Вправа 1. Поясніть склад і будову молекули метану.
До складу молекули метану входять один атом Карбону й чотири атоми Гідрогену. Хімічна формула — СН4.
У органічних речовинах атом Карбону перебуває у збудженому стані: після отримання додаткової енергії й переходу одного електрона з 2s-орбіталі у вільну 2р-орбіталь, ці орбіталі набувають однакової форми, які мають вигляд об’ємних несиметричних вісімок і спрямовані до вершин правильної трикутної піраміди (тетраедра). Під час утворення хімічних зв’язків між атомами Карбону й Гідрогену ці зв’язки також спрямовуються до вершин трикутної піраміди під кутом 109,5°. Отже, молекула метану має форму тетраедра, у центрі якого розташований атом Карбону, сполучений ковалентними зв’язками з атомами Гідрогену, розміщеними на вершинах. Кут між зв’язками — 109,5°.
Вправа 2. Поясніть, використавши знання з географії, поширення метану в природі. Україна займає 28 місце серед усіх країн світу за запасами метану у вигляді природного газу. Найбільші родовища газу в Україні зосереджені в Дніпровсько-Донецькому нафтогазоносному регіоні та в Передкарпатському родовищі. Значні родовища природного газу є на рівнинній частині Кримського півострова та в Чорноморському й Азовському шельфах. Чорне море також багате на поклади гідратів метану (продукти сполучення з водою).
Вправа 3. Охарактеризуйте властивості метану:
а) фізичні; Метан — це газ, що становить 75–98 % об’ємних часток природного газу. Не має запаху й кольору, майже вдвічі легший за повітря, малорозчинний у воді.
б) хімічні.
1.Повне окиснення (горіння) з утворенням карбон (IV) оксиду (вуглекислого газу) й води, реакція екзотермічна:
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О; ∆Н=-890кДж/моль.
2. Неповне окиснення (за нестачі кисню) з утворенням вуглецю або карбон (IІ) оксиду (чадного газу):
СН4 + О2 = С + 2Н2О або
2СН4 + 3О2 = 2СО + 4Н2О.
3. Заміщення з галогенами:
Реакція хлорування, відбувається за освітлення або нагрівання, продуктами реакції є хлоропохідні метану і гідроген хлорид:
CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl
хлорометан
CH3Cl + Cl2 -> CH2Cl2 + HCl,
дихлорометан
CH2Cl2 + Cl2 -> CHCl3 + HCl
трихлорометан
CHCl3 + Cl2 -> CCl4 + HCl
тетрахлорометан
Сумарне рівняння повного хлорування метану:
CH4 + 4Cl2 -> CCl4 + 4HCl
Вправа 4. Обчисліть відносну густину метану за:
а) воднем:
DН2(CH4)=Mr(CH4)/Mr(Н2)=16/2=8,
де Mr(СН4)=Аr(C)+4•Аr(Н)=12+4•1=16,
Mr(H2)=2•Ar(H)=2•1=2.
б) гелієм.
DНe(CH4)=Mr(CH4)/Mr(Н2)=16/4=4,
де Mr(CН4)=Аr(C)+4•Аr(Н)=12+4•1=16,
Mr(He)=Ar(He)=4.
Вправа 5. Укажіть масову частку Карбону в складі метану.
| А 75,2% | Б 75,5 % | В 75 % | Г 75,3 % |
Масову частку елемента у сполуці обчислюємо за формулою
w(елемента)=n•Ar(елемента)/Mr(сполуки)
w(С)=Ar(С)/Mr(СН4)=12/(12+4•1)=12/16=0,75 або 75%
Вправаи 6. Укажіть, який реактив треба використати, щоб серед продуктів горіння метану виявити вуглекислий газ.
| А СаСО3 | Б Са(ОН)2 | В СаО | Г СаСl2 |
Безбарвний прозорий розчин гашеного вапна Ca(OH)2 - вапняна вода. Помутніння вапняної води спричиняє кальцій карбонат, що утворюється під час реакції вуглекислого газу з розчином кальцій гідроксиду:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓+ H2O
Вправа 7. Обчисліть об’єм вуглекислого газу (н. у.), що утвориться внаслідок повного згоряння метану кількістю речовини 20 моль.
Відомо: v(CH4)=20 моль. Знайти: V(CO2)-?
Розв'язування:
І спосіб
Записуємо рівняння реакції:
20 моль х л
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
1 моль 22,4 л
Над формулами речовин записуємо дані, що є за умовою задачі.
Мольні співвідношення речовин показують коефіцієнти рівняння.
Прореагувало 1 моль метану СН4 з 1 моль вуглекислого газу СО2 (1 моль газу за н.у. займає об'єм 22,4 л). Відповідні значення записуємо під формулами речовин у рівнянні реакції.
За допомогою пропорції обчислюємо об'єм вуглекислого газу.
20 моль / 1 моль = х л / 22,4 л, звідси
х моль • 1 моль = 20 моль • 22,4 л
х = 20 моль • 22,4 л / 1 моль
х =448 л
ІІ спосіб
Записуємо рівняння реакції:
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
Мольні співвідношення речовин показують коефіцієнти рівняння.
Прореагувало 1 моль метану СН4 і 1 моль вуглекислого газу СО2, кількості речовин однакові, тому
v(О2)=v(СН4)=20 моль
З формули n=V/VM, де VM - постійна величина і за н.у. чисельно дорівнює 22,4 л/моль, знаходимо об'єм V=n•VM
V(O2)=v(О2)•VM=20 моль•22,4 л/моль=448 л.
Відповідь: 448 л.
Вправа 8. У суміші метану з азотом об’ємом 30 л масова (об'ємна) частка азоту становить 0,05. Обчисліть маси продуктів першої стадії хлорування метану.
Відомо: V(CH4,N2)=30 л, φ(N2)=0,05, або 5%. Знайти: m(CH3Cl)-? m(HCl)-?
Розв'язування:
І спосіб
Визначаємо об'єм азоту в суміші метану з азотом:
100% становлять 30 л суміші метану з азотом, тоді
5% становлять х л азоту.
100% : 5% = 30 л : х л, звідси
х л • 100% = 30 л • 5%
х = 30 л • 5% : 100%
х = V(N2) =1,5 л.
Визначаємо об'єм метану в об'ємі суміші метану з азотом:
V(СН4)=V(CH4,N2)-V(N2)=30 л - 1,5 л = 28,5 л.
Записуємо рівняння реакції:
28,5 л х г у г
CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl
22,4 л 50,5 г 36,5 г
Над формулами речовин записуємо дані, що є за умовою задачі.
Мольні співвідношення речовин показують коефіцієнти рівняння. Прореагувало 1 моль метану СН4 (1 моль газу за н.у. займає об'єм 22,4 л) з утворенням 1 моль хлорометану CH3Cl й 1 моль гідроген хлориду HCl. Обчислюємо молярні маси (M=Mr г/моль) речовин й, відповідно, масу 1 моль.
Mr(СH3Cl)=Ar(C)+3•Ar(H)+Ar(Cl)=12+3•1+35,5=50,5,
M(СH3Cl)=50,5 г /моль. Маса 1 моль=50,5 г
Mr(HCl)=Ar(H)+Ar(Cl)=1+35,5=36,5,
M(HCl)=36,5 г/моль. Маса 1 моль=36,5 г
Відповідні значення записуємо під формулами речовин у рівнянні реакції.
Cкладаємо дві пропорції і розв'язуємо їх.
Пропорція для обчислення маси хлорометану:
28,5 л / 22,4 л = х г / 50,5 г, звідси
х г • 22,4 л = 28,5 л • 50,5 г
х = 28,5 л • 50,5 г / 22,4 л
х =m(CH3Cl)=64,25 г
Пропорція для обчислення маси гідроген хлориду:
28,5 л / 22,4 л = у г / 36,5 г, звідси
у г • 22,4 л = 28,5 л • 36,5 г
х = 28,5 л • 36,5 г / 22,4 л
х =m(HCl)=46,44 г
ІІ спосіб
Об'ємна частка речовини (φ) - це відношення об'єму речовини до об'єму суміші: φ(речовини)=V(речовини)/V(суміші), звідси V(речовини)=φ(речовини)•V(суміші).
V(N2)=φ(N2)•V(CH4,N2)=0,05•30 л=1,5 л.
Визначаємо об'єм метану в об'ємі суміші:
V(СН4)=V(CH4,N2)-V(N2)=30 л - 1,5 л = 28,5 л.
Обчислюємо кількість речовини метану об'ємом 28,5 л за формулою v=V/VM, де VM-постійна величина і за н.у. чисельно дорівнює 22,4 л/моль.
v(СН4)=V(СН4) : VM=28,5 л : 22,4 л/моль=1,2723 моль.
Записуємо рівняння реакції: CH4+ Cl2 -> CH3Cl+HCl
Мольні співвідношення речовин показують коефіцієнти рівняння.
Прореагувало 1 моль метану СН4 з утворенням 1 моль хлорометану CH3Cl й 1 моль гідроген хлориду HCl, кількості речовин однакові, тому v(CH3Cl)=v(HCl=v(CH4))=1,2723 моль.
Обчислюємо маси сполук кількістю речовини 1,2723 моль за формулою m=v•M, де М=Мr г/моль.
Mr(СH3Cl)=Ar(C)+3•Ar(H)+Ar(Cl)=12+3•1+35,5=50,5, M(CH3Cl)=50,5 г/моль.
Mr(HCl)=Ar(H)+Ar(Cl)=1+35,5=36,5, M(HCl)=36,5 г/моль.
m(СH3Cl)=v(СH3Cl)•M(СH3Cl)=1,2723 моль•50,5 г/моль=64,25 г.
m(HCl)=v(HCl)•M(HCl)=1,2723 моль•36,5 г/моль=46,44 г.
Відповідь:m(СH3Cl)=64,25 г, m(HCl)=46,44 г.