Хімічні властивості метану, формула, щільність, горіння газу, молярна маса, застосування в промисловості, термічне розкладання, бромирование метану, будова молекули

Хімічні властивості метану нічим не відрізняються від властивостей, притаманних усім речовинам класу алканів. У шкільному курсі хімії метан вивчають одним з перших речовин органіки, так як він є одним з найпростіших представників алканів.

У його складі один атом вуглецю і чотири атома водню.

Формула метану і способи його отримання

Молекулярна формула метану Структурна формула метану

СН4

Н

|

Н — С — Н

|

Н

 

Метан у великих кількостях міститься в атмосфері. Ми не звертаємо уваги на знаходження цього газу в повітрі, адже на нашому організмі це ніяк не відбивається, а ось канарки дуже чутливі до метану.

Коли-то вони навіть допомагали шахтарям спускатися під землю. Коли процентний вміст метану змінювалася, птиці переставали співати. Це служило сигналом для людини, що він спустився занадто глибоко і потрібно підніматися нагору.

Утворюється метан в результаті розпаду залишків живих організмів. Не випадково з англійської methane перекладається, як болотний газ, адже він може бути виявлений в заболочених водоймах і кам’яновугільних шахтах.

Основним джерелом газу в агропромисловому комплексі є рогата худоба. Так, метан вони виводять з організму разом з іншими продуктами життєдіяльності. До речі, збільшення числа рогатої худоби на планеті може призвести до руйнування озонового шару, адже метан з киснем утворюють вибухонебезпечну суміш.

Метан в промисловості можна отримати з допомогою нагрівання вуглецю і водню або синтезу водяного газу, всі реакції протікають у присутності каталізатора, найчастіше нікелю.

У США розроблена ціла система по видобутку метану, вона здатна отримати до 80% природного газу з вугілля. На сьогоднішній день світові запаси метану оцінюються експертами в 260 трильйонів метрів кубічних! Навіть запаси природного газу значно менше.

В лабораторії метан отримують шляхом взаємодії карбіду алюмінію (неорганічне з’єднання алюмінію з вуглецем) і води. Також за допомогою гідроксиду натрію, вступає в реакцію з ацетатом натрію, більш відомого як харчова добавка Е262.

Фізичні властивості метану

Характеристика:

  1. Безбарвний газ, без запаху.
  2. Вибухонебезпечний.
  3. Не розчиняється у воді.
  4. Температура кипіння: -162oC, замерзання: -183°C.
  5. Молярна маса: 16,044 г/моль.
  6. Щільність: 0,656 кг/м3.

Хімічні властивості метану

Говорячи про хімічних властивостях, виділяють ті реакції, в які вступає метан. Нижче наведений разом з формулами.

Горіння метану

Як всі органічні речовини, метан горить. Можна помітити, що при горінні утворюється блакитнувате полум’я.

СН4 + 2 O 2 → СО2↑ + 2Н2О

Називається така реакція – реакцією горіння або повного окислення.

Заміщення

Метан також реагує з галогенами. Це хімічні елементи 17 групи періодичної таблиці Менделєєва. До них відносяться: фтор, хлор, бром, йод і астат. Реакція з галогенами називається реакцією заміщення або галогенирования. Така реакція проходить тільки в присутності світла.

Хлорування і бромирование

Якщо в якості галогену використовується хлор, то реакція буде називатися – реакцією хлорування. Якщо в якості галогену виступає бром, то – бромирование, і так далі.

CH4 + Cl2 → CH3Cl + НСl

CH4 + Br2 → CH3Br + НВг

Хлорування. Нижчі алкани можуть прохлорировать повністю.

CH4 + Cl2 → CH3Cl + НСl

CH3Cl + Cl2 → CH2Сl2 + НСl

CH2Сl2+ Cl2 → CHCl3 + НСl

CHCl3 + Cl2 → CСl4 + НСl

Точно так само метан може повністю вступати в реакцію бромування.

CH4 + Br2 → CH3Br + Н Br

CH3Br + Br2 → CH2Br2 + НВг

CH2Br2 + Br2 → CHBr3 + НВг

CHBr3 + Br2 → CBr4 + НВг

З йодом такої реакції уже немає, а з фтором навпаки супроводжується швидким вибухом.

Розкладання

Так само цього углеводороду властива реакція розкладу. Повне розкладання:

СН4 → С + 2H₂

І неповне розкладання:

2СН 4 → С2Н2 + 3Н2

Реакція з кислотами

Метан реагує з концентрованою сірчаною кислотою. Реакція носить назву сульфування і відбувається при невеликому нагріванні.

2СН 4 + Н2ЅО4 → СН3ЅО3Н + Н2О

Окислення

Як вже було сказано, СН4 може повністю окислюватися, але при недоліку кисню можливо неповне окислення.

2СН 4 + 3O2 → 2CO + 4Н2О

СН4 + О2 → С + 2Н2О

Крім іншого, для цього газу характерно каталітичне окислення. Воно відбувається у присутності каталізатора. При різному співвідношенні моль речовини виходять різні кінцеві продукти реакції. В основному це:

  • спирти: 2СН 4 + O2 → 2СО3ОН
  • альдегіди: СН4 + O2 → НСОН + Н2О
  • карбонові кислоти: 2СН 4 + 3O2 → 2НСООН + 2Н2О

Реакція протікає при температурі 1500°C. Дана реакція також носить назву – крекінг – термічне розкладання.

Нітрація метану

Існує також реакція нітрування або реакція Коновалова, названа на честь вченого, який довів, що з граничними вуглеводнями діє розбавлена азотна кислота. Продукти реакції отримали назву – нітросполуки.

CH4 + НNО 3 → СН3NO2 + H2O

Реакція проводиться при температурі 140-150°C.

Дегідрування метану

Крім того, для метану характерна реакція дегідрування (розкладання) – відчеплення атомів водню і отримання ацетилену, в даному випадку.

2СН 4 → C2H2 + 3Н2

Застосування метану

Метан, як і інші граничні вуглеводні, широко використовується в повсякденному житті. Його застосовують у виробництві бензину, авіаційного та дизельного палива.

Використовують в якості бази для отримання різного органічного сировини на підприємствах. Також метан широко використовується в медицині і косметології.

Метан застосовують для отримання синтетичного каучуку, фарб і шин.

Атлети використовують так званий рідкий метан для швидкого набору маси за короткий проміжок часу.

А при хлоруванні метану утворюється речовина, яка в подальшому використовується для знежирення поверхонь або як компонент в засобах для зняття лаку. Деякий час продукт взаємодії метану і хлору використовували в якості наркозу.