Formula moleculară și structurală a metanului

Formulele moleculare, structurale și electronice ale metanului sunt compilate pe baza teoriei lui Butlerov privind structura substanțelor organice. Înainte de a începe să scriem astfel de formule, începem cu o scurtă descriere a acestei hidrocarburi.

Caracteristicile metanului

Această substanță este explozivă, se mai numește gaz "mlaștină". Mirosul specific al acestei hidrocarburi supreme este cunoscut tuturor. În procesul de ardere din acesta nu rămân componente chimice care au un efect negativ asupra corpului uman. Metanul este un participant activ la formarea efectului de seră.

Proprietăți fizice

Primul reprezentant al seriei omoloage de alcani a fost descoperit de oamenii de stiinta din atmosfera lui Titan si Marte. Având în vedere faptul că metanul este asociat cu existența organismelor vii, a apărut o ipoteză despre existența vieții pe aceste planete. Pe Saturn, Jupiter, Neptun, Uranus, metanul a apărut ca un produs al procesării chimice a substanțelor de origine anorganică. Pe suprafața planetei noastre conținutul său este nesemnificativ.

Caracteristici generale

Metanul nu are culoare, este mai ușor decât aerul aproape de două ori, slab solubil în apă. În compoziția gazelor naturale, cantitatea lor ajunge la 98%. În gaz petrolier asociat conține între 30 și 90% metan. Într-o măsură mai mare, metanul este de origine biologică.

Ungroșii capre și vaci din speciile erbivore emit o cantitate considerabilă de metan în timpul procesării în stomacurile bacteriilor. Printre sursele importante ale seriei omoloage de alcani selectați mlastini, termite, filtrarea fotosinteza a plantelor de gaze naturale. Dacă pe planetă se găsește o urmă de metan, putem vorbi despre existența unei vieți biologice pe ea.

Metode de obținere

Formula structurală detaliată a metanului este o confirmare a faptului că în molecula sa numai legături singulare saturate formate de nori hibrizi. Printre opțiunile de laborator pentru producerea acestei hidrocarburi se remarcă fuziunea acetatului de sodiu cu alcalii solide, precum și interacțiunea carbură de aluminiu cu apă.

Metanul arde cu o flacără albastră, alocând aproximativ 39 MJ pe metru cub. Amestecurile explozive formează această substanță cu aerul. Cel mai periculos este metanul, care este eliberat în timpul mineritului subteran al depozitelor minerale din mine. Există un risc ridicat de explozie a metanului la instalațiile de îmbogățire a cărbunelui și brichetare, precum și în instalațiile de sortare.

Acțiune fiziologică

Dacă procentul de metan din aer este de 5-16%, cu intrarea în oxigen, metanul se poate aprinde. În cazul unei creșteri semnificative a amestecului unei substanțe chimice, probabilitatea unei explozii crește.

Dacă în aer concentrația acestui alcan este de 43%, este cauza sufocării.

În timpul exploziei, viteza de propagare este de la 500 la 700 de metri pe secundă. După ce metanul intră în contact cu sursa de căldură, procesul de aprindere a alcanului are loc cu o anumită întârziere.

Pe această proprietate se bazează producția de echipamente electrice rezistente la explozii și componente explozive de siguranță.

Deoarece metanul este cea mai stabilă hidrocarbură saturată termic, are o aplicație largă sub formă de combustibili industriali și casnici și este de asemenea folosită ca materie primă prețioasă pentru sinteza chimică. Formula structurală a trietil-metanului caracterizează caracteristicile structurale ale reprezentanților acestei clase de hidrocarburi.

În procesul de interacțiune chimică cu clorul sub influența iradierii ultraviolete, este posibilă formarea mai multor produse de reacție. În funcție de cantitatea de materie primă, pot fi obținute clorometan, cloroform, tetraclorură de carbon în timpul înlocuirii.

În cazul arderii incomplete a metanului, se formează funingine. În cazul oxidării catalitice se formează formaldehidă. Produsul final de interacțiune cu sulful este disulfura de carbon.

Caracteristicile structurii metanului

Care este formula sa structurală? Metanul se referă la hidrocarburile limitative având formula generală C_nH_{2n + 2}. Luați în considerare caracteristicile formării unei molecule pentru a explica modul în care se formează o formulă structurală.

Metanul constă dintr-un atom de carbon și patru atomi de hidrogen legați împreună printr-o legătură chimică polară covalentă. Să explicăm pe baza structurii formulelor structurale ale atomilor de carbon.

Tip de hibridizare

Structura spațială a metanului este caracterizată de o structură tetraedrică. Deoarece la nivelul exterior al carbonului există patru electroni de valență, atunci când atomul este încălzit, electronul trece de la a doua s-orbitale la p. Ca rezultat, la ultimul nivel de energie, carbonul are patru electroni neparticipati ("liberi"). Formula structurală completă a metanului se bazează pe formarea a patru nori hibrizi orientați în spațiu la un unghi de 109 grade 28 minute, formând structura tetraedrului. Apoi se întâlnesc vârfuri suprapuse ale nori hibrizi cu nori nehidrizi de atomi de hidrogen.

Formula structurală completă și scurtată a metanului corespunde pe deplin teoriei lui Butlerov. Între carbon și hidrogen se formează o legătură simplă (unică), astfel încât reacțiile chimice nu se caracterizează prin reacții de adiție.

Mai jos este formula structurală finală. Metanul este primul reprezentant al clasei de hidrocarburi saturate, are proprietati tipice ale alcanului final. Formula structurală și electronică a metanului confirmă tipul de hibridizare a atomului de carbon într-o materie organică dată.

Din cursul de chimie școlară

Această clasă de hidrocarburi, reprezentată prin "gaz mlaștină", ​​este studiată în clasa a Xa a școlii secundare. De exemplu, copiilor le este oferită o sarcină cu următorul caracter: "Scrieți formulele structurale de metan". Este necesar să înțelegem că pentru această substanță, conform teoriei lui Butlerov, se poate scrie doar o configurație structurală extinsă.

Formula sa prescurtată va coincide cu formula moleculară, scrisă sub formă de CH4. Conform noilor standarde educaționale federale introduse în legătură cu reorganizarea învățământului rusesc, în cursul de bază al chimiei, toate aspectele legate de caracteristicile claselor de substanțe organice sunt revizuite în detaliu.

Sinteza industriala

Pe baza metanului, s-au dezvoltat metode industriale cu o componentă chimică importantă ca acetilenă. Baza de cracare termică și electrică este tocmai formula sa structurală. Metanul formează un acid cianhidric în timpul oxidării catalitice cu amoniac.

Aplicați această substanță organică pentru a produce gaz de sinteză. Atunci când se interacționează cu vaporii de apă, se produce un amestec de monoxid de carbon și hidrogen, care este materia primă pentru producerea limitei alcooli monohidrici, carbonil.

O importanță deosebită este interacțiunea cu acidul azotic, rezultând în nitrometan.

Aplicare sub formă de combustibil pentru autovehicule

Din cauza lipsei de surse naturale de hidrocarburi, precum și sărăcirea bazei de materii prime, devine problemă deosebit de relevantă referitoare la căutarea de noi (alternative) pentru combustibil. O astfel de opțiune este biodieselul, care include metanul.

Având în vedere diferența de densitate dintre combustibilul pe benzină și primul reprezentant al clasei de alcani, există anumite caracteristici ale aplicării sale ca sursă de energie pentru motoarele de automobile. Pentru a evita necesitatea de a transporta cantități uriașe de metan, densitatea este mărită prin comprimare (la o presiune de ordinul a 250 de atmosfere). Depozitați metanul într-o stare lichefiată în buteliile instalate în mașini.

Efecte asupra atmosferei

Am menționat deja că metanul are un efect asupra efectului de seră. Dacă gradul de acțiune al monoxidului de carbon (4) asupra climei este luat condiționat pentru o unitate, atunci ponderea "gazului mlastos" este de 23 de unități. În ultimele două secole, oamenii de știință au observat o creștere a conținutului cantitativ de metan în atmosfera Pământului.

În prezent, numărul aproximativ de CH₄ este estimată la 1,8 părți per milion. În ciuda faptului că această cifră este de 200 de ori mai mică decât prezența dioxidului de carbon, există o conversație între oamenii de știință despre riscul posibil de reținere a căldurii radiate de planetă.

În legătură cu valoarea calorică excelentă a "gazului mlastos", acesta este folosit nu numai ca materie primă în realizarea sintezei chimice, ci și ca sursă de energie.

De exemplu, pe metan există diferite cazane de gaz, coloane, proiectate pentru sisteme individuale de încălzire în case particulare și case de țară.

O astfel de opțiune de încălzire autonomă este foarte avantajoasă pentru proprietarii de locuințe, nu este legată de accidente care apar sistematic la sistemele centralizate de încălzire. Datorită cazanului cu gaz pe acest tip de combustibil, 15-20 de minute sunt suficiente pentru a încălzi complet o cabană cu două etaje.

concluzie

Metanul, ale cărui formule structurale și moleculare au fost date mai sus, este o sursă naturală de energie. Datorită faptului că în compoziția sa există doar un atom de carbon și atomi de hidrogen, ecologistii recunosc siguranța ecologică a acestei hidrocarburi saturate.

În condiții standard (temperatura aerului 20 grade Celsius, presiune 101325 Pa), această substanță este gazoasă, netoxică, insolubilă în apă.

În cazul unei scăderi a temperaturii aerului la -161 grade, metanul este comprimat, care este utilizat pe scară largă în industrie.

Metanul are un impact asupra sănătății umane. Nu este o substanță otrăvitoare, ci este considerată un gaz sufocant. Există chiar valori limită (MPC) pentru conținutul unei substanțe chimice date în atmosferă.

De exemplu, munca în mine este permisă numai în acele cazuri în care cantitatea sa nu depășește 300 miligrame pe metru cub. Analizând trăsăturile structurii acestei materii organice, putem concluziona că este similară în proprietățile chimice și fizice cu toți ceilalți reprezentanți ai clasei de hidrocarburi saturate (limitativă).

Am analizat formulele structurale, structura spațială a metanului. Seria omologică, care inițiază un "gaz de mlaștină", ​​are o formulă moleculară generală C_nH_{2n + 2}.