Метан – найпростіша органічна сполука. Молекулярна, електронна та структурна формули метану. Поширення в природі. Фізичні та хімічні властивості: реакції повного окиснення, заміщ

Хімія 9 клас

Урок 2. Метан – найпростіша органічна сполука.  Молекулярна, електронна та структурна формули метану. Поширення в природі.  Фізичні та хімічні властивості: реакції повного окиснення, заміщення.

Конспект уроку.

Ми розглянемо найпростішу органічну речовину метан, ознайомимося з будовою його молекули, типом гібридизації електронних орбіталей атома Карбону в молекулі метану, навчимося писати молекулярну, структурну, електронну формули молекули, вивчимо фізичні та хімічні властивості метану, виявимо зв’язок будови та властивостей молекули метану, дізнаємося про поширення в природі та його застосування.

♦ Поясніть, чому в органічних сполуках атом Карбону проявляє валентність IV. (слайд 2 )

Узагальнення вчителя

У  переважній більшості випадків Карбон в органічних сполуках - чотиривалентний. Це пов'язано з тим, що під час утворення ковалентного зв'язку атом Карбону переходить у збуджений стан, за якого електронна пара на 2s-орбіталі роз'єднується і один електрон займає вакантну р-орбіталь.

♦ 3 якими особливостями будови атома Карбону пов'язана різноманітність органічних сполук? (слайд 3)

Узагальнення вчителя

Карбон — особливий елемент. Жоден інший хімічний елемент не здатний утворювати таку кількість сполук (приблизно  6,5 млн  органічних сполук). Причина цієї різноманітністі полягає в тому, що атоми Карбону здатні:

1) з’єднуватися один з одним у ланцюги різної будови — відкриті (нерозгалужені, розгалужені, замкнені);

2) утворювати не лише прості (одинарні), але й кратні (подвійні, потрійні) зв’язки: Н₃С-СН₃, Н₂С=СН₂, НС≡СН;

3) утворювати міцні зв’язки майже з будь-яким іншим елементом;

4) існувати ізомери, речовини які мають однаковий склад, але різну будову та властивості.

 Ці унікальні властивості Карбону пояснюються: наявністю на зовнішньому енергетичному рівні (2s і 2p) чотирьох електронів (тому атом Карбону не схильний ні віддавати, ні приєднувати вільні електрони з утворенням йонів) та дрібним розміром атома (порівняно з іншими елементами IV групи). Внаслідок цього Карбон утворює переважно ковалентні, а не іонні зв’язки, і проявляє валентність IV.

♦ Що таке гібридизація? (слайд 4)

Узагальнення вчителя

Гібридизація — це явище змішування різних за формою й енергією електронних орбіталей з утворенням однакових за формою й енергією гібридних орбіталей.

Вивчення нового матеріалу

Метан, його молекулярна, електронна та структурна формули

Найпростіша органічна сполука — метан, утворена одним атомом Карбону й чотирма атомами Гідрогену.

• Молекулярна формула метану СН₄. Його молярна маса 16 г/моль, масова частка Карбону в метані

   75%. Відносна густина метану за воднем - 8, за киснем - 0,5.  (слайд 5)

• Електронна  формула метану         –    

• Структурна формула —         

У процесі утворення молекули метану в атомі Карбону відбувається sp₃-гібридизація електронних хмарин. У процесі sp₃-гібридизації відбувається цілковите змішування однієї s- і трьох р-орбіталей з утворенням чотирьох гібридних орбіталей. Утворені гібридні орбіталі асиметричні й дуже витягнуті в один бік від ядра. Вони відштовхуються одна від одної під кутом 109° 28', тому молекула метану в просторі являє собою тетраедр. (слайди 6-7)

Розглядаємо модель молекули метану:        

У молекулі метану між атомами Карбону й Гідрогену утворюються чотири однакові за силою й довжиною ковалентні слабко-полярні σ-зв’язки. σ-зв’язок — це ковалентний зв’язок, утворений у результаті перекривання орбіталей уздовж лінії зв’язку (що єднає центри атомів). σ-зв’язок міцний, має значну енергію.

http://www.youtube.com/watch?v=rzdITkWA-hA&feature=youtu.be

Фізичні властивості метану  (слайд 8)

За нормальних умов метан - це безбарвний горючий газ, без запаху та смаку, майже вдвічі легший за повітря, тому його можна збирати витісненням  води і повітря. Дуже малорозчинний у воді, але добре розчиняється в органічних розчинниках. tпл = -182,5°С, tкип = -161,5°С. При охолодженні до -162⁰С ( за нормального тиску) перетворюється на рідину.

Добування метану в лабораторії (слайд 9)

• Шляхом нагрівання суміші ацетату натрію з гідроксидом натрію

СН₃СООNa + NaОН → Na₂СО₃  + СН₄↑

•  Шляхом взаємодії карбіду алюмінію з водою

АІ₄С₃ + 12Н₂О → 4АІ(ОН)₃  + 3СН₄↑

Хімічні властивості метану   (слайди 10-12) http://www.youtube.com/watch?v=hrdVO02_PQo

1.За н.у. метан досить інертний:

• не реагує з лугами і кислотами;
• не окиснюється  перманганат калію (KMnO₄);
• не знебарвлює бромну воду (Вr₂).

2. Горіння – повне окиснення.

 Метан горить характерним блакитним полум'ям з виділенням великої кількості теплоти, утворюючи вуглекислий газ і воду.

СН₄ + 2О₂ →СО₂↑ + 2Н₂О; ∆Н = 890 кДж/моль

У разі нестачі кисню метан окиснюється не повністю. І тоді замість карбон(IV) оксиду CO₂ утворюється карбон(II) оксид CO, відомий як чадний газ.

2CH₄ + 3O₂  →  2CO↑ + 4H₂O.

Запамятай! Суміш СН₄ і О₂ дуже вибухонебезпечна. Спричинює аварії в шахтах, може статися вибух в приміщенні.

3. Термічний розклад

        t›1000°C 

СН₄    →    С + 2Н₂↑  

Водень, який утворюється  при термічному розкладі (вище 1000 °C) використовують для синтезу амоніаку та соляної кислоти, а сажу - для добування гуми і фарб.

4. Реакції заміщення – галогенування по радикальному типу (слайд 11) http://www.chemistry.ssu.samara.ru/chem2/flash/clor0.swf  -  анімація реакції хлорування

http://www.chemistry.ssu.samara.ru/chem2/flash/clor_s.swf - анімація реакції хлорування зі звуковим коментарем

5. Реакція нітрування (реакція Коновалова) (слайд 12)  http://www.chemistry.ssu.samara.ru/chem5/link255.htm - відомості про Коновалова

Механізм реакції нітрування метану вперше дослідив російський учений Коновалов, і тому ця реакція носить його ім’я. Реакція нітрування метану відбувається при температурі 140 °С в присутності суміші двох концентрованих кислот - нітратної і сульфатної. Суміш цих кислот називають нітруючою сумішшю. У результаті реакції нітрування утворюється нітроментан CH₃NO₂ (застосовують як розчинник, напівпродукт для синтезу вибухових речовин, як реактивне паливо) і вода:

                               140-1500С, р

СН₃ - Н   +   НО -NО₂          →        CH₃ - NО₂   +   H₂О

            (розбавлена)                 нітрометан

Поширення метану в природі  (слайди 13-14)  

Метан дуже поширений у природі. Він є головною складовою частиною багатьох горючих газів як природних, так і газів, що  виділяються під час сухої перегонки деревини, торфу, кам’яного вугілля. Неабиякі запаси метану «законсервовано» у твердих газових гідратах: у порожнинах кристалічних ґраток льоду містяться молекули метану. Чимало метану в складі копального (рудникового) газу міститься у кам'яно-вугільних пластах та у сольових копальнях. Вибухи суміші метану з киснем повітря часто спричиняють масову загибель шахтарів.

Для  допитливих

Цікаво?

У позаминулому столітті в сольовій копальні «Камера Спалена», що в горі Величка (Польща), були робітники, яких називали «грішниками, що каються». Вони надягали мокрий одяг з каптурами і повзали шахтами. Тримаючи в руці довгі ціпки, на кінці яких жевріли смолоскипи. У такий  спосіб вони випалювали метан під стелею, не дозволяючи його концентрації сягнути критичної межі.

Пізнавально!

Виходи метану на земну поверхню трапляються в сейсмоактивних місцевостях, у місцях розломів земної кори, на дні океану. У природі метан утворюється внаслідок анаеробного бродіння рослинних решток у болотах, річковому мулі (болотний газ), під час перетравлювання їжі великою рогатою худобою. Біогаз – продукт переробки фекалій і сміття – також переважно складається з метану.

Цікаво?

Болотний газ хімічними методами вперше дослідив італійський природодослідник Алессандро Вольта у 1776р. Він встановив його відмінність від водню. Болотний газ у неглибокій замуленій водоймі збирали у товстостінну склянку банку або пляшку, занурюючи її у воду, щоб вона заповнилася рідиною. Потім повертали її догори дном, вставляли лійку і збирали метан. Дно  розпушували за допомогою ціпка. Коли в склянці збирався газ, її закорковували під водою і виймали на поверхню.

  Метан є не тільки на Землі. Він становить основу атмосфери планет Юпітер, Уран, Нептун і Сатурн. Метан також виявлено в газах поверхневого ґрунту Місяця. Величезні озера рідкого метану є на поверхні Титана, найбільшого природного супутника Сатурна. http://www.expres.ua/tech/2013/09/25/94279-sklasty-konkurenciyu-nasa-poshuku-zhyttya-marsi-vyrishyla-indiya 

Застосування метану(слайд 16)  

Застосування метану досить різноманітне і базується на його властивостях. Завдяки великій теплотворній здатності цей газ використовують як екологічно чисте паливо в побуті, промисловості та на транспорті. Широко застосовують речовини, які добувають з метану: водень, ацетилен, сажу. Він є вихідною сировиною у виробництві формальдегіду, метилового спирту, а також різних синтетичних продуктів. Хлорометан використовується в органічному синтезі; дихлорометан і трихлорометан - як розчинники; тетрахлорометан - як засіб для гасіння вогню.

Цікаво?

Продукти хлорування метану використовують не лише як розчинники. Хлороформ має яскраво виражену анестезуючу дію, тому раніше його застосовували в медицині для знеболювання.

В 1831 р. хлороформ незалежно один від одного добули Самюель Гутрі, Юстус Лібіх і Ежен Суберейн. Хімічну формулу встановив французький хімік Дюма і в 1834 р. запропонував назву «хлороформ». В 1847 р. акушер Джеймс Симпсон уперше використав хлороформ для загального наркозу під час приймання пологів.

Для  допитливих

Пізнавально!

Тетрахлорометан - продукт повного заміщення атомів Гідрогену в молекулі метану на атоми Хлору - не горить. Тому тривалий час його використовували під час гасіння пожеж оскільки важка пара цієї речовини перекриває доступ повітря і миттєво припиняє горіння. Проте гасіння полум'я техрахлорометаном може супроводжуватися утворенням дуже отруйного газу фосгену СОСІ₂. Тому гасити вогонь у закритих приміщеннях тетрахлорометаном можна тільки з відповідними пересторогами. Усі продукти хлорування метану - токсичні речовини, до того ж сприяють руйнуванню озонового шару.

Завдання.

1. Дев'ятикласники Антон і Тамара посперечалися. Антон стверджував, що метан - перспективне паливо для двигунів майбутнього, які полегшать процес освоєння космосу й уможливлять міжпланетні польоти. Тамара заперечувала: запаси метану на Землі швидко вичерпуються, тож перспективи не такі вже й райдужні... Долучіться до їхньої дискусії, аргументуйте свою думку.

2. Оцініть вірогідність повідомлення ЗМІ: «Метан традиційно транспортують трубопроводами або в балонах. Група науковців під керівництвом професора Ендрю Купера з університету Ліверпуля виявила, що газуватий метан можна акумулювати в суміші дрібнодисперсного кварцу й води. До комерціалізації розробки ще дуже далеко, тим паче до її масового застосування. Але перші кроки, безсумнівно, зроблено». Аргументуйте свою думку.