Какое число атомов содержится в одной молекуле метана

Тема: Предельные углеводороды

Урок: Алканы. Строение молекул, номенклатура, физические свойства

1. Гомологический ряд алканов: общая формула, названия

Алканы (предельные или насыщенные углеводороды, парафины) – углеводороды, атомы углерода в которых соединены простыми связями. Общая формула: CnH2n+2.

Соотношение числа атомов водорода и углерода в молекулах алканов максимально по сравнению с молекулами углеводородов других классов.

Поскольку все валентности углерода заняты либо углеродами, либо водородами, как правило, химические свойства алканов не очень ярко выражены, поэтому их еще называют предельными или насыщенными углеводородами. И существует еще более древнее название, лучше отражающее их относительную, конечно, химическую инертность – парафины, что переводится как «лишенные сродства».

2. Пространственное строение молекул

Атомы углерода в алканах находятся в состоянии sp3 — гибридизации, и молекулу алканов

можно представить как набор тетраэдрических структур углерода, связанных между собой и с водородом. Рис. 1.

Рис. 1. Тетраэдрическое строение метана

s-связи между атомами Н и С прочные, практически неполярные (очень мало полярные).

Атомы вокруг простых связей постоянно вращаются. Поэтому молекулы алканов могут принимать разные формы. При этом длина связи и угол между связями остаются постоянными. Формы, переходящие друг в друга за счет вращения молекулы вокруг σ-связей, называют конформациями молекулы. Рис. 2.

Рис. 2. Конформация молекулы

3. Номенклатура предельных углеводородов

Первые четыре члена ряда алканов имеют исторически сложившиеся названия. Рис. 3.

Рис. 3. Названия неразветвленных алканов

Названия неразветвленных алканов с пятью и более атомами углерода в молекуле образованы от греческих числительных, отражающих это число атомов углерода.

Суффикс -ан показывает принадлежность вещества к насыщенным соединениям.

Составляя названия разветвленных алканов по номенклатуре ИЮПАК, в качестве основной цепи выбирают цепь, содержащую максимальное число атомов углерода. Основную цепь нумеруют таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера. Если цепей одинаковой длины несколько, то главной выбирают цепь, содержащую наибольшее число заместителей. См.рис. 4–6.

Рис. 4. 2-метилбутан

Рис. 5. 2,3-диметил-3-этилпентан

Рис. 6. 2,3,4-триметил-3-изопропилгептан

4. Физические свойства

Температуры плавления и кипения в целом увеличиваются с увеличением числа атомов С в молекуле. Первые представители ряда алканов – газы при н.у., алканы, содержащие от 5 до 15 атомов С – обычно жидкости, свыше 15 атомов С – твердые вещества.

Неразветвленные изомеры имеют более высокую температуру кипения, чем разветвленные (причина – разные силы межмолекулярного взаимодействия). Температуры плавления зависят, кроме того, от плотности упаковки молекул в кристалле. Табл. 1.

Табл. 1. Физические свойства алканов.

Газообразные и твердые алканы не пахнут, жидкие алканы обладают характерным «бензиновым» запахом.

Все алканы бесцветны, легче воды и нерастворимы в ней. Алканы хорошо растворяются в органических растворителях, жидкие алканы (пентан, гексан) сами широко используются как растворители.

Подведение итога урока

На уроке была рассмотрена тема «Алканы. Строение молекул, номенклатура, физические свойства». Вы узнали о том, что представляют собой алканы (нециклические углеводороды, в которых атомы углерода соединены простыми связями), как их правильно обозначать и какими физическими свойствами обладают эти вещества.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.

2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2008. – 463 с.

3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2010. – 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. – 278 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Interneturok.ru (Источник).

2. Органическая химия (Источник).

3. Химик (Источник).

Домашнее задание

1. №№ 8, 9 (с. 22) Рудзитис Г.Е. , Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е издание. М.: Просвещение, 2012.

2. Какой приставкой указывают в названии 4 одинаковых заместителя?

3. Как зависят физические свойства алканов от количества атомов углерода в цепи?

Предельные углеводороды (алканы). Номенклатура алканов и их производных

Углеводороды – это простейшие органические соединения, которые состоят из двух элементов – углерода, водорода.

Предельные углеводороды, или алканы. (международное название), – это соединения, состав которых выражается общей формулой (C_nH_{2n+2}), где n – число атомов углерода.

Особенности предельных углеводородов (алканов):

1) в молекулах предельных углеводородов атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) связью;

2) остальные валентности насыщены атомами водорода;

3) алканы также называются насыщенными углеводородами, или парафинами;

4) первым членом гомологического ряда алканов является метан ((CH_4));

5) начиная с пятого углеводорода название образуется от греческого числительного, которое указывает число углеродных атомов в молекуле;

6) в гомологическом ряду наблюдается изменение физических свойств углеводородов: а) повышаются температуры кипения и плавления; б) возрастает плотность;

7) алканы начиная с четвертого члена ряда (бутана) имеют изомеры.

Номенклатура алканов и их производных.

При отрыве атома водорода от молекулы алкана образуются одновалентные частицы, которые называются углеводородными радикалами.

Радикалы образуются не только органическими, но и неорганическими соединениями.

Если отнять от молекулы углеводорода два атома водорода, получаются двухвалентные радикалы.

Для названия изомеров применяются две номенклатуры: 1) рациональная – старая; 2) заместительная (систематическая или международная) – современная. Предложена Международным союзом теоретической и прикладной химии ИЮПАК.

Особенности рациональной номенклатуры: 1) по рациональной номенклатуре углеводороды рассматриваются как производные метана, у которого один или несколько атомов водорода замещены на радикалы; 2) рациональная номенклатура удобна для не очень сложных соединений.

Особенности заместительной номенклатуры: 1) по заместительной номенклатуре основой для названия служит одна углеродная цепь, а все другие фрагменты молекулы рассматриваются как заместители; 2) если в формуле содержится несколько одинаковых радикалов, то перед их названием указывается число прописью, а номера радикалов разделяются запятыми.

Химические свойства метана и его гомологов

Основные свойства метана:

1) это газ без цвета и запаха ((CH_4));

2) в два раза легче воздуха;

3) образуется в природе в результате разложения без доступа воздуха остатков животных и растительных организмов;

4) может быть обнаружен в заболоченных водоемах, каменноугольных шахтах;

5) содержится в природном газе, который широко используется в качестве топлива в быту и на производстве;

6) в молекуле метана химические связи атомов водорода с атомом углерода имеют ковалентный характер.

Молекула метана имеет тетраэдрическую форму, а не плоскую.

Когда атом углерода вступает во взаимодействие с атомами водорода, s-электроны наружного слоя в нем распариваются, один из них занимает вакантное место третьего р-электрона и образует при своем движении облако в виде объемной восьмерки, перпендикулярное по отношению к облакам двух других р-электронов.

Атом при этом переходит в возбужденное состояние. Все четыре валентных электрона становятся неспаренными, они могут образовывать четыре химические связи.

Противоречия: 1) три р-электрона должны образовывать три химические связи с атомами водорода во взаимно перпендикулярных направлениях (под углом 90°); 2) четвертый атом водорода мог бы присоединяться в произвольном направлении.

Разрешение противоречий: 1) в процессе образования химических связей облака всех валентных электронов атома углерода (одного s– и трех р-электронов) выравниваются, становятся одинаковыми; 2) облака принимают форму несимметричных, вытянутых в направлении к вершинам тэтраэдра объемных восьмерок. Несимметричное распределение электронной плотности означает, что вероятность нахождения электрона по одну сторону от ядра больше, чем по другую; 3) угол между осями гибридных электронных облаков равен 109°, что позволяет им максимально удаляться друг от друга; 4) такие облака могут значительно перекрываться электронными облаками водородных атомов, что ведет к большому выделению энергии и образованию прочных, одинаковых по свойствам химических связей.

Гибридизация может распространяться на разное число электронных облаков.

Шаростержневая модель молекулы:

1) детали, изображающие атомы, соединяются на некотором расстоянии друг от друга посредством стерженьков, символизирующих валентные связи; 2) модель дает наглядное представление о том, какие атомы с какими соединены, но она не передает относительных размеров и внешней формы молекулы.

Строение и номенклатура углеводородов ряда метана

Строение углеводородов.

Предельные углеводороды (неразветвленного строения): 1) метан; 2) этан; 3) пропан; 4) бутан; 5) пентан; 6) гексан; 7) гептан; 8) октан; 9) нонан; 10) декан.

С увеличением молекулярной массы последовательно возрастают температуры плавления и кипения углеводородов.

Первые четыре вещества (С1 – С4) при обычных условиях – газы.

Все предельные углеводороды нерастворимы в воде, но могут растворяться в органических растворителях.

Общая формула углеводородов: (C_{n}H_{2n+n}), где n – число атомов углерода в молекуле.

Пространственное и электронное строение молекул пропана и бутана.

Атомы углерода в них расположены не по прямой линии, а зигзагообразно.

Причина – в тетраэдрическом направлении валентных связей атомов углерода.

Если к одному атому углерода присоединился другой атом углерода, то у этого последнего остались три свободные валентности, все они направлены к вершинам тетраэдра. Следующий атом углерода может присоединиться только в одном из этих направлений.

Углеродная цепь неизменно принимает зигзагообразную форму.

Угол между ковалентными связями, соединяющими атомы углерода в такой цепи, как и в молекуле метана, 109°28′.

Зигзагообразная цепь атомов углерода может принимать различные пространственные формы.

Это связано с тем, что атомы в молекуле могут относительно свободно вращаться вокруг простых сигма-связей.

Углеродная цепь получается сильно изогнутой. Если повернуть атом углерода, то молекула примет почти кольцеобразную форму.

Такое вращение существует в молекулах как проявление теплового движения (если нет препятствующих этому факторов).

Наиболее энергетически выгодной является форма с наибольшим удалением атомов друг от друга.

Все эти разновидности легко переходят одна в другую, при этом их химическое строение (последовательность связи атомов в молекулах) остается неизменным.

Свойство атомов углерода соединяться друг с другом в длинные цепи связано с положением элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева и строением его атомов.

При химической реакции у атома углерода трудно полностью оторвать четыре валентных электрона, а также присоединить к нему столько же элетронов от других атомов до образования полного октета.

Химические свойства предельных углеводородов

1. Горение углеводородов на воздухе и выделение большого количества теплоты.

Продукты горения подтверждают наличие углерода и водорода в метане. Если поджечь газ, собранный в стеклянном цилиндре, то после прекращения горения стенки внутри цилиндра становятся влажными.

При добавлении в цилиндр известковой воды она становится мутной.

При горении метана образуются вода и оксид углерода (IV).

2. Смесь метана с кислородом или воздухом при поджигании может взрываться.

Наиболее сильный взрыв получается, если смешать метан с кислородом в объемном отношении (1:2). Оптимальное отношение объемов при взрыве метана с воздухом (1:10).

Взрыв меньшей силы может происходить и при некоторых других объемных отношениях газов.

Наиболее опасными являются смеси метана с воздухом в каменноугольных шахтах, заводских котельных, квартирах.

Для обеспечения безопасности работы в шахтах устанавливают автоматические приборы – анализаторы, сигнализирующие о появлении газа.

Горение углеводородов, которые имеют значительную молекулярную массу.

Парафин – это смесь твердых углеводородов.

Если поместить в фарфоровую чашечку кусочек парафина, расплавить и поджечь его, то при горении образуется много копоти.

Когда горят газообразные вещества, они хорошо смешиваются с воздухом и поэтому сгорают полностью.

При горении расплавленного парафина кислорода не хватает для сгорания всего углерода и углерод выделяется в свободном виде.

3. При сильном нагревании углеводороды разлагаются на простые вещества –  углерод и водород.

Эти реакции могут служить подтверждением молекулярной формулы вещества: при разложении метана образуется двойной, а при разложении этана – тройной объем водорода по сравнению с объемом исходного газа (объем углерода как твердого вещества в расчет не принимается).

4. Реакция с галогенами (хлором).

Если смесь метана с хлором в закрытом стеклянном цилиндре выставить на рассеянный солнечный свет (при прямом солнечном освещении может произойти взрыв), то произойдет постепенное ослабление желто-зеленой окраски хлора при взаимодействии его с метаном.

Химическая реакция заключается в разрыве одних связей и образовании новых.

Атомы хлора имеют в наружном слое по одному неспаренному электрону, становятся свободными радикалами.

Когда атом-радикал, который обладает высокой химической активностью, сталкивается с молекулой метана, его электрон начинает взаимодействовать с электронным облаком атома водорода. Между этими атомами устанавливается ковалентная связь и образуется молекула хлороводорода.

Применение и получение предельных углеводородов

Сферы применения предельных углеводородов:

1) метан в составе природного газа находит все более широкое применение в быту и на производстве;

2) пропан и бутан применяются в виде «сжиженного газа», особенно в тех местностях, где нет подвода природного газа;

3) жидкие углеводороды используются как горючее для двигателей внутреннего сгорания в автомашинах, самолетах;

4) метан как доступный углеводород в большей степени используется в качестве химического сырья;

5) реакция горения и разложения метана используется в производстве сажи, идущей на получение типографской краски и резиновых изделий из каучука;

6) высокая теплота сгорания углеводородов обусловливает использование их в качестве топлива;

7) метан – основной источник получения водорода в промышленности для синтеза аммиака и ряда органических соединений.

Наиболее распространенный способ получения водорода из метана – взаимодействие его с водяным паром.

Реакция хлорирования служит для получения хлорпроизводного метана.

Особенности хлорметана: 1) это газ; 2) это вещество, которое легко переходит в жидкое состояние; 3) это вещество, которое поглощает большое количество теплоты при последующем испарении.

Особенности дихлорметана, трихлорметана и тетрахлорметана: 1) это жидкости; 2) используются как растворители; 3) применяются для тушения огня (особенно когда нельзя использовать воду); 4) тяжелые негорючие газы этих веществ, которые образуются при испарении жидкости, быстро изолируют горящий предмет от кислорода воздуха.

Из гомологов метана при реакции изомеризации получаются углероводороды разветвленного строения.

Они используются в производстве каучуков и высококачественных сортов бензина.

Получение углеводородов: 1) предельные углеводороды в больших количествах содержатся в природном газе и нефти; 2) из природных источников их извлекают для использования в качестве топлива и химического сырья.

Особенности синтеза метана: 1) синтез метана показывает возможность перехода от простых веществ к органическим соединениям. Реакция идет при нагревании углерода с водородом в присутствии порошкообразного никеля в качестве катализатора; 2) синтез метана – реакция экзотермическая. Сильное нагревание не будет повышать выход продукта, равновесие сместится в сторону образования исходных веществ; 3) при слабом нагревании будет недостаточна скорость образования метана; 4) оптимальная температура синтеза метана примерно 500°C; 5) для разложения метана необходима температура 1000°C.

Бензол и его строение

Физические свойства: 1) бензол – легкокипящая, бесцветная, не растворимая в воде жидкость; 2) он имеет своеобразный запах; 3) при охлаждении бензол легко застывает в белую кристаллическую массу; 4) температура его плавления 5,5°C; 5) формула бензола С6Н6; 6) это сильно ненасыщенное соединение: в молекуле его недостает восемь атомов водорода до состава, отвечающего формуле предельных углеводородов; 7) при этом если взболтать бензол с бромной водой или раствором перманганата калия, то не обнаружится характерных реакций непредельных соединений.

Проблема строения бензола.

1. Бензол может быть получен при пропускании ацетилена через трубку с активированным углем, нагретым до 650°C.

2. Сравнивая состав молекул ацетилена С2Н2 и бензола С6Н6, можно прийти к выводу, что из каждых трех молекул ацетилена образуется одна молекула бензола, т. е. идет реакция полимеризации (тримеризации).

3. Если смесь паров бензола с водородом пропускать через нагретую трубку с катализатором, то оказывается, что: а) к каждой молекуле бензола присоединяются три молекулы водорода; б) в результате реакции образуется циклогексан, строение которого хорошо известно.

4. Присоединение к молекуле бензола трех молекул водорода с образованием циклогексана можно понять только в том случае, если признать, что исходный продукт имеет циклическое строение.

То есть если бы бензол имел незамкнутую цепь углеродных атомов, то молекула его до полного насыщения присоединяла бы не три, а четыре молекулы водорода: (C_6H_6+4H_2 rightarrow C_6H), что противоречит опыту.

Образование циклической молекулы бензола из трех молекул ацетилена можно представить следующим образом:

Так можно прийти к выводу о циклической структурной формуле бензола.

Приведенная структурная формула бензола была предложена впервые немецким ученым А. Кекуле (1865 г.).

Более столетия химики пользовались этой формулой, хотя она их и не вполне удовлетворяла.

Электронное строение бензола.

1. Современными физическими методами было установлено, что молекула бензола имеет циклическое строение и что все шесть атомов углерода лежат в одной плоскости.

2. Было подтверждено, что порядок соединения атомов правильно отображается формулой Кекуле.