§ 25. Властивості метану та його гомологів, їх застосування
Пригадайте: метан — неполярна речовина молекулярної будови, що зумовлює його нерозчинність у воді, леткість, низьку температуру кипіння.
Фізичні властивості гомологів метану
Оскільки речовини гомологічного ряду метану мають подібну будову й відрізняються тільки довжиною карбонового ланцюга, то їхні фізичні властивості також подібні.
За звичайних умов перші чотири члени гомологічного ряду метану (від CH4 до C4H10) — гази, наступні (від C5H12 до C16H34) — рідини, сполуки з більшим числом атомів Карбону — тверді речовини (мал. 25.1). Це пояснюється тим, що зі збільшенням довжини карбонового ланцюга збільшується молекулярна маса речовин, тому збільшується кількість енергії, що необхідна для плавлення або випаровування речовин. Отже, для будь-якого гомологічного ряду справедливим є правило, що зі збільшенням числа атомів Карбону підвищуються температури плавлення й кипіння речовин.
Мал. 25.1. Залежність фізичних властивостей алканів від довжини карбонового ланцюга: а — газ; б — рідина; в — тверда речовина
Пропан і бутан, хоча й газуваті, але добре скраплюються під час охолодження та за підвищеного тиску. У побуті й промисловості частіше використовують скраплену суміш пропану й бутану (мал. 25.2, а, б).
Усі гомологи метану — безбарвні речовини. На відміну від газуватих і твердих алканів, рідкі мають специфічний вуглеводневий або квітковий запах (мал. 25.2, в).
Мал. 25.2. Алкани: а, б — промислова цистерна й побутовий балон скрапленої суміші пропану з бутаном; в — октан (безбарвна рідина); г — парафін (біла речовина, суміш твердих алканів)
Усі гомологи метану — неполярні сполуки, тому вони майже нерозчинні у воді, а тверді — жирні на дотик (мал. 25.2, г). Саме тому алкани й інші нециклічні вуглеводні ще називають аліфатичними сполуками (від грец. aleiphar — жир). Рідкі алкани легші за воду, у разі змішування з водою суміш розшаровується: алкан збирається зверху, а вода — знизу (мал. 25.3). Тому нафта, що складається переважно з рідких алканів, у разі потрапляння у воду розтікається тонким шаром по поверхні, що становить велику загрозу для навколишнього середовища (мал. 25.4).
Мал. 25.3. Октан не розчиняється у воді, а збирається над шаром води (чітко видно межу поділу)
Мал. 25.4. Пляма нафти на поверхні океану
Оскільки алкани є неполярними речовинами, вони добре змішуються один з одним і розчиняють інші неполярні сполуки (мал. 25.5).
Мал. 25.5. Розчинник для фарби — уайт-спірит — це суміш рідких вуглеводнів
Хімічні властивості метану та його гомологів
Алкани є хімічно неактивними речовинами, завдяки чому їх у XIX столітті називали «хімічними мерцями». До початку XX століття для них не було відомо жодної хімічної реакції, окрім горіння.
Алкани активно взаємодіють з киснем. Наприклад, метан у разі підпалювання згоряє блідо-синім полум’ям, слабо помітним на яскравому сонячному світлі:
Зверніть увагу! У рівняннях реакцій за участі органічних речовин знак рівності завжди заміняють на стрілку, щоб не сплутати його з подвійним зв’язком.
Під час горіння метану виділяється велика кількість теплоти — близько 50 кДж на 1 г вуглеводню.
Із повітрям метан утворює вибухові суміші (пригадайте за § 23, який уміст метану є вибухонебезпечним). Під час роботи з метаном, наприклад у разі використання газових плит або балонів, необхідно постійно стежити за тим, щоб полум’я не згасло.
Гомологи метану також окиснюються киснем повітря, причому повне окиснення до вуглекислого газу відбувається тільки під час горіння в надлишку кисню. Наприклад, для пентану:
Якщо кисню недостатньо, то замість вуглекислого газу утворюється надзвичайно отруйний чадний газ:
Вищі гомологи метану, тобто алкани з великим числом атомів Карбону, під час горіння можуть також утворювати вуглець. Так, наприклад, звичайні побутові парафінові свічки, що складаються із суміші твердих алканів, під час горіння утворюють полум’я, що коптить. Кіптява — це частинки сажі (вуглецю), що не встигли згоріти:
Крім кисню, алкани реагують тільки з дуже активними речовинами, наприклад з галогенами. Реакції взаємодії з галогенами називають галогенуванням. Взаємодія алканів із хлором або бромом відбувається тільки за освітлення або нагрівання. При цьому один атом галогену заміщає атом Гідрогену в складі органічної молекули, а інший — з’єднується зі звільненим атомом Гідрогену й утворює молекулу гідроген галогеніду (символом hv у рівняннях реакцій позначають, що реакція відбувається за умови освітлення):
Під час хлорування метану утворюються цінні речовини: CH2Cl2 — дихлорометан, або хлористий метилен, який використовують як розчинник у лабораторіях, у рідинах для зняття лаку та знежирення поверхонь, під час виготовлення швидкорозчинної кави та екстракту хмелю; CHCl3 — трихлорометан, або хлороформ, є цінним розчинником у виробництві ліків і барвників, від середини XIX століття і донедавна його використовували як наркоз під час хірургічних операцій; CCl4 — тетрахлорометан, який використовують як розчинник для жирів та смол, це одна з небагатьох негорючих органічних речовин, завдяки чому його використовували для гасіння пожеж у військовій та авіаційній техніці.
Пам’ятник винахідникам гасової лампи, м. Львів
Гасову лампу було винайдено у Львові працівниками аптеки «Під золотою зіркою» Ігнатієм Лукасевичем та Яном Зегом 1853 року. Того ж року у львівському шпиталі було проведено першу хірургічну операцію за освітлення гасовою лампою. Згодом гасова лампа була представлена на міжнародній виставці в Мюнхені й відзначена спеціальною грамотою.
Лінгвістична задача
Латиною parum означає «мало» або «незначно», а affinis — «споріднений». Як, на вашу думку, чому в XIX столітті алкани назвали парафінами?
Застосування метану та його гомологів
Насичені вуглеводні — важливі речовини в нашому житті. Великі обсяги добутих вуглеводнів використовують як різноманітне пальне: бензин, гас, дизельне пальне, авіаційний бензин, мазут (його спалюють на теплових електростанціях). Із насичених вуглеводнів шляхом хімічних перетворень добувають багато цінних речовин: синтетичні мийні засоби, розчинники, холодоагенти для холодильників, пластмаси, каучуки тощо (мал. 25.6).
Мал. 25.6. Застосування алканів
Ключова ідея
Метан та його гомологи — неполярні та хімічно малоактивні речовини.
Контрольні запитання
281. Опишіть фізичні властивості й застосування метану та його гомологів.
282. Як змінюються температури плавлення й кипіння у членів одного гомологічного ряду зі збільшенням числа атомів Карбону в молекулі? Чому?
283. Які хімічні властивості характерні для метану та його гомологів? Складіть рівняння реакції повного згоряння метану.
284. За яких умов можливе неповне згоряння алканів? Чим це може бути небезпечно?
Завдання для засвоєння матеріалу
285. Які спільні та відмінні фізичні властивості бутану й гексану?
286. Як розрізнити дві рідини — гексан і воду — за їхніми фізичними властивостями? Запропонуйте не менше трьох способів.
287. Складіть рівняння реакції повного згоряння пропану. Який об’єм кисню необхідний для спалювання пропану об’ємом 5,6 л (н. у.)? Який об’єм вуглекислого газу при цьому утвориться?
288. Зразок парафіну масою 1 г повністю спалили в кисні. Обчисліть масу осаду, що виділиться під час пропускання утвореного вуглекислого газу крізь вапняну воду за умови утворення тільки середньої солі. Припустіть, що в парафіні молекули містять в середньому по 24 атоми Карбону.
289. Обчисліть масу хлорометану, що можна добути з метану об’ємом 5,6 л (н. у).
290. Обчисліть масу продуктів реакцій, що можуть утворитися під час взаємодії метану кількістю 0,15 моль із хлором об’ємом (н. у.): а) 3,36 л; б) 6,72 л; в) 10,08 л; г) 13,44 л.
291 * . У багатьох оселях в Україні користуються газовою пічкою. Обчисліть, яка частка від теплоти згоряння природного газу витрачається на нагрівання, а яка — розсіюється. Необхідна для обчислення інформація: на середній конфорці газової печі спалюється 0,25 м 3 газу за годину, вода масою 1 кг на такій конфорці нагрівається від кімнатної температури (20 °С) до кипіння за 8 хвилин, теплоємність води 4,2 кДж/(кг·°С), під час згоряння природного газу кількістю 1 моль виділяється близько 760 кДж теплоти, молярний об’єм газу за таких умов дорівнює 24 л/моль.
292 * . Знайдіть у додаткових джерелах інформацію про застосування алканів. Поясніть, якими фізичними або хімічними властивостями алканів зумовлене їх застосування.
ГДЗ (відповіді) Хімія 9 клас Григорович О.В., 2017 §23 Метан — найпростіший вуглеводень
Вправа 261. Напишіть структурну й електронну формули метану.
| Н | Н | ||||||||
| │ | .. | ||||||||
| Н | ─ | С | ─ | Н | Н | : | С | : | Н |
| │ | .. | ||||||||
| Н | Н |
Назвіть тип зв’яз ку в метані. Ковалентний неполярний.
Вправа 262. Чим відрізняються основний та збуджений стани атомів Карбону? В основному стані на зовнішньому енергетичному рівні атома Карбону міститься чотири електрони: одна пара на s-орбіталі та два неспарені електрони на р-орбіталях , тому атом Карбону може утворити тільки два ковалентні зв’язки, а в збудженому стані – 4 неспарені електрони, з них, один електрон на s-орбіталі і три електрони на p-орбіталях, тому атом Карбону може утворювати чотири ковалентні зв’язки.
Як це пов’язано з можливістю утворення молекули метану та її формою? Коли атом Карбону переходить у збуджений стан, усі чотири орбіталі зовнішнього енергетичного рівня набувають однакової енергії, а отже, і форми (несиметричної об’ємної вісімки) і орієнтуються вже по-іншому: вони спрямовані до вершин правильної трикутної піраміди (тетраедра). За такої форми та спрямованості всі орбіталі в збудженому стані атома Карбону без обмежень можуть перекриватися з орбіталями інших атомів. Під час утворення хімічних зв’язків між атомами Карбону й Гідрогену ці зв’язки також спрямовуються до вершин трикутної піраміди під кутом 109,5°, тому молекули метану мають форму тетраедра .
Вправа 263. Опишіть фізичні властивості метану. Метан — за звичайних умов безбарвний газ без запаху, нерозчинний у воді, у разі сильного охолодження перетворюється на летку рідину (tкип. = –161,6 °С), а в разі подальшого охолодження — на безбарвні кристали (tпл. = –182,5 °С), майже вдвічі легший за повітря .
Вправа 264. Для чого в природний газ додають речовини із сильним запахом? Метан, що є основним компонентом природного газу, вибухонебезпечний, а через відсутність запаху вчасно виявити його витікання неможливо, тому з метою запобігання серйозних наслідків до природного газу додають речовини із сильним запахом.
Завдання для засвоєння матеріалу
Вправа 265. Обчисліть, у скільки разів густина метану більша (менша) за повітря.
І спосіб
ІІ спосіб
Густина обчислюється за формулою ρ=M/V М , де V M – постійна величина і за н.у. чисельно дорівнює 22,4 л/моль, a M=M r г/моль.
ρ(СН4)=16 г/моль : 22,4 л/моль = 0,714 г/л.
ρ(повітря ) = 29 г/моль : 22,4 л/моль = 1,29 г/л.
ρ(повітря )/ ρ(СН4 )= 1,29 г/л : 0,714 г/л = 1,8
Відповідь: густина метану менша за повітря у 1,8 разів.
Вправа 266. Використовуючи інформацію параграфа, обчисліть масову частку ме тану в його насиченому за 25°С розчині у воді.
Знаходимо масу розчину.
m(розчину)=m(СН4)+m(Н2О)=0,02 г + 1000 г = 1000,02 г
Обчислюємо масову частку речовини у розчині за формулою:
w(СН4)=(m(СН4)/m(розчину) ) •100% =(0,02 г: 1000,02 г) ) •100% =0,002%
Вправа 267. За температури 0°С розчинність метану у воді становить 0,04 г на 1 кг води. Обчисліть об’єм метану, що можна виділити з насиченого за та кої температури розчину масою 1000 кг.
Відомо: За 0 0 С розчинність метану 0,04 г на 1 кг води,
Знаходимо масу розчину.
m(розчину)=m(СН4)+m(H2O)=0,04 г + 1000 г = 1000,04 г.
Для знаходження маси метану у 1000 кг розчину складаємо пропорцію і розв’язуємо її.
У 1000,04 г розчину міститься 0,04 г СН4, тоді
в 1 000 000 г розчину буде міститися х г СН4
1000,04 г / 1000000 г = 0,04 г / х г
х г • 1000,04 = 0,04 • 1000000 г
х = 0,04 • 1000000 г : 1000,04
х = 40 г або 0,040 кг
Об’єм знаходимо за формулою V=m/ ρ.
V(CH4)=m(CH4)/ ρ(СН4)=0,040 кг: 0,7168 кг/м 3 =0,056 м 3 =56 дм 3 =56 л.
Вправа 268. Обчисліть мінімальний об’єм метану, що має витекти з побутової газо вої печі, щоб повітря на кухні стало вибухонебезпечним. Прийміть, що площа кухні становить 10 м 2 , висота стелі — 2,5 м, а тиск на кухні не змінюється. Інші дані знайдіть у тексті параграфа.
Відомо: S=10 м 2 , h=2,5 м, φ(СН4) =4,4% або 0,044. Знайти: V(CH4 )-?
Знаходимо об’єм повітря у приміщенні.
V(повітря)=S • h=10 м 2 • 2,5 м=25 м 3
З формули обчислення об’ємної частки φ (СН4 )=V(CH4 )/V(повітря) знаходимо о б’єм метану:
V(CH4 )= φ (СН4 ) • V(повітря)=0,044 • 25 м 3 =1,1 м 3
Відповідь: 1,1 м 3 .
Вправа 269. 2015 року споживання природного газу в Україні становило близько 34 млрд м 3 на рік. Знайдіть у тексті параграфа необхідну інформацію та обчисліть, на скільки років Україні вистачить власних розвіданих запасів природного газу за умови споживання на такому самому рівні.
В Україні запаси метану у вигляді природного газу оцінюють приблизно в 1,5 трлн м 3 , тому
1,5 • 10 12 : 34 • 10 9 = 0,0441 • 10 3 ≈ 44 (р.) – на стільки років Україні вистачить власних розвіданих запасів природного газу за умови споживання на такому самому рівні.