Структурная формула метана и этана

Метан и этан - самые простые органические соединения, изучение которых позволяет раскрыть все тайны органической химии. Их атомные структуры определяют уникальные свойства, присущие миллионам более сложных органических молекул. Давайте разберемся, как устроены эти два углеводорода, чтобы лучше понять их роль в природе и технологиях.

Открытие метана

Впервые метан был обнаружен итальянским физиком Алессандро Вольта в 1776 году. Он заметил странный газ, выходящий со дна озера. Экспериментируя с ним, Вольта выяснил, что этот болотный газ горит ярким пламенем. Спустя два года ему удалось выделить чистый метан.

В 1813 году английский химик сэр Гемфри Дэви исследовал состав рудничного газа и показал его идентичность болотному газу, открытому Вольта. Оба газа представляли собой метан с небольшой примесью азота и углекислого газа.

Современное название «метан» газ получил в 1866 году от немецкого химика Августа Вильгельма Гофмана.

Природные источники метана

В природе метан образуется в анаэробных условиях - при отсутствии кислорода. Это происходит:

• На дне болот - отсюда название «болотный газ»
• В угольных пластах шахт - «рудничный газ»
• В пищеварительном тракте жвачных животных
• В океане на морском дне

Метан также является одним из основных компонентов природного газа (до 99%) и попутного нефтяного газа (до 90%). Это основные промышленные источники добычи метана.

Лабораторные способы получения

В лабораториях метан можно синтезировать, например:

1. Нагревая этаноламин с этанолом:

CH₂CH₂OH + NH₂CH₂CH₂OH → CH₃NHCH₂CH₂OH + H₂O↑ + CH₄↑

1. При взаимодействии цинка с йодистым метилом:

2CH₃I + Zn → (CH₃)₂ZnI₂ + CH₄

Подробнее о свойствах и применении структурная формула метана этого удивительного вещества - в следующих главах.

Физические свойства метана

Метан при нормальных условиях - бесцветный газ без запаха. Он обладает следующими физическими характеристиками:

• Температура плавления -182,5°C
• Температура кипения -161,5°C
• Плотность 0,656 г/л при 0°C
• Плохо растворим в воде

Запах газа в бытовых условиях обеспечивается добавлением одорантов - веществ с резким запахом. Это делается для обнаружения утечек.

Метан - легковоспламеняющийся газ. Он образует взрывоопасные смеси с воздухом при концентрации от 4,4% до 17%. При горении 1 м3 метана выделяется около 33 МДж теплоты.

Химическое строение молекулы CH4

Молекула метана имеет тетраэдрическое строение. В центре находится атом углерода, к которому присоединены четыре атома водорода. Углерод образует с каждым атомом водорода прочную ковалентную связь, деля с ним пару электронов.

Структурная формула метана

Графически такая конфигурация молекулы записывается с помощью структурной формулы:

CH4 или H-C-H
| H

В упрощенном виде метан часто изображают как СХ4. Это сокращенная структурная формула метана.

Химические реакции метана

Несмотря на кажущуюся простоту, молекула метана весьма устойчива к химическим воздействиям. Для расщепления связей С-Н требуются жесткие условия или катализаторы. Рассмотрим основные реакции.

Горение

Как уже упоминалось, метан активно горит на воздухе. Происходит реакция:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

При полном сгорании 1 моля CH4 образуется 1 моль СО2 и 2 моля H2O.

Применение метана

Благодаря своим свойствам, метан широко применяется на практике.

Топливо

Важнейшее назначение метана - использование в качестве топлива. При сгорании 1 кг метана выделяется 55,7 МДж теплоты, что выше, чем у других органических веществ.

Метан сжигается в печах, котельных, на электростанциях для выработки тепла и электроэнергии. Также он используется как моторное топливо для автомобилей.

Сырье для химических производств

В промышленности метан служит ценным химическим сырьем. Из него получают:

• Водород путем паровой конверсии
• Синтез-газ для последующих органических синтезов
• Метанол и другие производные углеводороды

Ракетное топливо

Перспективно использование метана в смеси с жидким кислородом как ракетного топлива. По сравнению с керосином он экологичнее, дешевле и позволяет упросить многоразовое использование ракет.

Метан в природе

Метан играет важную роль в биогеохимических циклах. Этот газ входит в состав:

• Природных газов
• Нефтяных месторождений
• Болот, торфяников
• Многолетнемерзлых пород
• Газовых гидратов на морском дне

Метан в атмосфере Земли

Метан присутствует в атмосфере Земли в небольших концентрациях. Однако его влияние велико, поскольку этот газ обладает парниковым эффектом.

Молекулы CH4 поглощают инфракрасное излучение и задерживают тепло. Парниковая активность метана в 25 раз выше, чем у CO2.

Основные источники попадания метана в атмосферу:

• Природные эмиссии из болот, торфяников
• Животноводство
• Утечки при добыче и транспортировке природного газа
• Рисовые поля

Регулирование содержания метана

Для снижения влияния метана на климат необходимо:

1. Повышать эффективность добычи и использования природного газа
2. Оптимизировать сельское хозяйство с учетом эмиссий парниковых газов
3. Развивать безотходные технологии утилизации отходов

Безопасность при работе с метаном

Несмотря на химическую инертность, метан требует соблюдения мер предосторожности:

• Недопустимость утечек и скопления в замкнутых пространствах
• Хорошая вентиляция помещений
• Контроль концентрации с помощью газоанализаторов