3. Підготовка до лабораторної роботи та її захист

Перед виконанням лабораторної роботи курсант повинен в повній мірі засвоїти теоретичний матеріал, ознайомитися з методикою проведення експерименту, зрозуміти суть фізико- хімічних процесів.

Перед виконанням лабораторних робіт передує знайомство з правилами техніки безпеки у хімічній лабораторії, оскільки багато речовин, особливо органічних, є легкозаймистими і токсичними.

Вимоги до оформлення звіту до лабораторної роботи

Після виконання лабораторної роботи кожен курсант оформлює звіт, який повинен містити:

1. Тему, мету, перелік обладнання та реактиви для виконання лабораторної роботи;

2. Опис досліду і малюнки, що пояснюють цей дослід;

3. Запис спостережуваних явищ;

4. Висновки з проведеного лабораторного дослідження.

Для захисту роботи курсант повинен:

1. Пред’явити звіт про виконання роботи;

2. Знати методику виконання лабораторної роботи;

3. Знати порядок виконання досліджень;

4. Вміти давати якісну характеристику результатам експерименту.

5. Знати відповіді на питання до лабораторної роботи.

Лабораторна робота №1

Тема: «Одержання метану і вивчення його властивостей»

Мета: закріплення знань про будову, класифікацію, номенклатуру, ізомерію, методи добування та хімічні властивості алканів

Обладнання та реактиви: суміш для добування метану - калій ацетат або натрій ацетат (безводний, плавлений), натронне вапно свіжо прожарене (1:2); калій перманганат (1%-ний розчин), бромна вода (насичений розчин), пробірки з пробками і газовідвідними трубками, штатив, фарфорова чашка, кристалізатор, спиртівка або газовий пальник.

Короткі теоретичні положення

Насичені вуглеводні є родоначальниками для всіх органічних сполук. Джерелом алканів є природні копалини: природний газ, нафта, супутні гази. Всі представники гомологічного ряду алканів використовується як вихідні речовини для синтезу паливно-мастильних матеріалів.

Вуглеводні ациклічного ряду - це найпростіші органічні сполуки, які складаються з двох елементів – Карбону та Гідрогену. За характером будови вуглецевого ланцюга і зв’язку між атомами Карбону вуглеводні поділяються: на насичені, коли атоми Карбону пов’язані між собою одинарними зв’язком; ненасичені, коли атоми Карбону пов’язані подвійними або потрійними зв’язками. Вуглецеві матеріали можуть замикатись в цикл і утворювати циклічні вуглеводи, серед яких найбільше значення мають ароматичні.

За хімічними властивостями насичені вуглеводні малоактивні, але при певних умовах для них характерні реакції заміщення. При звичайних умовах вони не окислюються. Усі горючі. Ці властивості можна вивчити при одержанні першого представника гомологічного ряду насичених вуглеводнів – метану, зробивши відповідні дослідження.

Алкани – вуглеводні аліфатичного ряду, в молекулах яких всі атоми Карбону зв’язані між собою лише простими зв’язками. Їх ще називають насиченими вуглеводнями, оскільки вони не містять вільних валентностей і до них не може приєднатися водень. Не існує вуглеводнів, які б містили більше атомів Гідрогену, ніж алкани.

Загальна формула алканів C_nH_{2n + 2}.

Найпростішим представником насичених вуглеводнів є метан, в молекулі якого атом Карбону зв’язаний з чотирма атомами Гідрогену (СН₄). Ю. Лібіх у 1857 р. запропонував вказувати число однакових атомів у молекулі цифрою внизу справа від символу елемента, як це робиться і тепер. А у 1858 р. шотландський хімік А.Купер запропонував зображати зв’язки між атомами рискою. Алкани утворюють гомологічний ряд (від гр. homos – подібний, відповідний), в якому кожен наступний представник відрізняється від попереднього на один атом Карбону і два атоми Гідрогену, тобто на СН₂-групу (метиленова група), яку називають гомологічною різницею. Кожен член гомологічного ряду називають гомологом. Здатність утворювати гомологічні ряди є спільною властивістю усіх органічних сполук. Поняття про гомологічні ряди ввів у 1842 р. німецький хімік І. Шіль, який показав, що насичені вуглеводні з нерозгалуженим ланцюгом утворюють ряд, у якому їх властивості змінюються певним чином. Така залежність на той час була виявлена і у ряду спиртів. Назву «гомологічні» цим рядам дав Ф. Жерар.

При достатній кількості кисню метан горить з утворенням вуглекислого газу і води, при недостатній кількості кисню з утворенням чадного газу і води:

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

2CH₄ + 3O₂ = 2CO + 4H₂O

Термічний розклад. При нагріванні метану без доступу повітря відбувається його термічний розклад на вуглець і водень.

CH₄ =C + 2H₂

Реакція метану з галогенами (галогенування).

На прикладі реакції метану з хлором можна зробити висновки про розрив ковалентних зв’язків за гемолітичним і гетеролітичним механізмом.

У молекулах Хлору під дією світла відбувається гемолітичний розрив зв’язків і утворюються вільні радикали Хлору:

Cl-Cl→Cl· +Cl·

Вільні радикали – вкрай агресивні частки, вони атакують молекулу метану.

CH₃· +Cl₂ → CH₃Cl + Cl·

Таким чином, вільні радикали є ініціаторами цієї реакції, вони викликають ланцюжок хімічних перетворень. Механізм цієї реакції вільно-радикальний.

Одержання метану

а) З натрій ацетату:

CH₃COONa + NaOH = Na₂CO₃ = CH₄↑

б) Синтезом вуглецю і водню (400-500  ̊С і підвищений тиск):

C + 2H₂ = CH₄↑

в) З алюміній карбіду:

Al₄C₃ + 12H₂O =4Al(OH)₃ +3CH₄↑

Метан має такі хімічні властивості. Він горить, утворюючи вуглекислий газ і воду.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

Горіння метану супроводжується виділенням великої кількості теплоти. У разі нестачі кисню метан окиснюється не повністю. І тоді замість карбон (IV) оксиду CO₂ утворюється карбон(II) оксид CO, відомий як чадний газ.

2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4H₂O.

При нагріванні метан може розкладатися на прості речовини вуглець і водень. Це реакція повного розкладу.

CH₄ → C + 2H₂

А при температурі понад 1500 °С метан розкладається з утворенням ацетилену C₂H₂ і водню. Це реакція неповного розкладу або дегідрування.

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂

За звичайних умов метан не окислюється розчином калій перманганату, лугами і кислотами; не знебарвлює бромну воду.

Метан не вступає в реакції приєднання, але вступає в реакції заміщення. Серед реакцій заміщення найбільше значення мають реакції галогенуваня (хлорування, бромування) та нітрування. Реакція хлорування відбувається при освітленні суміші метану і хлору розсіяним ультрафіолетовим промінням (або при нагріванні). У ході реакції відбувається поступове заміщення атомів Гідрогену в молекулі метану атомами хлору. Продуктами реакції є відповідно на першій стадії хлором етан CH₃Cl і HCl, на другій стадії – дихлорометан CH₂Cl₂ і HCl, на третій – трихлорометан CHCl₃ і HCl; і на четвертій – тетрахлорометан CHCl₄ і HCl.

CH₄ → CH₃Cl → CH₂Cl₂ → CHCl₃ →CCl₄

Це ланцюгова реакція, яка відбувається за вільнорадикальним механізмом. Вивченням механізму таких реакцій займався російський учений Микола Миколайович Семенов, за що й був нагороджений Нобелівською премією.

Механізм реакції нітрування метану вперше дослідив російський учений Коновалов, і тому ця реакція носить його ім’я. Реакція нітрування метану відбувається при температурі 140 °С у присутності суміші двох концентрованих кислот - нітратної і сульфатної. Суміш цих кислот називають нітруючою сумішшю. У результаті реакції нітрування утворюється нітроментан CH₃NO₂ і вода.

CH₄ + HNO₃ → CH₃NO₂ + H₂O

Застосування метану досить різноманітне і базується на його властивостях. Завдяки великій теплотворній здатності метан у великих кількостях витрачається як паливо у побуті і промисловості. Широко застосовують речовини, які добувають із метану: водень, ацетилен, сажу. Він є вихідною сировиною у виробництві формальдегіду, метилового спирту, а також різних синтетичних продуктів. Хлорометан використовується в органічному синтезі; дихлорометан і трихлорометан - як розчинники; тетрахлорометан - як засіб для гасіння вогню.