"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Метан CH₄ — самый простой углеводород и первый представитель алканов. В его молекуле один атом углерода соединён с четырьмя атомами водорода, поэтому она имеет тетраэдрическое строение. Метан входит в состав природного газа, используется как топливо и служит удобным примером для изучения свойств насыщенных углеводородов. Для него характерны горение с образованием углекислого газа и воды, а также реакция замещения с хлором на свету.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
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.
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.
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.
| Характеристика | Содержание | Уравнение или формула | Условия и наблюдаемый результат |
|---|---|---|---|
| Состав и строение молекулы | Один атом углерода и четыре атома водорода; тетраэдрическая молекула. | CH₄; четыре связи C—H. | Бесцветный газ, молекулы которого имеют пространственную форму тетраэдра. |
| Положение в гомологическом ряду | Первый и самый простой алкан. | CₙH₂ₙ₊₂; при n = 1 получается CH₄. | Соседний член ряда — этан C₂H₆; разность состава равна CH₂. |
| Физические свойства | Газ, почти не растворяется в воде, имеет низкую плотность. | M(CH₄) = 16 г/моль. | При обычных условиях не имеет цвета и легче воздуха. |
| Горение | Реакция метана с кислородом с выделением теплоты. | CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. | При достатке кислорода метан горит голубоватым пламенем. |
| Хлорирование | Замещение атома водорода атомом хлора. | CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl. | На свету образуется хлорметан; при дальнейшем процессе возможны другие хлорпроизводные. |
| Практическое значение и применение | Основной компонент природного газа, топливо и сырьё химической промышленности. | CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. | Используется для отопления и получения энергии; утечки пожаро- и взрывоопасны. |
Условие: запишите молекулярную и структурную формулы метана, определите число связей C—H и объясните его положение среди алканов.
Ответ: молекулярная формула CH₄, структурная формула содержит четыре связи C—H; метан — первый член ряда алканов.
Условие: рассчитайте объём кислорода для полного сгорания 10 л метана при одинаковых условиях и объём образовавшегося углекислого газа.
Ответ: потребуется 20 л кислорода, образуется 10 л углекислого газа.
Условие: составьте уравнение реакции монохлорирования метана на свету, назовите органический продукт и укажите тип реакции.
Ответ: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl, свет; органический продукт — хлорметан, тип реакции — замещение.
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.
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.
Почему метан относят к насыщенным углеводородам?
В молекуле метана между атомом углерода и атомами водорода имеются только одинарные связи. Углерод полностью использует четыре валентности, поэтому дополнительных связей присоединения образовать нельзя.
Почему у метана нет изомеров?
Молекула метана содержит только один атом углерода, поэтому перестроить углеродный скелет невозможно. Следовательно, для состава CH₄ существует только одна структура.
Чем реакция хлорирования метана отличается от реакции присоединения?
При хлорировании атом хлора заменяет атом водорода в молекуле метана, поэтому это реакция замещения. Реакции присоединения требуют кратной связи, а в метане её нет.
Почему метан может быть опасен в бытовых условиях?
Метан легко воспламеняется, а его смесь с воздухом может взрываться при наличии источника огня или искры. Кроме того, при недостатке кислорода образуется ядовитый угарный газ, поэтому утечка метана опасна.
Как по уравнению горения метана определить объёмы реагирующих газов?
Сначала записывают уравнение CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Для газов при одинаковых условиях объёмы относятся как коэффициенты, поэтому на 1 объём метана требуется 2 объёма кислорода и образуется 1 объём углекислого газа.
§ 9. Метан — простейший представитель алканов