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

Урок 33

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

МЕТА УРОКУ: розглянути метан як найпростішу органічну речовину;

ознайомити учнів з будовою молекули метану, типом гібридизації електронних

орбіталей атома Карбону;

розкрити значення методу моделювання для вивчення будови та властивостей речовин;

навчити писати молекулярну, структурну, електронну формули молекули;

поглибити  знання про поширення органічних сполук у природі на прикладі метану;

ознайомити  з фізичними та хімічними властивостями метану;

показати зв’язок будови молекули метану та властивостей сполуки;

поглибити  знання про способи отримання метану в лабораторних умовах, поширенням метану в природі та його застосуванням;

продовжити  формувати  вміння  аналізувати  досліди,  робити висновки  про  хімічні  властивості метану на основі експерименту;

вчити використовувати набуті теоретичні знання під час розв’язання практичних завдань;

розвивати логічне мислення, пам’ять, уміння спостерігати і аналізувати  досліди, складати рівняння реакцій;

            виховувати інтерес до вивчення хімії, самостійності в навчанні.

ТИП УРОКУ: вивчення нового матеріалу.

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ: реакція заміщення (галогенування по радикальному типу),  реакція окиснення, горіння, термічного розкладу.

ОБЛАДНАННЯ: моделі молекули метану, пробірка, газовідвідна трубка, промивалка, кристалізатор, циліндр, горілка, штатив (Дослід 11: відношення метану до бромної води та перманганату калію), презентація до уроку, http://www.youtube.com/watch?v=rzdITkWA-hA&feature=youtu.be - медіа-фільм про гібридизацію електронів у атомі Карбону, моделі молекул органічних речовин,  http://www.chemistry.ssu.samara.ru/chem2/index2.htm - відношення метану до бромної води та перманганату калію; http://www.youtube.com/watch?v=hrdVO02_PQo - відео-досліди про хімічні властивості метану, 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, http://www.chemistry.ssu.samara.ru/chem5/link255.htm - відомості про Коновалова, http://www.expres.ua/tech/2013/09/25/94279-sklasty-konkurenciyu-nasa-poshuku-zhyttya-marsi-vyrishyla-indiya - про виявлення метану у Всесвіті.

ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ: дотримуватися правил роботи з горючими газами та нагрівальними приладами.

ФОРМИ НАВЧАЛЬНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ: фронтальна робота, розповідь учителя, складання реакцій.

МЕТОДИ НАВЧАННЯ: самостійна робота, робота в групах – “навчання разом”, дискусійна - “мозковий штурм”, “ситуація з життя”, диференційний підхід до домашнього завдання.

ПЛАН УРОКУ

1.           Організація классу. Мотивація навчальної діяльності.
2.        Перевірка домашнього завдання.   Актуалізація опорних знань. Фронтальна робота за

   запитаннями.

3.    Вивчення нового матеріалу:

а)   Метан, його молекулярна, електронна та структурна формули.

б)  Фізичні властивості метану.

в)   Добування метану в лабораторії

г)   Хімічні властивості метану:

1. Хімічні властивості метану за н.у. (відношення метану до бромної води та перманганату калію).
2. Горіння – повне окиснення.
3. Термічний розклад.
4. Реакції заміщення – галогенування по радикальному типу.
5. Реакція нітрування (реакція Коновалова).

д)   Поширення метану в природі. 

IV.    Закріплення і систематизація знань учнів, осмислення об’єктивних зв’язків у вивченому

         матеріалі.

V.     Повторення вивченого матеріалу під час бесіди.
VI.   Первинний контроль знань під час виконання тестових завдань
VII.  Підбиття підсумків уроку.
VIII. Домашнє завдання.

ХІД УРОКУ

1. Мотивація навчальної діяльності.

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. (Слайд 1)

II. Перевірка домашнього завдання.

Актуалізація опорних знань.

а)  Фронтальна робота за питаннями: Пригадаємо! Гра  «так» чи «ні» (Слайди 2-3).

б)   Дискусійна  бесіда

♦ Поясніть, чому в органічних сполуках атом Карбону проявляє валентність IV. (слайд 4 )

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 5)

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 6)

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 7)

• 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 8-9)

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 10)

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 11)

• 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 12-14) http://www.youtube.com/watch?v=hrdVO02_PQo

1.За н.у. метан досить інертний:  (слайд 12) http://www.chemistry.ssu.samara.ru/chem2/index2.htm

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

Дослід 11: відношення метану до бромної води та перманганату калію – Метан отримуємо прокалюванням безводного ацетату натрію з гідроксидом натрію.

СН₃СООNa + NaОН → Na₂СО₃  + СН₄↑

Пропускаємо метан через розчин перманганату калію. Ніяких змін не спостерігаємо. Бромна вода також не змінює забарвлення. Отже, метан стійкий до окиснювачів і не вступає в реакцію з бромом за даних умов.

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 13) 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 14)  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 15-16)  

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.

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 (слайди 16-19)  

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.

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.

IV.    Закріплення і систематизація знань учнів, осмислення об’єктивних зв’язків у вивченому

         матеріалі.

1.Виберіть молекулярну формулу метану:

2.Виберіть форму молекули метану:

3. Виберіть характеристику реакції повного окиснення метану:

4. Метан, що виходив з газовідвідної трубки, підпалили (мал. 20.6,1), трубку занурили в посудину з хлором (мал. 20.6,2). Поясніть, чому жовто-зелене забарвлення хлору поступово зникає (мал. 20.6,3), а під час наближення посудини з концентрованим водним розчином амоніаку з'являється (мал. 20.6,4) «дим без вогню» (пригадайте, ви спостерігали це явище під час вивчення хімії у 7-му класі).

4. Повторення вивченого матеріалу під час бесіди.

1) Назвіть причину використання метану як палива.

2) Поясніть, чому метан називають блакитним паливом.

   3) Чому число атомів Гідрогену в молекулах вуглеводнів парне?

   4) Які ланцюги можуть утворювати між собою атоми Карбону?

5) Доведіть склад метану експериментальним шляхом.

6) Наведіть щонайменше по дві причини того, чому: а) медики припинили використання хлороформу для анестезії; б) вогнегасники, заряджені тетра-хлорометаном, практично вийшли з ужитку

7) 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.

8) 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.

VII.  Підбиття підсумків уроку.

VIII. Домашнє завдання.

Опрацювати матеріал §21, стор.124-129, відповісти на запитання до нього;

Виконати вправи 1-6, стор. 129.

Творче завдання. Підготувати повідомлення про застосування метану. Пояснити, на яких властивостях метану ґрунтується ця сфера його застосування.