Формула метана

Определение и формула метана

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Метан (болотный газ) — это простейший углеводород, первый член гомологического ряда алканов.

Формула – $CH_4$

Молярная масса равна $16,04$ г/моль.

Физические свойства – в обычных условиях бесцветный газ, не имеющий запаха.

Плохо растворяется в воде.

Известный физик А. Вольта обнаружил метан в болоте в 1776 году.

Метан является главным компонентом природного газа, он содержится в больших количествах в атмосфере газовых гигантов.

Химические свойства метана

Метан взаимодействует с галогенами при облучении светом по радикальному механизму:
$CH_4 + Cl_2 = CH_3Cl + HCl$
Подвергается нитрованию разбавленной азотной кислотой при нагревании:
$CH_4 + HNO_3 = CH_3NO_2 + H_2O$
Может реагировать с аммиаком при температуре приблизительно $1400^{\circ} \text{C}$ . При этом образуется синильная кислота $HCN$ .
Может взаимодействовать с водой при температуре $800^{\circ} \text{C}$ на никелевом катализаторе:
$CH_4 + H_2O = CO + H_2$
Термически разлагается при температуре $1000^{\circ} \text{C}$ на ацетилен и водород:
$CH_4 = C_2H_2 + H_2$

Получение

В лабораторных условиях метан получают нагреванием безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой:

$2NaOH + CH_3COOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O + CH_4 \uparrow$

Другой способ получения основывается на сплавлении ацетата натрия с $NaOH$ :

$CH_3COONa + NaOH \rightarrow CH_4 \uparrow + Na_2CO_3$

Применение

Метан широко используется в качестве промышленного и бытового газа. химически перерабатывается главным образом в ацетилен, газовую сажу, фторо- и хлоропроизводные.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Рассчитайте энергию связи $C-H$ в $CH_4$ используя энтальпии образования соответствующих веществ.

Решение

Запишем химическую реакцию, при которой метан разлагается на углерод и атомы водорода:

$CH_4 \rightarrow C + 4H$

Определим изменение энтальпии этой реакции:

$\Delta H = \Delta H\left ( C \right ) + 4 \cdot \Delta H\left ( H \right )- \Delta H\left ( CH_4 \right )= 0+ 4 \cdot 217,9 - \left ( -74,85 \right )=946,45$

Данная энергия соответствует разрыву четырех связей $C-H$ , тогда энергия разрыва одной связи $C-H$ :

$E\left ( C-H \right )=\frac{\Delta H}{4}=\frac{946,45}{4}=236,61$ кДж/моль

Ответ

$E\left ( C-H \right )=236,61$ кДж/моль

ПРИМЕР 2

Задание

Рассчитайте изменение стандартной энергии Гиббса сольватации $CH_4$ в воде при $25^{\circ} \text{C}$ .

Решение

Процесс сольватации метана соответствует процессу растворения $CH_4$ в $H_2O$ . Это можно записать в виде уравнения:

$CH_4_{gas} \rightleftarrows CH_4_{solution}$

Запишем выражение для константы равновесия этого процесса:

$K=\frac{C_M}{\tilde{P}\left ( CH_4 \right )}$

В данном случае за стандартное состояние вещества в газообразном состоянии принята 1 атмосфера, а в растворе $1$ моль/л.

Данная константа является константой Генри с размерностью моль/(л $\cdot$ атм).

Ее численное значение возьмем из справочника: $K = 1,4 \cdot 10^{-3}$ .

Изменение стандартной энергии Гиббса рассчитаем по уравнению нормального сродства:

$\Delta G^0=-R \cdot T \cdot \ln K=-8,314 \cdot 298 \cdot \ln \left [ 1,4 \cdot 10^{-3} \right ]=16281$ Дж/моль $= 16,3$ кДж/моль.