Номер 3, страница 183 - гдз по химии 9 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Глава 8. Первоначальные представления об органических веществах. Параграф 52. Предельные (насыщенные) углеводороды. Подумай, ответь, выполни... - номер 3, страница 183.

Условие.

3. Охарактеризуйте физические и химические свойства метана.

Решение.

Решение 2.

Метан ($CH_4$) — простейший представитель класса насыщенных углеводородов (алканов), химическая формула $CH_4$. Является основным компонентом природного газа (до 98%), биогаза и рудничного газа.

Физические свойства

При стандартных условиях метан представляет собой газ без цвета и запаха. Тот запах, который мы ассоциируем с бытовым газом, создается искусственно путем добавления специальных веществ с резким запахом — одорантов (например, меркаптанов), чтобы можно было обнаружить утечку. Метан почти не растворяется в воде, но растворим в органических растворителях. Он значительно легче воздуха: молярная масса метана $M(CH_4) \approx 16 \text{ г/моль}$, а средняя молярная масса воздуха — около $29 \text{ г/моль}$. Температура кипения метана составляет $-161.6^\circ\text{C}$, а температура плавления — $-182.5^\circ\text{C}$.

Ответ: Метан — это бесцветный газ без запаха, который легче воздуха, практически нерастворим в воде, с температурой кипения $-161.6^\circ\text{C}$.

Химические свойства

Метан — предельный углеводород, поэтому для него характерны низкая химическая активность и реакции замещения, а не присоединения. Прочные ковалентные связи $C-H$ в его молекуле разрываются с трудом, обычно при высоких температурах или под действием света.

1. Горение (окисление). Это важнейшее химическое свойство метана, которое определяет его применение как топлива. При полном сгорании в избытке кислорода образуются углекислый газ и вода, и выделяется большое количество теплоты:

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + Q$

При недостатке кислорода происходит неполное сгорание с образованием угарного газа ($CO$) или сажи ($C$):

$2CH_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO + 4H_2O$

$CH_4 + O_2 \rightarrow C + 2H_2O$

2. Реакции замещения.

а) Галогенирование. Метан реагирует с галогенами (например, $Cl_2$, $Br_2$) при нагревании или под действием ультрафиолетового излучения. Реакция идет по цепному свободно-радикальному механизму, при этом атомы водорода последовательно замещаются на атомы галогена:

$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_3Cl \text{ (хлорметан)} + HCl$

$CH_3Cl + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CH_2Cl_2 \text{ (дихлорметан)} + HCl$

$CH_2Cl_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CHCl_3 \text{ (трихлорметан)} + HCl$

$CHCl_3 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} CCl_4 \text{ (тетрахлорметан)} + HCl$

б) Нитрование (реакция Коновалова). При нагревании до $140^\circ\text{C}$ с разбавленной азотной кислотой ($HNO_3$) под давлением один атом водорода замещается на нитрогруппу $-NO_2$:

$CH_4 + HNO_3 (\text{разб.}) \xrightarrow{t, P} CH_3NO_2 \text{ (нитрометан)} + H_2O$

3. Термическое разложение (пиролиз). При сильном нагревании без доступа воздуха метан разлагается. Направление реакции зависит от температуры:

При $t > 1000^\circ\text{C}$ метан разлагается на простые вещества — углерод (сажу) и водород:

$CH_4 \xrightarrow{1000^\circ C} C + 2H_2$

При быстром нагреве до $1500^\circ\text{C}$ происходит димеризация с образованием ацетилена:

$2CH_4 \xrightarrow{1500^\circ C} C_2H_2 + 3H_2$

4. Каталитическое окисление и конверсия. В присутствии катализаторов метан может окисляться до различных продуктов (формальдегида, метанола). Важное промышленное значение имеет паровая конверсия метана для получения синтез-газа (смеси $CO$ и $H_2$):

$CH_4 + H_2O \xrightarrow{Ni, 800^\circ C} CO + 3H_2$

Ответ: Основными химическими свойствами метана являются: реакция горения с выделением большого количества тепла; реакции замещения (галогенирование, нитрование), протекающие в жестких условиях; термическое разложение (пиролиз) при высоких температурах и каталитическая конверсия.