§ 3. Метан — простейший представитель алканов

Определения и обозначения

Метан — простейший алкан с формулой CH₄. В его молекуле один атом углерода соединён с четырьмя атомами водорода. Это первый представитель ряда насыщенных углеводородов, поэтому его строение служит основой для изучения всех алканов.

Алканы — насыщенные ациклические углеводороды, в молекулах которых между атомами углерода есть только одинарные связи. Слово «насыщенные» означает, что углеродный скелет содержит максимально возможное число атомов водорода. Определение помогает отличать алканы от веществ с двойными, тройными связями или циклами.

Гомологический ряд алканов — последовательность веществ общей формулы C_nH_2n+2, соседние представители которой отличаются на группу CH₂. Например, после метана идут этан C₂H₆ и пропан C₃H₈. Такое правило позволяет выводить формулы алканов по числу атомов углерода.

Реакция замещения — реакция, при которой атом водорода в молекуле алкана заменяется другим атомом или группой атомов. У метана при взаимодействии с хлором замещается водород, а образуются хлорметан и хлороводород. Название реакции показывает, что углеродный скелет при этом сохраняется.

Как это устроено

Атом углерода имеет четыре валентных возможности, то есть способен образовать четыре ковалентные связи. В метане он использует их для соединения с четырьмя атомами водорода, каждый из которых образует одну связь. Четыре пары электронов отталкиваются и занимают положения, наиболее удалённые друг от друга, поэтому связи направлены к вершинам тетраэдра.

В алканах углерод соединён с соседними атомами углерода и водорода только одинарными связями. Если в цепи n атомов углерода, внутренние атомы связываются с двумя соседями, а крайние сохраняют дополнительные связи с водородом. Подсчёт приводит к формуле C_nH_2n+2, а при n = 1 получается CH₄.

Метан считается первым членом гомологического ряда, потому что содержит минимально возможное для алкана число атомов углерода — один. При добавлении ещё одного атома углерода нужно добавить к молекуле не просто углерод, а фрагмент CH₂, чтобы сохранить насыщенное строение. Поэтому последовательность начинается так: CH₄, C₂H₆, C₃H₈.

Молекула метана симметрична и почти неполярна: электрический заряд в ней распределён достаточно равномерно. Вода состоит из полярных молекул, поэтому метан плохо с ней взаимодействует и растворяется слабо. При обычных условиях метан является газом, а его неполярное строение не мешает горению, поскольку он легко реагирует с кислородом при поджигании.

При горении метан соединяется с кислородом, а атомы углерода и водорода переходят в устойчивые продукты — CO₂ и H₂O. Для полного сгорания нужен избыток кислорода; при его недостатке могут образоваться угарный газ или углерод. На свету метан реагирует с хлором иначе: атом хлора замещает атом водорода, поэтому продукты имеют формулы CH₃Cl и HCl.

Метан и общие признаки алканов

В таблице сначала найдите признаки, общие для всего класса, а затем сравните их с конкретными свойствами метана. Формула метана получается из общей формулы алканов подстановкой n = 1. Условия реакции особенно важны: горение требует кислорода, а замещение метана хлором проводят на свету.

Разбор задач

Задача 1. Формула алкана

Определите формулу алкана, содержащего четыре атома углерода, и назовите его. Число атомов углерода обозначим буквой n. Затем используем общую формулу алканов и сопоставим полученный результат с названием вещества.

1. Подставляем n = 4 в формулу C_nH_2n+2.
2. Получаем число атомов водорода: 2 · 4 + 2 = 10.
3. Формула вещества — C₄H₁₀; алкан с четырьмя атомами углерода называется бутаном.

Ответ: C₄H₁₀, бутан. Проверка проста: в формуле водорода на два атома больше, чем удвоенное число атомов углерода.

Задача 2. Горение метана

Составьте уравнение полного сгорания метана и определите количество кислорода для сжигания 2 моль CH₄. Сначала нужно уравнять состав продуктов, а затем использовать коэффициенты как молярное соотношение. В полном горении углерод переходит в CO₂, а водород — в H₂O.

1. Записываем схему: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. После уравнивания получаем: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
3. Из уравнения видно, что 1 моль метана требует 2 моль кислорода, значит 2 моль требуют 2 · 2 = 4 моль O₂.

Ответ: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O; необходимо 4 моль O₂. Если требуется масса кислорода, её можно найти по формуле m = nM.

Задача 3. Замещение хлором

Составьте уравнение реакции метана с хлором на свету и найдите массу хлорметана из 8 г метана при избытке хлора. Условие освещения указывает на реакцию замещения, а избыток хлора позволяет считать ограничивающим веществом метан. Сначала найдём количество метана, затем используем соотношение веществ и молярную массу продукта.

1. Уравнение реакции: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl, свет.
2. n(CH₄) = m/M = 8 г / 16 г·моль⁻¹ = 0,5 моль.
3. По уравнению n(CH₃Cl) = 0,5 моль, а M(CH₃Cl) = 12 + 3 + 35,5 = 50,5 г·моль⁻¹.
4. m(CH₃Cl) = nM = 0,5 · 50,5 = 25,25 г.

Ответ: образуется 25,25 г хлорметана. Коэффициенты равны единице, поэтому количество хлорметана равно количеству исходного метана.

Типичные ошибки

Формула C₂H₆ для метана. Так ошибаются, когда путают первый и второй члены ряда: C₂H₆ — это этан. Проверьте индекс углерода: у метана он равен единице, поэтому формула CH₄.

Формула C_nH_2n для алканов. Её иногда переносят из темы о других углеводородах, но для алканов водорода на два атома больше. Самопроверка: при n = 1 общая формула должна давать CH₄, а не CH₂.

В продуктах горения записывают только CO₂. Такая запись учитывает углерод, но оставляет без объяснения атомы водорода. Составьте продукты отдельно для каждого элемента: углерод даёт CO₂, водород — H₂O.

Реакцию с хлором записывают без света или называют присоединением. У алкана нет кратной связи, к которой мог бы присоединиться хлор, поэтому характерно замещение. Проверьте, указан ли свет над стрелкой и заменился ли один атом водорода на Cl.

Связь с другими темами

Для понимания метана нужны знания о валентности углерода и водорода, углеводородах, молекулярных и структурных формулах. Также важно уметь составлять и уравнивать химические реакции. Эти умения позволяют объяснить формулу CH₄ и записать продукты реакций.

Метан открывает изучение гомологического ряда алканов. Далее на его основе рассматривают изомерию, правила названий и строение органических веществ. Общая формула помогает быстро находить состав других представителей ряда.

Горение метана связано с расчётами состава и расхода топлива. Реакция замещения подготавливает к изучению химических свойств других углеводородов. Поэтому тема соединяет строение вещества, его свойства и практические расчёты.

Что запомнить

• Метан — простейший алкан с молекулярной формулой CH₄.
• Алканы содержат только одинарные связи между атомами углерода.
• Общая формула алканов: C_nH_2n+2.
• Молекула метана имеет тетраэдрическое строение.
• Соседние алканы в гомологическом ряду отличаются на группу CH₂.
• При полном горении метана образуются углекислый газ и вода.
• С хлором метан реагирует по механизму замещения на свету.