań w metanie.
262. Na czym polega różnica między podstawowym i wzbudzonym stanem węgla? Jak jest to powiązane z możliwością powstania cząsteczki metanu i jego wzorem?
263. Podajcie opis fizycznych właściwości metanu.
264. Dlaczego do gazu ziemnego dodaje się substancję o silnym zapachu?
Zadania utrwalające wiedzę
265. Obliczcie, ile razy gęstość metanu jest większa (mniejsza) od powietrza.
266. Wykorzystując informację zawartą w paragrafie, obliczcie część masy metanu w jego nasyconym przy 25 °C roztworze w wodzie.
267. Przy temperaturze 0°C rozpuszczalność metanu w wodzie stanowi 0,04 g na 1 kg wody. Obliczcie objętość metanu, który może wydzielić się z nasyconego przy tej temperaturze roztworu o masie 1000 kg.
268. Obliczcie minimalną objętość metanu, która wycieknie z pieca gazowego, aby powietrze w kuchni stało się wybuchowe. Uwzględnij, że powierzchnia kuchni wynosi 10 m2, wysokość sufitu - 2,5 m, a ciśnienie w kuchni nie zmienia się. inne dane znajdź w tekście paragrafu. (Pamiętajcie, że wyciek dowolnej ilości gazu jest bardzo niebezpieczną sytuacją!)
269. W 2015 roku zużycie gazu ziemnego na Ukrainie stanowiło około 34 mld m3 na rok. Znajdź w tekście paragrafu niezbędną informację i oblicz, na ile lat Ukrainie wystarczy własnych sprawdzonych zapasów gazu ziemnego, pod warunkiem jego użytkowania na tym samym poziomie.
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz