Метан як представник насичених вуглеводнів

 

Тема: Вуглеводні. Метан як представник насичених вуглеводнів.

Мета: познайомити учнів з найпростішим представником органічних речовин – метаном; розглянути будову молекули метану, його молекулярну, структурну і електронну формулу; розкрити поняття «гібридизація електронних орбіталей», з’ясувати який тип гібридизації мають атом Карбону в молекулі метану; поглибити знання про фізичні властивості метану та про поширення метану в природі.

Обладнання: мультимедійна презентація до уроку, кулестержнева модель  молекули метану, таблиця «Типи гібридизації», роздатковий матеріал, кубик.

Тип уроку: урок розвитку компетентностей.

 

Хід уроку

І. Організаційний етап:

Привітання, створення в учнів позитивного емоційного настрою: Інтерактивний прийом «Я вітаю» - учитель вимовляє: «Я вітаю тих, хто…», додаючи фрази «…вже прокинувся; випив кави; не снідав; у доброму гуморі; хоче спілкуватися» тощо. Після кожної фрази учні, які вважають, що фраза стосується їх, підводяться. Учитель та інші учні їм аплодують.

 

ІІ. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

Гра з кубиком  «Так чи ні»

(Вчитель по черзі кидає кубик учням. Учень, піймавши кубик, дає відповідь «так» чи «ні», коментує, в разі необхідності дає вірну відповідь.

1.Органічна хімія – це хімія сполук Карбону (так).

2. Карбон в органічних сполуках завжди чотиривалентний (так).

3.На зовнішньому енергетичному рівні атома Карбону міститься 6  електронів (ні).

4. В основному стані в атомі Карбону  4 неспарені електрони (ні).

 5. В  збудженому стані в атомі Карбону  2 неспарені електрони (ні).

 6. Атоми Карбону  здатні утворювати як йонні, так і ковалентні сильно полярні   зв’язки (ні).

 7. Атоми Карбону здатні утворювати між собою міцні ковалентні зв’язки і з’єднуватися в довгі ланцюжки або цикли (так).

 8. Основні положення теорії хімічної будови органічних речовин сформулював  Д.І. Менделєєв (ні).

 9. Хімічна будова -  це послідовність з’єднання атомів відповідно до їхньої валентності в молекулі (так).

 10. Властивості речовин залежать тільки від того, атоми яких елементів і в якій кількості утворюють молекулу (ні).

 11. Структурні формули – це такі формули, в яких символи хімічних елементів сполучаються рисочками, кількість яких дорівнює валентності елемента в сполуці  (так).

 12. Ізомери – це речовини,що мають однаковий склад, але різну будову (так).

 13. Ізомери – це речовини, що мають однакові властивості (ні).

 14. Структурні формули бувають розгорнуті та скорочені (так).

 15. До складу вуглеводнів входять С, Н, О та іноді інші елементи (ні).

 

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності

Ми почали знайомство з органічними речовинами.  На сьогоднішньому уроці пропоную вам познайомитися з найпростішою органічною речовиною. Цю речовину в побуті називають болотним газом або руддниковим газом. 98% цієї речовини входить до складу природного газу.  Молекулярна формула цієї речовини – СН₄,  а хімічна назва – метан.

Мета уроку: розглянути метан як найпростішу органічну речовину. Познайомитися з будовою молекули метану, типом гібридизації електронних орбіталей атома Карбону. Навчитися писати молекулярну, структурну, електронну формули  молекули. Описати фізичні властивості метану та поглибити знання про поширення метану в природі.

План уроку:

1. Поняття про вуглеводні.

2. Будова молекули метану.

3. Фізичні властивості метану.

4. Поширення метану в природі.

 

ІV. Вивчення нового матеріалу

1. Поняття про вуглеводні.

Вуглеводні — це органічні сполуки, що складаються з двох елементів — Карбону і Гідрогену. У їхніх молекулах карбоновий скелет зв'язаний тільки з атомами Гідрогену. Загаль­ну формулу вуглеводнів можна подати так: С_xН_y . До вуглеводнів належать гази метан СН₄ та ацетилен С₂Н₂, рідини октан С₈Н₁₈ та бензен С₆Н₆, а також тверді речовини, наприклад парафін, що є сумішшю вуглеводнів. Решту органічних сполук можна розглядати як похідні відповідних вуглеводнів. Наприклад, оцтова кислота СН₃ - СООН — це похідне етану СН₃ - СН₃, оскільки обидві сполуки мають однаковий карбоновий скелет С-С. Тому іноді органічній хімії дають таке визначення: органічна хімія — це хімія вуглеводнів та їхніх похідних.

Кількість різних вуглеводнів дуже велика. їх класифікація заснована на кратності зв'язків між атомами Карбону і наявності циклічних фрагментів у молекулах, що демонструє відповідна схема.

 

 

	Вуглеводні СxНy
Насичені			Ненасичені
Алкани СnН2n+2 (усі зв'язки одинарні)	Циклоалкани СnН2n (усі зв'язки оди­нарні, але кар-боновий лан-цюг утворює цикл)	Алкени СnН2n   (містять один по­двійний зв'язок)	Алкіни СnН2n-2   (містять один по­трійний зв'язок)	Арени СnН2n-6   (містять арома­тичний зв'язок)

 

 

2.  Будова молекули метану.

1.                Найпростішими органічними речовинами є насичені вуглеводні (алкани)., які складаються лише з двох атомів Карбону і Гідрогену. Загальна формула алканів C_nH_2n+2. Найпершим представником є метан.Молекулярна формула метану: СН₄. Тобто до складу молекули входить 1 атом Карбону і 4 атома Гідрогену.

 Напишіть структурну формулу метану: 

 

            Н

             | Вчитель демонструє кулестержневу  модель метану.

     Н―С ―Н

             |

            Н

 

2.                Яку будову має  атом Карбону у збудженому стані?

Рис. 1. Електронна будова Карбону

На зовнішньому шарі знаходиться 4 електрона: 1S – електрон та 3 Р – електрона. S  електрони рухаються по кулеподібній орбіталі, а Р – електрони – по гантелеподібній орбіталі.

 

 S – орбіталь    та    3                                Р- орбіталі

 

Отже валентність Карбону ІV.  Дійсно атом Карбону  в молекулі метану утворює 4 ковалентні полярні зв’зки з атомами Гідрогену. На моделі видно, що всі 4 зв’язки рівноцінні.  Виникає питання: яким чином 1S-електрон і 3 Р-електрони утворюють рівноцінні зв’язки атомами Гідрогену?

 

Справа в тому, що електрони зовнішнього енергетичного рівня атома Карбону гібридизуються.

Гібридизація – вирівнювання різних орбіталей  одного атома за формою та енергією.

Оскільки гібридизується 1S і 3Р електронні орбіталі,  тому говорять, що в атом Карбону перебуває у стані SР³ – гібридизації. Утворюється 4 гібридні орбіталі.

 

1S + 3 Р   →   4

 

Рис. 2. Утворення sp³ гібридизації

 

3.                Як розташовуються ці орбіталі в просторі?

Оскільки електрони мають негативний заряд, то орбіталі відштовхуються. Найдалі  один від одного вони стають тоді, коли кут між осями гібридних  орбіталей становить  109°28'

 

Рис. 3. Просторовий вигляд молекули метану

4.                Як  утворюється молекула  метану?

4 атома Гідрогену мають по 1 електрону. Це S  електрони з  кулястою хмарою. Електронні хмари Карбону перекриваються з електронними хмарами Гідрогену. Утворюються ковалентні полярні зв’язки. Молекула має форму тетраедра. (демонстрація молекули)

 

СН₄ молекулярна формула метану

 

          електронна формула метану

 

            Н

             | 

     Н―С ―Н структурна формула метану

             |

            Н

Структурна формула відображає послідовність з’єднання атомів у молекулі, але не відображає їх розміщення в просторі (це площинні схеми молекул)

 

Реальну будову (розміщення атомів у тривимірному просторі) передають кулестержневі або маштабні моделі молекули.

Рис. 4. Кулестрежнева будова метану

 

3. Фізичні властивості метану. 

Робота з підручником

1.                Газ
2.                Безбарвний
3.                Без запаху
4.                Легший за повітря (Мr(СН₄) = 16, Мr(пов) = 29)
5.                Майже не розчиняється у воді, але розчиняється в органічних розчинниках.
6.                t_пл = -182,5°С, t_кип = -161,5°С

 

4. Поширення метану в природі.

Бесіда

1.                Метан входить до складу природного газу (98%),  є важливим компонентом попутного нафтового газу.

 

2.                Чимало метану в складі копального газу міститься у кам'яно-вугільних  шахтах , тому його називають рудниковим газом. Вибухи суміші метану з киснем повітря (1:10) часто спричиняють масову загибель шахтарів.

Цікаво! У 19 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.

 

3.                Чимало метану утворюється внаслідок анаеробного бродіння рослинних решток у болотах (тому його  називають болотний газ), річковому мулі, 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 у 1776р. італійський природодослідник Алессандро Вольта і встановив його відмінність від водню. Також це природне джерело метану вивчали Бертолле, Дальтон, Берцеліус тощо. Болотний газ у неглибокій замуленій водоймі збирали в такий спосіб. Товстостінну склянку або пляшку занурювали у воду, аби вона заповнилася рідиною, потім повертали її догори дном, вставляли лійку і збирали метан, розпушуючи дно  за допомогою ціпка. Коли в склянці збирався газ, її закорковували під водою й після цього виймали на поверхню.

 

4.                Трапляється метан і у Всесвіті. Його виявлено в атмосфері планет Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун. Величезні озера рідкого метану є на поверхні Титана, найбільшого з природних супутників Сатурна.

 

5.                Величезні обсяги метану надходять в атмосферу з рисових полів, боліт, тваринних ферм тощо. Науковці стверджують, що це не лише сприяє глобальному потеплінню, а й виснажує озоновий шар планети.

 

Проблемне питання:

Чи справді метан немає запаху? Адже напевно кожен чув запах газу в квартирі чи біля машин ,які рухаються на газу.

Що потрібно робити , якщо відчули запах газу?

 

V. Узагальнення й систематизація знань.

1. Вправа «Дай відповідь»

1. Органічні речовини, що складаються тільки з двох хімічних елементів.
2. Всі зв'язки між атомами в молекулі метану однакові завдяки... елек­тронних хмар (назив. відм.).
3. Газ метан за частим його знаходженням у цьому місці в народі на­зивають...
4. Хімічна формула цієї речовини СН₄.
5. Електрони, які знаходяться на орбіталі по одному.
6. Основний елемент органічних сполук.
7. Один з рядів вуглеводнів, що мають загальну формулу С„Н_2п+2.
8. Елемент, що разом з Карбоном входить до складу молекул вуглеводнів.

 

Відповіді: 1. Вуглеводні. 2. Гібридизація. 3. Болотний. 4. Метан.

5. Неспарені. 6. Карбон. 7. Насичені. 8. Гідроген.

 

2. Розв’яжи   задачі:

 

1.                Обчислити відносну густину метану за повітрям.

Дано:   М (СН₄) 16

 СН₄   D_повСН₄ =   =               =           = 0,55

 М _пов 29

D_повСН₄

 

2.                Обчислити  масу 5л метану.

Дано:  m                V m     V

V (СН₄) = 5 л υ =            ;   υ =            ;                    =

 M                 V_m M    V_m

m (СН₄) - ? 

 M ∙ V

                               m  = 

 V_m

 16 ∙ 5

 m (CH₄) =    =  3, 57 г

 22,4

 

3. Обчислити масові частки Карбону і Гідрогену в молекулі  метану.

Дано:     Аr (C) 12

СН₄ W(C) =   =                = 0,75  або 75%

 Mr (CH₄) 16

W(C) – ?

W (H) - ?

 W (H) = 100% - 75% = 25%

VІ. Підсумок уроку.

Розповідь вчителя.

Сьогодні на уроці ми з вами ознайомилися з одним із представників насичених вуглеводнів, детально розглянули його будову, фізичні властивості, поширення у природі і як потрібно нам поводитись, коли ми відчули запах газу.

 

VІІ. Виставлення оцінок та їх мотивація.

 

VІІІ. Домашнє завдання:

1. Опрацювати § ____, ст. 

2. Виконати завдання №      , ст.

3. Творче завдання: Написати повідомлення про застосування метану та його похідних.