Для метана характерны реакции

Виды химических реакций

  1. Реакции соединения
  2. Реакции разложения
  3. Реакции одинарного замещения
  4. Реакции двойного замещения
  5. Реакции окисления
  6. Окислительно-восстановительные реакции

Во время химических реакций из одних веществ получаются другие (не путать с ядерными реакциями, в которых один химический элемент превращается в другой).

Реагенты — вещества,
вступающие в химическую реакцию

Продукты реакции — вещества,
полученные после химической реакции

Любая химическая реакция описывается химическим уравнением:

Реагенты → Продукты реакции

Стрелка указывает направление протекания реакции.

Например: CH4 (г) + 2O2 (г) → CO2 (г) + 2H2O(г)

В данной реакции метан (СН4) реагирует с кислородом (О2), в результате чего образуется диоксид углерода (СО2) и вода (Н2О), а точнее — водяной пар. Именно такая реакция происходит на вашей кухне, когда вы поджигаете газовую конфорку. Читать уравнение следует так: одна молекула газообразного метана вступает в реакцию с двумя молекулами газообразного кислорода, в результате получается одна молекула диоксида углерода и две молекулы воды (водяного пара).

Числа, расположенные перед компонентами химической реакции, называются коэффициентами реакции.

Химические реакции бывают эндотермическими (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Горение метана — типичный пример экзотермической реакции.

Существует несколько видов химических реакций. Самые распространенные:

  • реакции соединения;
  • реакции разложения;
  • реакции одинарного замещения;
  • реакции двойного замещения;
  • реакции окисления;
  • окислительно-восстановительные реакции.

Реакции двойного замещения

В реакциях двойного замещения происходит замещение уже двух электронов. Такие реакции еще называют реакциями обмена. Такие реакции проходят в растворе с образованием:

  • нерастворимого твердого вещества (реакции осаждения);
  • воды (реакции нейтрализации).

Реакции осаждения

При смешивании раствора нитрата серебра (соль) с раствором хлорида натрия образуется хлорид серебра:

Молекулярное уравнение: KCl(р-р) + AgNO3 (p-p) → AgCl(т) + KNO3 (p-p)

Ионное уравнение: K+ + Cl- + Ag+ + NO3- → AgCl(т) + K+ + NO3-

Молекулярно-ионное уравнение: Cl- + Ag+ → AgCl(т)

Если соединение растворимое, оно будет находиться в растворе в ионном виде. Если соединение нерастворимое, оно будет осаждаться, образовывая твердое вещество.

Растворимые ионные соединения:

  • соединения NH4+
  • соединения щелочных металлов
  • ацетаты
  • нитраты
  • хлораты
  • сульфаты
Нерастворимые ионные соединения:

  • оксиды
  • сульфаты
  • большинство фосфатов
  • большнинство гидроксидов
  • сульфаты: PbSO4; BaSO4; SrSO4

Реакции нейтрализации

Это реакции взаимодействия кислот и оснований, в результате которых образуются молекулы воды.

Например, реакция смешивания раствора серной кислоты и раствора гидроксида натрия (щелока):

Молекулярное уравнение: H2SO4 (p-p) + 2NaOH(p-p) → Na2SO4 (p-p) + 2H2O(ж)

Ионное уравнение: 2H+ + SO42- + 2Na+ + 2OH- → 2Na+ + SO42- + 2H2O(ж)

Молекулярно-ионное уравнение:2H+ + 2OH- → 2H2O(ж) или H+ + OH- → H2O(ж)

Метан, его строение

Принадлежность веществ к группе предельных углеводородов определяется характером их строения. Рассмотрим строение наиболее простого углеводорода – метана.

Метан CH4 – газ без цвета и запаха, почти в два раза легче воздуха. Он образуется в природе в результате разложения без доступа воздуха остатков растительных и животных организмов. Поэтому он может быть обнаружен, например, в заболоченных водоемах, в каменноугольных шахтах. В значительных количествах метан содержится в природном газе, который широко используется сейчас в качестве топлива в быту и на производстве.

В молекуле метана химические связи атомов водорода с атомом углерода имеют ковалентный характер.

Если перекрывающиеся попарно электронные облака при образовании связей обозначить двумя точками или валентной черточкой, строение метана можно выразить формулами:

Когда в органической химии стало развиваться учение о пространственном строении молекул, было выяснено, что молекула метана в действительности имеет тетраэдрическую форму, а не плоскую, как мы изображаем на бумаге.

Выясним, почему же молекула метана представляет собой тетраэдр. Мы должны исходить, очевидно, из строения атома углерода. Но здесь мы сталкиваемся с противоречием. У атомов углерода четыре валентных электрона, два из них являются спаренными s-электронами, они не могут образовывать химических связей с атомами водорода. Химические связи могут установиться только за счет двух неспаренных p-электронов. Но тогда молекула метана должна иметь формулу не CH4, а CH2, что не соответствует действительности. Такое противоречие устраняется следующей трактовкой образования химических связей.

Когда атом углерода вступает во взаимодействие с атомами водорода, s-электроны наружного слоя в нем распариваются, один из них занимает вакантное место третьего p-электрона и образует при своем движении облако в виде объемной восьмерки, перпендикулярное по отношению к облакам двух других p-электронов. Атом при этом переходит, как говорят, в возбужденное состояние. Теперь все четыре валентных электрона стали неспаренными, они могут образовать четыре химические связи. Но возникает новое противоречие. Три p-электрона должны образовать три химические связи с атомами водорода во взаимно перпендикулярных направлениях, т. е. под углом 90°, а четвертый атом водорода мог бы присоединяться в произвольном направлении, так как облако s-электрона имеет сферическую форму и эти связи, очевидно, отличались бы по свойствам. Между тем известно, что все связи C—H в молекуле метана одинаковы и расположены под углом 109°28′. Разрешить это противоречие помогает представление о гибридизации электронных облаков.

В процессе образования химических связей облака всех валентных электронов атома углерода (одного s- и трех p-электронов) выравниваются, становятся одинаковыми. При этом они принимают форму несимметричных, вытянутых в направлении к вершинам тетраэдра объемных восьмерок (несимметричное распределение электронной плотности означает, что вероятность нахождения электрона по одну сторону от ядра больше, чем по другую).

Угол между осями гибридных электронных облаков оказывается равным 109°28′, что позволяет им, как одноименно заряженным, максимально удалиться друг от друга. Будучи вытянутыми к вершинам тетраэдра, такие облака могут значительно перекрываться с электронными облаками водородных атомов, что ведет к большему выделению энергии и образованию прочных, одинаковых по свойствам химических связей (рис. А).

Часть III. ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 16. УГЛЕВОДОРОДЫ

§ 16.3. Химические свойства метана и его гомологов

Члены гомологического ряда алканов имеют общие химические свойства. Это малоактивные вещества. Все реакции с их участием можно разделить на два типа: реакции с разрывом связей С—Н (например, реакции замещения) и реакции с разрывом связей С—С, при котором происходит расщепление молекул на отдельные осколки (крекинг).

Радикалы существуют в течение незначительного доли секунды и очень активны в момент образования. Так, они легко взаимодействуют между собой, образуя с неспаренных электронов новый ковалентная связь. Например:

Они легко реагируют и с молекулами органических веществ, присоединяясь к ним или отрывая от них атом с неспаренным электроном. В результате образуются новые радикалы, которые могут реагировать с другими молекулами.

Примером может быть радикальная полимеризация ненасыщенных соединений:

В ходе такой цепной реакции образуются макромолекулы (см. § 16.7), рост которых продолжается до тех пор, пока не оборвется цепь, например при соединении двух радикалов.

Как отмечалось выше, реакциями свободных радикалов объясняется много важных химических процессов — окисления, взрывы, полимеризация ненасыщенных соединений, крекинг нефти и тому подобное.

Химические свойства алканов подробнее рассматриваются на примере метана.

Строение молекулы и свойства метана. Электронное строение молекулы метана рассмотрены в § 3.2. Атом углерода в молекуле метана находится в состоянии sp -гибридизации. В результате перекрывания четырех гібридизованих орбиталей атома углерода с 5-орбіталями атомов водорода образуется весьма прочная молекула метана. Электронное строение молекулы метана см. рис. 3.11.

Метан — газ без цвета и запаха, легче воздуха, малорастворим в воде. Насыщенные углеводороды способны гореть, образуя оксид углерода(IV) и воду. Метан горит бледным синеватым пламенем:

СН4 + 2O2 −> O2 + 2Н2О.

В смеси с воздухом (или с кислородом, особенно в соотношении по объему 1 : 2, что видно из уравнения реакции) метан образует взрывчатые смеси. Поэтому он опасен как в быту (утечка газа через краны), так и в шахтах. При неполном сгорании метана образуется сажа. Так ее добывают в промышленных условиях. С участием катализаторов при окислении метана добывают метиловый спирт и формальдегид (см. § 17.2 и 17.6). При сильном нагревании метан разлагается по уравнению: СН4 -> С + Н2.

В печах специальной конструкции расписание метана можно осуществить до промежуточного продукта — ацетилена:

2СН4 -> С2Н2 + ЗН2.

Себестоимость такого ацетилена почти вдвое ниже себестоимости ацетилена, добытого из карбида кальция.

Конверсией метана с водяным паром добывают водород (см. § 8.2).

Для метана характерны реакции замещение. На свету при обычной температуре галогены — хлор и бром — постепенно (по стадиям) вытесняют из молекулы метана водород, образуя так называемые галогенпроизводные. Атомы хлора замещают в ней атомы водорода с образованием смеси различных соединений: СН3Сl — хлорметану (хлористого метила), СН2Сl2 — дихлорметана (хлористого метилена), СНСl3 — трихлорметану (хлороформа), ССl4 — тетрахлорметана (четыреххлористого углерода). Из этой смеси каждое соединение можно выделить. Большое значение имеют хлороформ и тетрахлорметан как растворители смол, жиров, каучука и других органических веществ.

Образование галогенпроизводных метана происходит по цепным вільнорадикальним механизмом. Под действием света молекулы хлора распадаются на неорганические радикалы:

Сl2 ⇆ 2Сl-

Неорганический радикал Сl отрывает от молекулы метана атом водорода с одним электроном, образуя НСl и свободный

радикал СН3

Свободный радикал взаимодействует с молекулой хлора Сl2, образуя галогенопохідне и радикал хлора:

СН3 + Cl—> СН3—Сl + Cl

Радикал хлора снова продолжает цепь превращений и т. д.

Метан при обычной температуре проявляет значительную устойчивость к действию кислот, щелочей и многих окислителей. Однако он вступает в реакцию с нітратною кислотой:

CH4 + HNO3 -> CH3NO2 + H2O.

Нитрометан

Метан не способен к реакциям присоединения, поскольку в его молекуле все валентности насыщены.

Приведенные реакции замещения сопровождаются разрывом связей С—Н. Однако известны процессы, в которых происходит не только расщепление связей С—Н, но и разрыв цепи атомов карбона (у гомологов метана). Эти реакции происходят при высоких температурах и при наличии катализаторов. Например:

Процесс (а) называется дегідрогенізацією, процесс (б) — крекингом.

Окисненням насыщенных углеводородов добывают кислоты: уксусную кислоту из бутана (см. § 17.12) и жирные кислоты с большой молекулярной массой — из парафина (см. § 17.15).

Добывания вещество алканин. Метан очень распространен в природе. Он является главной составной частью многих горючих газов, как природных (90-98 %), так и искусственных, выделяющихся при сухой перегонке древесины, торфа, каменного угля, а также при крекинге нефти. Природные газы, особенно попутные газы нефтяных месторождений, помимо метана содержат этан, пропан, бутан и пентан.

Метан выделяется со дна болот и из каменноугольных пластов в рудниках, где он образуется при медленном разложении растительных остатков без доступа воздуха. Поэтому метан часто называют болотным, или рудниковым, газом.

В лабораторных условиях метан добывают при нагревании смеси ацетата натрия с гидроксидом натрия:

или при взаимодействии карбида алюминия с водой:

Аl4С3 + 12Н2О −> 4Аl(ОН)3 + ЗСН4.

В последнем случае метан образуется очень чистый. Метан можно получить из простых веществ при нагревании и наличии катализатора:

С + 2Н2 −> СН4,

а также синтезом на основе водяного газа:

CO + ЗН2 -> СН4 + Н2О.

Этот способ имеет промышленное значение. Однако используют обычно метан природных газов или газов, образующихся во время коксования каменного угля и переработке нефти.

Гомологи метана, как и метан, в лабораторных условиях добывают прокаливанием солей соответствующих органических кислот с щелочами. Другой способ — реакция Вюрца, то есть нагрев моногалогенопохідних с металлическим натрием, например:

В технике для получения синтетического бензина (смесь углеводородов, содержащих 6-10 атомов углерода) применяют синтез из оксида углерода(II) и водорода при наличии катализатора (соединения кобальта) и при повышенном давлении. Процесс можно выразить уравнением:

200°С

nСО + (2n+ 1)Н2 —> СnН 2n+2 + nН2О.

Применение алканов. Зная свойства метана, можно составить представление о его применении. Оно очень разнообразное. Благодаря большой теплотворной способности метан в больших количествах расходуется в качестве топлива (в быту — бытовой газ и в промышленности). Широко применяются вещества, которые добывают из метана: водород, ацетилен, сажа. Он есть исходным сырьем для получения формальдегида, метилового спирта, а также различных синтетических продуктов.

Большое промышленное значение имеет окисление высших предельных углеводородов — парафинов с числом углеродных атомов 20-25. Таким способом добывают синтетические жирные кислоты с различной длиной цепи, которые используются для производства мыл, различных моющих средств, масел, лаков и эмалей.

Жидкие углеводороды используются как топливо (они входят в состав бензина и керосина). Алканы широко применяют в органическом синтезе.

Процесс — разложение — метан

Cтраница 1

Процесс разложения метана при высокой температуре должен быть подвергнут дополнительным тщательным исследованиям; однако и теперь уже очевидно, что химические реакции, протекающие при 1500 С и выше, совершенно не похожи на реакции, описываемые в руководствах по органической химии.  

Процесс разложения метана при высокой температуре должен быть подвергнут дополнительным тщательным исследованиям; однако и теперь уже очевидно, что химические реакции, протекающие при 1500 С и выше, совершенно не похож: и на реакции, описываемые в руководствах по органической химии.  

Установлено, что процесс разложения метана связан с постепенным обеднением промежуточных углеводородных соединений водородом. Протекание процесса разложения метана определяется температурой и продолжительностью пребывания газа в зоне высоких температур.  

Работы по осуществлению процесса разложения метана в аппаратах непрерывного типа проводят в СССР и за рубежом. Так, по предварительным данным, термическое разложение сухого газа может осуществляться на движущемся коксе — твердом теплоносителе. В процессе термического разложения параллельно с водородом получают на 1000 м3 водорода около 0 25 т углерода, который можно частично выводить из системы как товарный продукт. Чистота водорода будет порядка 90 — 95 объемн.  

Возможно здесь также проявляется активация процесса разложения метана аргоном и имеет место энергетический катализ. Поэтому возможно, что в данном случае наблюдается иного рода эффект — повышение общего давления переводит разряд в химически более эффективную форму, связанную с развитием более высоких температур.  

В химической промышленности медь служит катализатором процесса разложения метана и аналогичных углеводородов. Сплав Деварда разлагает воду и восстанавливает в кислой среде N0 и N02 до NH3 — Благодаря своей коррозионной устойчивости медь применяется для защитных покрытий других металлов.  

Все испытанные катализаторы при использовании в процессе разложения метана вначале быстро снижают активность в результате отложения на поверхности катализатора углерода, но затем их активность стабилизируется на определенном, довольно высоком уровне и сохраняется в течение долгого времени.  

Из рис. 12 видно, что скорость процесса разложения метана на поверхности тем выше, чем больше исходная удельная поверхность применяемого контакта, поэтому скорость процесса на муллите Земского значительно ниже, чем на муллите ТР-22, хотя природа и химический состав материала одинаковы, так же как в случае нефтяного кокса процесс идет значительно медленнее, чем на криптоле, а тем более на торфяном коксе. В то же время эти измерения показывают, что в условиях проведения опытов только величина удельной поверхности контакта не может определять величину скорости. Очевидно, в данном случае поверхность, доступная для процесса у активного глинозема, больше, чем у торфяного кокса.  

Наличие катализаторов ( железа, никеля) сильно ускоряет процесс разложения метана и других углеводородов.  

Автор нашел, что присутствие водорода весьма сильно задерживало процесс разложения метана. С механизмом реакции, предложенным Kassel eM, хорошо согласуются данные Storch30, изучавшего1 разложение метана в присутствии раскаленных угольных нитей.

Storch нашел, что первичным продуктом разложения метана в этих условиях является этан. Действительно, если вести разложение метана в угольной лампочке накаливания, погруженной в жидкий азот, то получается 95 % теоретического выхода этана.  

Из вышеприведенных реакций видно, что для обеспечения максимальных выходов ацетилена необходимо подавить процесс разложения метана до углерода и водорода, что возможно при избыточном подводе количества энергии с последующей быстрой закалкой конечных продуктов.  

Изучение изменения структуры пор активного глинозема с различной степенью зауглероженности показало, что процесс разложения метана проходит главным образом в крупных порах.  

Относительно небольшая активность никелевого катализатора на окиси алюминия объясняется низким содержанием никеля в катализаторе ( 4 %) и быстрым его отравлением в процессе разложения метана.  

Установлено, что процесс разложения метана связан с постепенным обеднением промежуточных углеводородных соединений водородом. Протекание процесса разложения метана определяется температурой и продолжительностью пребывания газа в зоне высоких температур.  

Страницы:      1    2

Метан – простейший углеводород. Его химическая формула – СН4. Он гораздо легче воздуха, почти не растворяется в воде, представляет собою бесцветный газ, не имеющий запаха. Находит широкое применение – в качестве топлива, как сырье для производства многих органических веществ, таких, как ацетилен, метанол, формальдегид и т.д. Метан можно получить разными способами, в том числе из углерода.

Инструкция

  • Перед вами стоит задача: получить углерод из метана. Сама формула метана может подсказать дальнейшие действия. Что надо сделать, чтобы из вещества С получить СН4? Разумеется, присоединить к углероду водород. То есть провести реакцию гидрирования. Она будет протекать по формуле: С + 2Н2 = СН4
  • Как это можно сделать? Просто так при нормальных условиях такая реакция не протекает. Для этого требуются особые условия. Метан из углерода получают одним из двух способов:- либо в пламени так называемой «электрической дуги» в атмосфере водорода. Реакция идет при температуре порядка 1200 градусов;- либо при более низкой температуре (порядка 400 – 500 градусов) и повышенном давлении. При этом в качестве инициатора и ускорителя реакции используется никелевый катализатор.
  • Легко можно понять, что в лабораторной практике получить метан из углерода чрезвычайно тяжело. Поэтому в лабораториях применяют другие методы получения метана, например, путем воздействия воды на карбид алюминия, или при сплавлении едкого натра с ацетатом натрия. Да и в промышленных условиях синтезировать метан из углерода нерентабельно.

    Такие способы получения метана представляют чисто академический интерес.

  • Как ни странно это может прозвучать, но самый эффективный способ получения метана из углерода – с помощью так называемых «природных биологических реакторов». Иными словами, огромное количество метана образуется в желудочно-кишечном тракте травоядных животных, в процессе переваривания пищи, с помощью бактерий и ферментов, играющих роль катализатора. Сложные промежуточные процессы в итоге сводятся к той же самой схеме реакции: С + 2Н2 = СН4

Добавить комментарий

Закрыть меню