12.1.2. Будова молекули Метану

Електронна будова атома Карбону: 1s²2s²2p²

₆С     ––  ₆С*

збуджений стан

При "змішуванні" чотирьох орбіталей збудженого атома вуглецю (однієї 2s- і трьох 2p- орбіталей) утворюються чотири рівноцінні sp³- гібридні орбіталі.

sp³- ГІБРИДИЗАЦІЯ характерна для атомів вуг­лецю в насичених вуглеводнях (алканах) – зокрема, в метані.

Рис.12.1. Схема електронної будови молекули метану

  Рис.12.2. Утворення молекули етану за раху­нок перекривання двох гібридних електрон­них хмар атомів карбону.

 

12.1.3. Ізомерія

Перші алкани в гомологічному ряді – метан, етан, пропан – не мають ізомерів. Четвертий – бутан C₄H₁₀ має два ізомери:

● з нерозгалуженим вуглецевим ланцюгом

нормальний бутан

● з розгалуженим ланцюгом

Ізобутан (2-метил-пропан)

Ізомерія, при якій речовини відрізняються одна від одної порядком зв'язку атомів в молекулі, називається СТРУКТУРНОЮ або ізомерією вуглецевого скелету.

12.1.4. Одержання

1) з природної сировини (нафти, природного газу, вугілля). Нафта – це складна суміш органічних сполук, основними компонентами якої є нерозгалужені та розгалужені алкани. Природний газ скла­дається з газоподібних алканів, головним чином метану (до 95%), етану, пропану і бутану.

Для одержання з нафти суміші алканів та інших вуглеводнів її піддають фракційній перегонці.

2) гідрування ненасичених або циклічних вуглеводнів у при­сут­ності каталізаторів (платини, паладію, нікелю):

CH₃–CH=CH– CH₃ + H₂ −^Ni CH₃–CH₂–CH₂–CH₃

бутен-2 бутан

3) Реакція Вюрца:

2CH₃–CH₂Br + 2Na  CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ + 2NaBr

бромистий етил бутан

Метан одержують

4) відновленням карбону і його оксидів воднем:

С + 2Н₂ −^t°,Ni CH₄

СО + 3Н₂ = СН₄ + Н₂О

СО₂ + 4Н₂ = СН₄ + 2Н₂О

5) сплавленням солей карбонових кислот з лугами:

CH₃COONa + NaOH  CH₄ + Na₂CO₃

натрій ацетат метан натрій карбонат

6) дією води на карбід алюмінію:

Al₄C₃ + 12H₂O  3CH₄ + 4Al(OH)₃

 

12.1.5. Фізичні властивості

У звичайних умовах перші чотири алкани – гази, C₅–C₁₇ – рідини, а починаючи з C₁₈ – тверді речовини. Таким чином, із збільшенням молекулярної маси підвищується густина алканів, збільшується температура плавлення і кипіння. Всі алкани легші за воду, в ній не розчиняються, але розчиняються в органічних розчинниках. 

12.1.6. Хімічні властивості

Оскільки зв’язки С-Н в насичених вуглеводнях міцні, їх важко розірвати, то для алканів найбільш характерні реакції заміщення водневих атомів, а також реакції розщеплення С-С зв’язку, окиснення та ізомеризації.

• Реакції заміщення:

1) галогенування. Алкани легко реагують з галогенами, крім йоду. Реакція проходить при УФ-опроміненні або нагріванні (300°С) за ланцюговим вільнорадикальним механізмом.

CH₄ + Сl₂ −^һν CH₃Сl + HСl

хлорметан

CH₃Сl + Сl₂ −^һν CH₂Сl₂ + HСl

дихлорметан

CH₂Сl₂ + Сl₂ −^һν CHСl₃ + HСl

трихлорметан

CHСl₃ + Сl₂ −^һν CСl₄ + HСl

тетрахлоретан

Тетрахлорметан – продукт повного хлорування метану (всі чотири атоми водню замістилися на атоми хлору).

У ланцюговому процесі виділяють три стадії:

2) нітрування (реакція Коновалова). Під дією розведеної нітрат­ної кислоти атоми водню в алканах заміщаються на нітрогрупу:

C₃H₇−Н + НО−NO₂  C₃H₇−NO₂ + H₂O

пропан нітропропан

● Реакції відщеплення:

3) крекінг – розпад алканів при високій температурі та при­сут­ності каталізаторів (утворюються насичені і ненасичені вуглеводні з більш короткими ланцюгами).

CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ −^400° CH₃–CH₃ + CH₂=CH₂

бутан етан етилен

2CH₄ −^1500° H–C≡C–H + 3H₂

метан ацетилен

4) дегідрогенізація – реакція відщеплення водню від молекули органічної сполуки в присутності каталізатора, що веде до утворення подвійного або потрійного зв’язку:

CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ −^t°,кат CH₃–CH=CH–CH₃+Н₂

бутан бутен

• Реакції окиснення:

В звичних умовах алкани стійкі до дії кисню і окисників.

5) горіння на повітрі (повне окиснення)

CH₄ + 2O₂  −^{полум’я} 2H₂O + CO₂ , ∆Н = -890 кДж/моль

вода вуглекислий газ

Реакція проходить з виділенням великої кількості тепла.

CH₄ + O₂  −^t° 2H₂O + CO

вода чадний газ (!отрута )

 6) ізомеризація. При нагріванні в присутності каталізаторів у вуглеводнях нормальної будови відбувається перебудова вуглецевого скелету з утворенням алканів розгалуженої будови:

пентан

−t°

2- метилбутан