Материал параграфа поможет вам:
выяснить, какие соединения называют углеводородами;
узнать, почему атом Карбона может быть четырехвалентным;
понять пространственное строение молекулы метана.
Углеводороды. Это — общее название соединений, от которых происходят все органичес
кие вещества. Слово «углеводород» состоит из части общего названия простых веществ Карбона — «углерод» — и названия простого вещества Гидрогена— «водород».
Углеводороды — соединения Карбона с Гидрогеном.
Общая формула углеводородов — CnHm.
Углеводороды, в молекулах которых атомы Карбона соединены между собой простой ковалентной связью, называют насыщенными. Такое название вещества получили потому, что каждый атом Карбона в их молекулах соединен с максимально возможным количеством атомов Гидрогена.
У глеводороды
Составьте формулы насыщенных углеводородов с одним и двумя атомами Карбона в молекулах.
Кроме насыщенных углеводородов, существуют ненасыщенные углеводороды. В молекулах этих соединений атомы Карбона соединены друг с другом не только простой, но и двойной, тройной ковалентными связями.
Составьте формулы ненасыщенных углеводородов с двумя атомами Карбона в молекулах.
Углеводороды очень распространены в природе; из них почти полностью состоят нефть и природный газ. Эти соединения служат топливом, благодаря которому люди обеспечивают себя теплом и светом. Их используют в качестве горючего для автомобилей, самолетов, кораблей, как сырье для производства полимерных материалов, средств защиты растений, товаров бытовой химии, лекарственных средств и т. п.
Метан. Простейшим насыщенным углеводородом является метан СН4. Это — основной компонент природного газа.
В молекуле метана, как и в молекулах других органических соединений, атом Карбона четырехвалентный. Для того чтобы проявлять такую валентность, он должен иметь четыре неспаренных электрона. Это достигается в результате так называемого возбуждения атома, когда после получения им дополнительной энергии один электрон переходит из 2в-орбитали в свободную 2р-орбиталь:
В итоге во внешних орбиталях возбужденного атома Карбона оказывается по одному электрону.
За счет четырех неспаренных электронов атома Карбона и электронов четырех атомов Гидрогена в молекуле СН4 образуются четыре общие электронные пары:
Приведенные формулы не отображают пространственного строения молекулы метана. В соответствии с ними все атомы в молекуле СН4 должны находиться в одной плоскости, а углы между соседними черточками-связями — быть равными 90°. На самом деле это не так.
Вспомните, какие формы имеют s- и р-орби-тали. Как ориентированы в пространстве три 2р-орбитали одного атома?
Рассмотрим, как образуются четыре простые ковалентные связи С-Н в молекуле СН4.
При образовании молекулы метана из атомов 2в-орбиталь и три 2р-орбитали атома Карбона (рис. 44) превращаются в четыре одинаковые орбитали, имеющие вид объемных несимметричных восьмерок (рис. 45).
Эти орбитали размещаются в трехмерном пространстве и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга под углами 109,5° (рис. 46).
Больший «лепесток» каждой новой орбитали атома Карбона перекрывается со сферической орбиталью атома Гидрогена. Через участок перекрывания орбиталей проходит линия, соединяющая центры этих атомов.
Если соединить линиями центры всех атомов Гидрогена, получим геометрическую фигуру — тетраэдр1 (рис. 46). Поэтому говорят, что молекула метана имеет тетраэдрическое строение.
Модели молекулы2 метана изображены на рисунке 47. (Особенности шаростержневой и масштабной моделей описаны в § 2.)
Рис. 47.
Модели
молекулы
метана:
а — шаростержневая;
б — масштабная. Белые шарики — атомы Гидрогена, черные — атомы Карбона
Поскольку электроотрицательности Карбона и Гидрогена различаются мало, то ковалентная связь С-Н является малополярной. Однако сама молекула СН4 неполярная, так как на ее «поверхности» небольшой положительный заряд распределен равномерно. Этим молекула метана отличается от полярной молекулы воды (§ 2).
ВЫВОДЫ
Углеводороды — соединения Карбона с Гидрогеном. В молекулах насыщенных углеводородов атомы Карбона соединены между собой простой ковалентной связью, а в молекулах ненасыщенных углеводородов — еще и кратными связями (двойной, тройной).
1 Слово происходит от греческих слов tetra — четыре и hedra — поверхность. Тетраэдр имеет четыре одинаковые грани, являющиеся правильными треугольниками.
2 Существуют компьютерные программы, с помощью которых можно создать модель любой молекулы.
Метан СН4 — простейший насыщенный углеводород, главный компонент природного газа.
Молекула метана имеет тетраэдрическое строение и является неполярной.
146. Какие соединения называют углеводородами? На какие группы делят углеводороды, учитывая особенности химической связи в их молекулах?
147. Объясните образование атомом Карбона четырех простых ковалентных связей с атомами Гидрогена.
148. Охарактеризуйте пространственное строение молекулы метана.
149. Найдите массовые доли элементов в метане. (Устно.)
150. Во сколько раз метан тяжелее водорода? (Устно.)
151. В природном газе одного из месторождений объемная доля метана составляет 91 %. Вычислите массу метана в 1 л такого газа (н. у.).
Это материал учебника Химия 9 класс Попель, Крикля