Метан, його склад і будова молекули.

Фізичні властивості метану.

Метан СН4 – найбільш простий вуглеводень. Це – газ, що не має кольору і запаху, практично не розчиняється у воді,температура плавлення якого −182 оС, а кипіння – −162 оС.

Метан майже в два рази легший за повітря. Його Мr=16, відповідно відносна густина за повітрям  приблизно дорівнює 0,55:

Dпов= Мr(СН4)/Мrповітря =16/29≈0,55.

Знаходження метану у природі.

У природі метан утворюється внаслідок розкладання залишків рослин і тварин без доступу повітря. Він є основним компонентом природного газу, також зустрічається  в кам’яновугільних шахтах і заболочених водоймах. Тому іноді метан називають болотним газом.

Будова молекули метану.

Мал. 1. Модель молекули метану

У молекулі метану атом Карбону сполучається з чотирма атомами Гідрогену ковалентними зв’язками, що розташовані в просторі під кутом 109o28′. Тому молекула метану має форму правильного тераедра. (Мал. 1)

Така будова молекули обумовлена будовою атома Карбону.

Карбон розташований у II періоді, VI-A групи періодичної системи хімічних елементів. В основному стані на його зовнішньому енергетичному рівні знаходяться 2 спарених s-електрона і 2 неспарених р-електрона (Мал. 2-А).

При переході атома Карбону у збуджений стан один s-електрон другого рівня переходить на вільну р-орбіталь, у наслідок чого атом Карбону має чотири неспарених валентних електрони, що можуть утворювати зв’язки (Мал. 2-Б).

Мал. 2. Електронно-графічні формули атома Карбону А – у звичайному стані, Б – у збудженому стані

Мал. 3. Формули метану: А – електронна, Б – структурна

Будову молекули метану можна зобразити за допомогою електронної формули, в якій зв’язки між атомами Карбону і Гідрогену позначають двома точками (мал. 3-А), або структурної формули, в якій зв’язок зображують рискою (мал. 3-Б).Однак пояснити форму молекули метану тільки збудженим станом атома Карбону не можна. Як відомо, три р-орбіталі розташовуються у взаємно перпендикулярних напрямках, тому вони повинні утворити з атомами Гідрогену три хімічні зв’язки під кутом 90о, а четвертий атом Гідрогену міг би приєднатися в довільному напрямку, так як s-орбіталь має сферичну форму. Очевидно, ці зв’язки повинні відрізнятися за властивостями. Але все зв’язку С–Н в молекулі метану однакові і розташовані під кутом 109o28°’.

Це протиріччя пояснюють гібридизацією атомних орбіталей – гіпотетичним процесом змішування різних орбіталей центрального атома багатоатомної молекули з виникненням однакових орбіталей, рівноцінних за своїми характеристиками.

sp3-гібридизація атому Карбону.

В процесі утворення хімічних зв’язків в молекулі метану орбіталі усіх валентних електронів атома Карбону (одного s- і трьох р-електронів) вирівнюються, стають однаковими (Мал. 3) і приймають форму несиметричних, витягнутих у напрямку зв’язку об’ємних вісімок (несиметричний розподіл електронної густини означає, що ймовірність знаходження електрона по одну сторону від ядра більша  за іншу). При цьому загальна кількість орбіталей залишається незмінною.

Мал. 3. sр3-гібридизація

Гібридизацію, в якій беруть участь одна s-орбіталь і три р-орбіталі, називають sр3-гібридизацією (читається: ес-пе-три).

Оскільки 4 гібридні орбіталі заряджені однойменно, то вони відштовхуються одна від одної на максимальну відстань до вершин правильного тетраедра і утворюють кут зв’язку 109o28′.

Таким чином тетраедрична форма молекули метану обумовлена напрямом чотирьох гібридних електронних орбіталей атома Карбону у просторі.

Моделі молекули метану.

Структурні та електронні формули не відображають розташування атомів у просторі. Розглянути будову молекул в трьох вимірах можна за допомогою моделей молекул. Відомо кілька видів моделей.

Найчастіше використовують кулестрижневі моделі, у яких атоми представлені у вигляді кульок, що з’єднуються на деякій відстані одна від одної за допомогою стрижнів, що символізують валентні зв’язки (відео 1). Така модель добре передає взаємне розташування атомів, напрямок зв’язків, але створює абсолютно неправильне уявлення про заповнення простору всередині молекули. Створюється враження, що молекула нагадує ажурний каркас, усередині якого існує великий незаповнений простір між атомами. Насправді атомні радіуси набагато більші за довжини хімічних зв’язків, тому ніяких «порожніх» проміжків у молекулах, як правило, немає, атоми щільно прилягають один до одного.

Правильне уявлення про заповнення внутримолекулярного простору можна отримати за допомогою напівсферичних моделей, які ще називають масштабними, у них атоми представлені у вигляді усічених куль з урахуванням атомних радіусів (у масштабі 0,1 нм = 1,5 см), що з’єднуються між собою кнопками. (Відео 2).

Відео 1. Кулестрижнева модель метану
Відео 2. Масштабна модель метану