Молекулярная и структурная формула метана
Молекулярная, структурная и электронная формула метана составляются на основе теории строения органических веществ Бутлерова. Прежде чем приступать к написанию таких формул, начнем с краткой характеристики данного углеводорода.
Особенности метана
Данное вещество является взрывоопасным, его еще именуют «болотным» газом. Специфический запах этого предельного углеводорода известен всем. В процессе сгорания от него не остается химических компонентов, оказывающих негативное воздействие на организм человека. Именно метан является активным участником образования парникового эффекта.
Физические свойства
Первый представитель гомологического ряда алканов был обнаружен учеными в атмосфере Титана и Марса. Учитывая тот факт, что метан связан с существованием живых организмов, появилась гипотеза о существовании жизни на этих планетах. На Сатурне, Юпитере, Нептуне, Уране, метан появился в качестве продукта химической переработки веществ неорганического происхождения. На поверхности нашей планеты его содержание незначительное.
Общая характеристика
Метан не имеет цвета, он легче воздуха почти в два раза, плохо растворяется в воде. В составе природного газа его количество достигает 98 процентов. В нефтяном попутном газе содержится от 30 до 90 процентов метана. В большей степени метан имеет биологическое происхождение.
Копытные травоядные козы и коровы испускают при переработке в желудках бактерий довольно существенное количество метана. Среди важных источников гомологического ряда алканов выделим болота, термитов, фильтрацию естественного газа, процесс фотосинтеза растений. При обнаружении на планете следов метана, можно говорить о существовании на ней биологической жизни.
Способы получения
Развернутая структурная формула метана является подтверждением того, что в его молекуле только насыщенные одинарные связи, образованные гибридными облаками. Среди лабораторных вариантов получения данного углеводорода отметим сплавление ацетата натрия с твердой щелочью, а также взаимодействие карбида алюминия с водой.
Горит метан голубоватым пламенем, выделяя при этом порядка 39 МДж на кубический метр. Взрывоопасные смеси данное вещество образует с воздухом. Наиболее опасен метан, который выделяется во время проведения подземных разработок месторождений полезных ископаемых в горных шахтах. Высок риск взрыва метана и на обогатительных угольных и брикетных фабриках, а также на сортировочных производствах.
Физиологическое действие
Если процентное содержание метана в воздухе составляет от 5 до 16 процентов, при попадании кислорода возможно воспламенение метана. В случае существенного возрастания в смеси данного химического вещества повышается вероятность взрыва.
Если в воздухе концентрация данного алкана составляет 43 процента, он является причиной удушья.
При взрыве скорость распространения составляет от 500 до 700 метров в секунду. После того как метан контактирует с источником тепла, процесс воспламенения алкана происходит с некоторым запаздыванием.
Именно на этом свойстве базируется производство взрывобезопасного электрического оборудования и предохранительных взрывчатых компонентов.
Так как именно метан является самым термически устойчивым насыщенным углеводородом, он имеет широкое применение в виде промышленного и бытового топлива, а также используется в качестве ценного сырья для химического синтеза. Структурная формула три-этил-метана характеризует особенности строения представителей данного класса углеводородов.
В процессе его химического взаимодействия с хлором при воздействии ультрафиолетового облучения возможно образование нескольких продуктов реакции. В зависимости от количества исходного вещества, можно в ходе замещения получить хлорметан, хлороформ, четыреххлористый углерод.
В случае неполного сгорания метана образуется сажа. В случае каталитического окисления образуется формальдегид. Конечным продуктом взаимодействия с серой является сероуглерод.
Особенности структуры метана
Какова его структурная формула? Метан относится к предельным углеводородам, имеющим общую формулу СnН2n+2. Рассмотрим особенности образования молекулы, чтобы пояснить, как образуется структурная формула.
Метан состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, связанных между собой ковалентной полярной химической связью. Поясним на основе строения атома углерода структурные формулы.
Вид гибридизации
Пространственное строение метана характеризуется тетраэдрической структурой. Так как на внешнем уровне у углерода четыре валентных электрона, при нагревании атома происходит переход электрона со второй s-орбитали на p. В итоге на последнем энергетическом уровне у углерода располагается четыре неспаренных («свободных») электрона. Полная структурная формула метана основывается на том, что происходит образование четырех гибридных облаков, которые ориентируются в пространстве под углом 109 градусов 28 минут, формируя структуру тетраэдра. Далее происходит перекрывание вершин гибридных облаков с негибридными облаками атомов водорода.
Полная и сокращенная структурная формула метана в полной мере отвечает теории Бутлерова. Между углеродом и водородами образуется простая (одинарная) связь, поэтому для данного химического вещества не характерны реакции присоединения.
Ниже представлена конечная структурная формула. Метан - это первый представитель класса насыщенных углеводородов, он обладает типичными свойствами предельного алкана. Структурная и электронная формула метана подтверждают тип гибридизации атома углерода в данном органическом веществе.
Из школьного курса химии
Данный класс углеводородов, представителем которого является «болотный газ», изучается в курсе 10 класса средней школы. Например, ребятам предлагается задание следующего характера: «Напишите структурные формулы метана». Необходимо понимать, что для этого вещества можно расписать по теории Бутлерова только развернутую структурную конфигурацию.
Его сокращенная формула будет совпадать с молекулярной, записываться в виде СН4. По новым федеральным образовательным стандартам, которые введены в связи с реорганизацией российского образования, в базовом курсе химии все вопросы, касающиеся характеристики классов органических веществ, разбираются обзорно.
Промышленный синтез
На основе метана были разработаны промышленные способы такого важного химического компонента, как ацетилен. Основой термического и электрического крекинга стала именно его структурная формула. Метан при каталитическом окислении с аммиаком образует синильную кислоту.
Применяют данное органическое вещество для производства синтез-газа. При взаимодействии с водяным паром получается смесь угарного газа и водорода, являющаяся сырьем для производства предельных одноатомных спиртов, карбонильных соединений.
Особое значение имеет взаимодействие с азотной кислотой, в результате получается нитрометан.
Применение в виде автомобильного топлива
В связи с нехваткой природных источников углеводородов, а также оскудением сырьевой базы, особую актуальность приобретает вопрос, связанный с поиском новых (альтернативных) источников для получения топлива. Одним из таких вариантов является биодизельное топливо, в составе которого есть и метан.
Учитывая разницу в плотности между бензиновым топливом и первым представителем класса алканов, существуют определенные особенности применения его в качестве источника энергии для автомобильных двигателей. Для того чтобы не было необходимости перевозить с собой огромное количества метана, путем сжатия его плотность увеличивают (при давлении порядка 250 атмосфер). Хранят метан в сжиженном состоянии в баллонах, устанавливаемых в автомобилях.
Воздействие на атмосферу
Выше уже шла речь о том, что метан оказывает воздействие на парниковый эффект. Если степень действия оксида углерода (4) на климат берется условно за единицу, то в нем доля «болотного газа» составляет 23 единицы. На протяжении двух последних столетий ученые наблюдают повышение количественного содержания метана в земной атмосфере.
На данный момент примерное количество СН4 оценивается в 1,8 части на миллион. Несмотря на то что данный показатель в 200 раз меньше, чем наличие углекислого газа, идет разговор между учеными о возможном риске удержания тепла, излучаемого планетой.
В связи с отличной теплотворной способностью «болотного газа», его применяют не только в качестве исходного сырья при осуществлении химического синтеза, но и в качестве источника энергии.
Например, на метане функционируют разнообразные газовые котлы, колонки, предназначенные для индивидуальной отопительной системы в частных домах и загородных коттеджах.
Такой автономный вариант отопления весьма выгоден для собственников жилья, не связан с авариями, систематически происходящими на централизованных отопительных системах. Благодаря газовому котлу, функционирующему на данном виде топлива, достаточно 15-20 минут для того, чтобы полностью обогреть двухэтажный коттедж.
Заключение
Метан, структурные и молекулярные формулы которого были приведены выше, является природным источником энергии. Благодаря тому, что в его составе есть только атом углерода и атомы водорода, экологи признают экологическую безопасность данного насыщенного углеводорода.
При стандартных условиях (температуре воздуха 20 градусов по Цельсию, давлении 101325 Па) это вещество является газообразным, нетоксичным, нерастворимым в воде.
В случае понижения температуры воздуха до -161 градуса, происходит сжатие метана, что широко применяют в промышленности.
Метан оказывает воздействие на здоровье человека. Он не является отравляющим веществом, но считается удушающим газом. Существуют даже предельные нормы (ПДК) по содержанию данного химического вещества в атмосфере.
Например, работы в шахтах разрешены только в тех случаях, когда его количество не превышает на метр кубический 300 миллиграммов. Анализируя особенности строения данного органического вещества, можно сделать вывод о его сходстве по химическим и физическим свойствам со всеми другими представителями класса насыщенных (предельных) углеводородов.
Мы проанализировали структурные формулы, пространственное строение метана. Гомологический ряд, который начинает "болотный газ", имеет общую молекулярную формулу СnН2n+2.