§ 20. МЕТАН ЯК ПРЕДСТАВНИК НАСИЧЕНИХ ВУГЛЕВОДНІВ

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).

Рис. 64. Розташування орбіталей у просторі

Ковалентні зв’язки утворюються за рахунок одного s- 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 кулестержнева модель молекули. Масштабну модель зображено на рисунку 66.

Рис. 65. Кулестержнева модель молекули метану

Рис. 66. 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 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 біовідходів. Біогаз містить у своєму складі 55-75 % метану.

Рис. 67. Альтернативні джерела енергії

• 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(ІV) оксид і вода. Рівняння реакції повного окиснення (рис. 68):

Рис. 68. Схема реакції горіння метану

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).

Рис. 69. Схема реакції хлорування метану (І стадія)

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 IV стадій є трихлорометан СНСl₃ і тетрахлорометан ССl₄.

• 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).

Застосування продуктів хімічних перетворень метану

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.

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

• 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.

Метан

Метан (CH₄) – це найпростіший алкан і головний компонент природного газу. Він складається з одного атома вуглецю, зв’язаного з чотирма атомами водню. Метан є безбарвним та беззапаховим газом при нормальних умовах.

Метан є потужним парниковим газом і має велике значення в контексті зміни клімату. Він може виходити в атмосферу під час природних процесів (наприклад, багаторічних замерзлих ґрунтів або боліт) або в результаті антропогенної діяльності, такої як видобуток та транспортування нафти та газу, звалища відходів та сільське господарство.

Молекулярна формула метану

Структурна формула метану

В структурній формулі атом вуглецю (C) має чотири валентні електрони і утворює чотири одинарних ковалентних зв’язки з атомами водню (H), утворюючи таким чином молекулу метану (CH₄).

Кулестержнева модель метану

Фізичні властивості метану

Метан (CH₄) має наступні фізичні властивості:

1. Агрегатний стан: Метан є газом при нормальних умовах температури і тиску. Його кипіння відбувається при температурі -161,5 °C (-258,7 °F), а замерзання при температурі -182,5 °C (-296,5 °F).
2. Безбарвний і беззапаховий: CH₄ сам по собі безбарвний і беззапаховий. Однак у деяких випадках до метану додають запахові речовини, щоб легше виявляти його наявність, оскільки метан без запаху і висока концентрація може бути небезпечною, тому додавання запаху дозволяє раннє виявлення витоку газу.
3. Низька густина: Густина метану при нормальних умовах температури і тиску становить близько 0,717 кг/м³. Це робить його легким газом, який може швидко розповсюджуватися у повітрі.
4. Низька розчинність: Метан має низьку розчинність у воді. При нормальних умовах, лише обмежена кількість метану може розчинятися в воді.
5. Високий показник горючості: CH₄ є дуже горючим газом, він змішується з повітрям і утворює вибухонебезпечні суміші, які можуть запалюватися легкою іскрою або відкритим вогнем.
6. Низький тиск парів: Метан має низький тиск парів при нормальних умовах, що робить його менш небезпечним з точки зору пароутворення порівняно з іншими вуглеводневими сполуками.

Хімічні властивості метану

Метан (CH₄) має такі хімічні властивості:

1. Горіння: CH₄ є дуже горючим газом. Він реагує з киснем у присутності вогню або іскри, утворюючи воду (H₂O) і викидаючи діоксид вуглецю (CO₂) і енергію. Реакція горіння метану є екзотермічною (виділяє тепло).
2. Окиснення: Метан може бути окислений за участю інших окислювачів, таких як хлор (Cl₂) або бром (Br₂). У таких реакціях утворюються галогеновмісні похідні метану.
3. Гідрогенування: Метан може піддаватися реакції гідрогенування, де він реагує з молекулярним воднем (H₂) у присутності каталізатора, утворюючи більш складні алкани.
4. Галогенація: CH₄ може взаємодіяти з галогенами (хлором, бромом або йодом) у присутності світла або каталізаторів. У результаті цих реакцій утворюються галогеновмісні похідні метану.
5. Окислення: Метан може бути окислений до формальдегіду (CH₂O) та більш високих окисних форм в присутності окисників, таких як перекис водню (H₂O₂) або кисень (O₂).
6. Підкислення: Метан може реагувати з кислотами, утворюючи солі метану. Наприклад, реакція метану з хлороводнем (HCl) призводить до утворення хлориду метилу (CH₃Cl).
7. Полімеризація: CH₄ може бути підданий полімеризації, де він утворює полімери, такі як поліетилен.

Добування метану

Метан може бути добутий з різних джерел, включаючи природні газові родовища, біогаз, вугілля та гідрати метану.

Ось деякі методи добування метану:

1. Природні газові родовища: Основним джерелом метану є природні газові родовища, де він знаходиться у складі земного газу. Добування природного газу включає бурові роботи для отримання доступу до пластів, де знаходиться газ, та використання спеціального обладнання для вилучення газу на поверхню.
2. Біогаз: Метан може бути видобутий з біологічних джерел, таких як навоз, стічні води, біологічні відходи та органічні матеріали. Цей процес відбувається у біогазових установках, де відбувається бродіння органічних речовин бактеріями без доступу до кисню.
3. Вугілля: Метан може бути видобутий з вугілля в процесі вуглеводневої газифікації. У цьому процесі вугілля піддається високим температурам і тиску, що дозволяє вилучити метан з вуглеводневих сполук у вугільних родовищах.
4. Гідрати метану: Гідрати метану є замороженими формами метану, які знаходяться у вигляді кристалічних структур в океанському дні або у деяких льодовиках. Добування гідратів метану є складним процесом, оскільки вони знаходяться на великій глибині та вимагають спеціальних технологій для їх розробки.
5. Синтетичний метан: Метан також може бути вироблений шляхом хімічних реакцій, таких як синтез газу (вуглекислий газ і водень) або метаногенез (реакції між окисниками та органічними сполуками).

Ці методи добування метану використовуються залежно від доступності джерел та вимог до метану у конкретній галузі.

Застосування метану

Метан має різноманітні застосування у різних галузях.

Ось деякі основні області використання метану:

1. Енергетика: Метан є важливим джерелом енергії. Він використовується як природний газ для опалення будівель, виробництва електроенергії та внутрішнього спалювання у газових турбінах та двигунах.
2. Транспорт: CH₄ може бути використаний як паливо для газових автомобілів та автобусів. Використання метану як альтернативного палива може допомогти знизити залежність від нафтопродуктів та зменшити викиди шкідливих речовин.
3. Промисловість: Метан використовується як сировина для виробництва різноманітних хімічних продуктів, таких як метанол, формальдегід, ацетілен, синтетичний газ та інші органічні сполуки.
4. Сільське господарство: CH₄ виникає під час бродіння органічних матеріалів, таких як навоз, у вигляді біогазу. Цей біогаз може бути використаний як джерело енергії для опалення, електропостачання та заміщення інших палив у сільському господарстві.
5. Геологічне зберігання: CH₄ може бути збережений у підземних резервуарах або підводних газових нафтових сховищах для майбутнього використання.
6. Криогеніка: Завдяки своїй низькій температурі кипіння (-161,5 °C), метан може бути використаний як холодоносій у криогенній технології, наприклад, для охолодження реакторів або вакуумних систем.
7. Астрономія: Метан є важливим газом у вивченні атмосфер планет, зокрема Юпітера, Сатурна та інших газових гігантів.

Застосування метану в різних галузях свідчить про його значення як палива, сировини та енергетичного ресурсу.