§ 9. Метан — простейший представитель алканов

Определения и обозначения

Метан — простейший углеводород состава CH₄, молекула которого содержит один атом углерода и четыре атома водорода. Углерод образует с водородом четыре одинарные связи: структурную формулу можно записать как CH₄ с четырьмя связями C—H. Это исходный пример для понимания строения всех алканов.

Алканы — насыщенные углеводороды с открытой цепью, в молекулах которых между атомами углерода имеются только одинарные связи. Насыщенными их называют потому, что углеродный скелет содержит максимально возможное число атомов водорода. К этому классу относятся метан, этан, пропан и другие вещества.

Гомологический ряд алканов — последовательность веществ общей формулы CₙH₂ₙ₊₂, соседние члены которой отличаются на группу CH₂. Буква n показывает число атомов углерода в молекуле. Эта формула позволяет быстро определить состав алкана и место метана среди родственных веществ.

Реакция замещения — превращение, при котором атом водорода в метане замещается атомом другого элемента, например хлора. В результате образуются хлорметан и хлороводород. Такой тип реакции характерен для алканов и отличается от присоединения к двойной или тройной связи.

Как это устроено

Атом углерода имеет четыре валентных электрона и стремится образовать четыре общие электронные пары. Каждый атом водорода предоставляет один электрон для образования одной связи C—H, поэтому вокруг углерода возникают четыре одинаковые связи. Электронные пары отталкиваются и располагаются как можно дальше друг от друга, из-за чего углы между связями близки к 109,5°, а молекула имеет форму тетраэдра.

Для алканов число атомов водорода связано с числом атомов углерода формулой CₙH₂ₙ₊₂. Если n = 1, получаем C₁H₄, то есть CH₄, поэтому метан является первым членом ряда. Следующий алкан имеет состав C₂H₆, а разность между CH₄ и C₂H₆ соответствует группе CH₂.

При обычных условиях метан находится в газообразном состоянии, потому что его молекулы маленькие и слабо притягиваются друг к другу. Он не имеет цвета и почти не растворяется в воде: неполярные молекулы метана плохо взаимодействуют с полярными молекулами воды. Плотность метана мала, так как его относительная молекулярная масса равна 16, а молярная масса воздуха примерно 29 г/моль.

При горении метан реагирует с кислородом воздуха. Атом углерода полностью окисляется до углекислого газа, а водород превращается в воду: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Разрыв и образование химических связей сопровождаются выделением энергии, поэтому реакция является экзотермической и используется для получения теплоты.

В молекуле метана нет кратных связей, поэтому хлор не присоединяется к ней, а заменяет один из атомов водорода. Для начала реакции нужна световая энергия, обычно уравнение записывают так: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl, свет. При дальнейшем хлорировании последовательно могут образовываться CH₂Cl₂, CHCl₃ и CCl₄, если хлора достаточно и создаются подходящие условия.

Метан: строение, свойства и химические реакции

Таблица помогает связать состав метана с его физическими и химическими свойствами. Уравнение или формула показывает, какие частицы участвуют в процессе, а последняя колонка описывает условия и наблюдаемый результат.

Разбор задач

Задача 1. Формула и строение

Условие: запишите молекулярную и структурную формулы метана, определите число связей C—H и объясните его положение среди алканов.

1. Углерод четырёхвалентен, а водород одновалентен, поэтому один атом углерода соединяется с четырьмя атомами водорода.
2. Молекулярная формула имеет вид CH₄, а структурную можно представить как атом C, связанный четырьмя одинарными связями с атомами H.
3. Подставим n = 1 в формулу алканов CₙH₂ₙ₊₂: получим C₁H₄, то есть CH₄.

Ответ: молекулярная формула CH₄, структурная формула содержит четыре связи C—H; метан — первый член ряда алканов.

Задача 2. Объёмы газов при горении

Условие: рассчитайте объём кислорода для полного сгорания 10 л метана при одинаковых условиях и объём образовавшегося углекислого газа.

1. Запишем уравнение: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
2. По коэффициентам 1 объём CH₄ реагирует с 2 объёмами O₂, поэтому V(O₂) = 10 л · 2 = 20 л.
3. На 1 объём метана образуется 1 объём CO₂, следовательно, V(CO₂) = 10 л.

Ответ: потребуется 20 л кислорода, образуется 10 л углекислого газа.

Задача 3. Монохлорирование

Условие: составьте уравнение реакции монохлорирования метана на свету, назовите органический продукт и укажите тип реакции.

1. При монохлорировании заменяется только один атом водорода, поэтому из CH₄ получается CH₃Cl.
2. Вторым продуктом становится HCl: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl.
3. Свет указывают над стрелкой, поскольку он необходим для запуска реакции разрыва связи Cl—Cl.

Ответ: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl, свет; органический продукт — хлорметан, тип реакции — замещение.

Типичные ошибки

CH₃ или C₂H₆ вместо CH₄. Ошибка возникает, если забыть, что углерод образует четыре связи, а метан содержит только один атом углерода. Проверьте формулу подстановкой n = 1 в CₙH₂ₙ₊₂.

Хлорирование называют присоединением. У метана нет двойной или тройной связи, к которой мог бы присоединиться хлор. Если атом водорода заменён атомом хлора, это замещение.

Не указывают свет. При обычных условиях метан и хлор не реагируют заметно самопроизвольно, поэтому условие записывают над стрелкой. Проверяйте каждое уравнение: для хлорирования метана должно быть указано освещение.

При полном горении записывают CO. Угарный газ образуется при недостатке кислорода, а полное горение даёт CO₂ и H₂O. Проверьте баланс атомов и наличие достаточного количества O₂.

Связь с другими темами

Для понимания строения метана нужны знания о валентности углерода и водорода, углеводородах, химической связи, молекулярной и структурной формулах. Далее эти представления используются при изучении других алканов, их изомерии, номенклатуры и реакций органических веществ. Практическая связь проявляется в использовании природного газа, расчётах топливных смесей и оценке экологической безопасности горения.

Что запомнить

• Метан имеет молекулярную формулу CH₄.
• Метан — первый и самый простой представитель алканов.
• Общая формула алканов с открытой цепью — CₙH₂ₙ₊₂.
• Молекула метана имеет тетраэдрическое строение.
• При полном горении метана образуются CO₂ и H₂O.
• Хлорирование метана на свету — реакция замещения.
• Метан является основным компонентом природного газа и используется как топливо.