Метан, его состав и строение молекулы.

Метан СН4 – наиболее простой углеводород. Это – газ,  не имеющий цвета и запаха,практически не раствоимый в воде, температура плавления которого −182 оС, а кипения – −162 оС.

Метан почти в два раза легче воздуха. Его Мr=16, соответственно относительная плотность по воздуху приблизительно равна 0,55:

Dвозд= Мr(СН4)/Мrвоздуха =16/29≈0,55.

В природе метан образуется в результате разложения остатков растений и животных без доступа воздуха. Он является основным компонентом природного газа, встречается также в каменноугольных шахтах и заболоченных водоемах. Поэтому иногда метан называют болотным газом.

Рис.1. Модель молекулы метана

В молекуле метана атом углерода соединен с четырьмя атомами водорода ковалентными связями, которые располагаются в пространстве под углом 109o28′. Поэтому молекула метана имеет форму правильного тераэдра. (Рис. 1)

Такое строение молекулы обусловлено строением атома углерода.

Углерод расположен во II периоде, VI-A группе периодической системы химических элементов. В основном состоянии на его внешнем энергетическом уровне находятся 2 спаренных s-электрона и 2 неспаренных р-электрона (Рис. 2-А)

При переходе атома углерода в возбужденное состояние один s-электрон второго уровня переходит на свободную р-орбиталь в результате чего атом углерода имеет четыре неспаренных валентных электрона, которые могут образовывать связи. (Рис. 2-Б)

Рис. 2. Электронно-графические формулы атома углерода А – в обычном состоянии, Б – в возбужденном состоянии

Мал. 3. Формулы метана: А – электронная, Б – структурная

Строение молекулы метана можно изобразить при помощи электронной формулы, в которой связи между атомами углерода и водорода обозначают двумя точками (рис. 3-А), или структурной формулы, в которой связь изображают черточкой (рис. 3-Б).

Однако объяснить форму молекулы метана только лишь возбужденным состоянием атома углерода нельзя. Как известно, три р-орбитали располагаются во взаимно перпендикулярных направлениях, поэтому они должны образовать с атомами водорода три химические связи под углом 90о, а четвертый атом водорода мог бы присоединяться в произвольном направлении, так как s-орбиталь имеет сферическую форму. Очевидно, эти связи должны отличаться по свойствам. Но все связи С–Н в молекуле метана одинаковы и расположены под углом 109o28′.

Это противоречие объясняют гибридизацией атомных орбиталей – гипотетическим процессом смешения разных орбиталей центрального атома многоатомной молекулы с возникновением одинаковых орбиталей, равноценных по своим характеристикам.

В процессе образования химических связей в молекуле метана орбитали всех валентных электронов атома углерода (одного s- и трех р-электронов) выравниваются, становятся одинаковыми (Рис. 3) и принимают форму несимметричных, вытянутых по направлению связи объемных восьмерок (несимметричное распределение электронной плотности означает, что вероятность нахождения электрона по одну сторону от ядра больше чем по другую). При этом общее количество орбиталей остаётся неизменным.

Рис. 3. sр3-гибридизация

Гибридизацию, в которой участвуют одна s-орбиталь и три р-орбитали, называют sр3-гибридизацией (читается: эс-пэ-три).

Поскольку 4 гибридные орбитали заряжены одноименно, то они отталкиваются друг от друга на максимальное расстояние к вершинам правильного тетраэдра и образуют угол связи 109o28′.

Таким образом тетраэдрическая форма молекулы метана обусловлена направлением четырех гибридных электронных орбиталей атома углерода в пространстве.

Структурные и электронные формулы не отображают расположение атомов в пространстве. Рассмотреть строение молекул в трех измерениях можно при помощи моделей молекул. Известно несколько видов моделей.

Чаще всего используют шаростержневые модели, в которых атомы представлены в виде шариков, соединяющихся на некотором расстоянии друг от друга посредством стерженьков, символизирующих валентные связи (видео 1). Такая модель хорошо передает взаимное расположение атомов, направление связей, но создает совершенно неправильное представление о заполнении пространства внутри молекулы. Создается впечатление, что молекула напоминает ажурный каркас, внутри которого существует большое незаполненное пространство между атомами.

В действительности атомные радиусы намного больше длин химических связей, поэтому никаких «пустых» промежутков в молекулах, как правило, нет, атомы плотно прилегают друг к другу.

Правильное представление о заполнении внутримолекулярного пространства можно получить при помощи полусферических моделей, называемых также масштабными, в которых атомы представлены в виде усеченных шаров с учетом атомных радиусов (в масштабе 0,1 нм=1,5 см), соединяемых между собой кнопками. (видео 2).

Видео 1
Видео 2