Метан CH4: свойства, получение, применение

Метан CH4 — первый член гомологического ряда алканов, предельный углеводород, молярная масса 16 г/моль.

Ключевые факты

Формула
CH4
Класс
углеводород (алкан)
Молярная масса
16 г/моль для расчётов ЕГЭ; по массам IUPAC 16,04 г/моль
Другие названия
болотный газ; рудничный газ; основной компонент природного газа
Состояние
газ
Степени окисления
C −4, H +1
Гибридизация углерода
sp3, молекула — правильный тетраэдр, угол H–C–H 109°28′
Связь и решётка
ковалентная слабополярная (почти неполярная), только σ-связи; решётка молекулярная
Общая формула ряда
CnH2n+2

Обновлено · Химия · Редакция НейроМиши

Что такое метан?

Метан — самый простой углеводород: один атом углерода и четыре атома водорода. Углерод в нём находится в состоянии sp3-гибридизации и образует четыре одинаковые σ-связи, направленные к вершинам тетраэдра. Именно с метана начинается гомологический ряд алканов, поэтому его строение берут за образец для всех предельных углеводородов.

В природе метан образуется там, где органика разлагается без доступа воздуха: на дне болот, в угольных пластах, в кишечнике жвачных животных. Огромные запасы лежат в недрах как природный газ, где на метан приходится около 90–98 %. Для школьника метан важен ещё и как «лабораторная крыса» органической химии: на его примере изучают радикальное замещение, горение и термическое разложение.

Какие физические свойства у метана?

Физические свойства: метан CH4
СвойствоЗначение
Агрегатное состояниегаз
Цвет и запахбез цвета и запаха (запах бытового газа даёт специальная добавка — одорант)
Плотность относительно воздухалегче воздуха: 16 г/моль против 29 г/моль
Растворимость в водепрактически нерастворим
Температура плавленияоколо −182 °C
Температура кипенияоколо −162 °C

Какие химические свойства у метана?

Метан химически довольно инертен: в молекуле только прочные малополярные связи C–H, поэтому он не присоединяет ничего и не реагирует с кислотами, щелочами и бромной водой. Основные реакции — замещение атомов водорода на свету или при нагревании, горение и разложение при сильном нагревании.

  1. Горение с образованием углекислого газа и водыCH4 + 2O2 → CO2 + 2H2OУсловия: поджигание
  2. Хлорирование, первая стадия: радикальное замещениеCH4 + Cl2 → CH3Cl + HClУсловия: ультрафиолетовый свет
  3. Разложение на простые веществаCH4 → C + 2H2Условия: около 1000 °C
  4. Пиролиз в ацетилен2CH4 → C2H2 + 3H2Условия: около 1500 °C, быстрое охлаждение
  5. Конверсия с водяным паром: получение синтез-газаCH4 + H2O → CO + 3H2Условия: катализатор ~Ni~, 800–1000 °C

Хлорирование идёт ступенчато: после CH3Cl в продуктах появляются CH2Cl2, CHCl3 и CCl4. Механизм цепной, через свободные радикалы, поэтому нужен свет или нагрев, которые расщепляют молекулу хлора на атомы.

Как получают метана?

В промышленности

Главный источник — природный и попутный нефтяной газ: метан выделяют из смеси разделением. Его можно получить и из синтез-газа, и гидрированием угля при высокой температуре и давлении.

  • C + 2H2 → CH4

В лаборатории

Сплавляют ацетат натрия со щёлочью: от соли карбоновой кислоты отщепляется карбоксильная группа, и остаётся метан. Второй способ — гидролиз карбида алюминия, он идёт без нагревания.

  • CH3COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3
  • Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4

Как распознать метан? Качественная реакция

Специальной качественной реакции на метан в школьном курсе нет. Его узнают по отсутствию реакции с бромной водой и раствором перманганата калия (так он отличается от алкенов) и по продуктам горения: вода конденсируется на стенках сосуда, а углекислый газ мутит известковую воду.

  • CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O

Где применяют метана?

  • топливо для электростанций, отопления и газовых плит;
  • сырьё для синтеза водорода и синтез-газа, из которого получают аммиак и метанол;
  • получение ацетилена, хлорметанов и сажи;
  • автомобильное топливо: сжатый природный газ.

Меры предосторожности. Метан не ядовит, но в смеси с воздухом (примерно от 5 до 15 % по объёму) взрывоопасен. В помещении с газовой плитой нужна вентиляция, а при запахе газа нельзя включать свет и пользоваться огнём.

Чему равна молярная масса метана?

M(CH4) = 12 + 4·1 = 16 г/моль

Молярную массу вещества складывают из относительных атомных масс элементов с учётом индексов. На ЕГЭ массы округляют до целых, у хлора берут 35,5. Если брать массы IUPAC до сотых, получится 16,04 г/моль.

Посчитать молярную массу в калькуляторе · Количество вещества: n = m/M

Где метан встречается на ЕГЭ?

Вопросы и ответы

Чему равна молярная масса метана?

M(CH4) = 12 + 4·1 = 16 г/моль. По массам IUPAC до сотых получается 16,04 г/моль.

Какой тип гибридизации у углерода в метане и какая форма молекулы?

Атом углерода находится в sp3-гибридном состоянии, молекула имеет форму тетраэдра с углом 109°28′ между связями. Все четыре связи C–H одинаковы.

Почему метан не обесцвечивает бромную воду?

В его молекуле нет кратных связей, поэтому присоединение невозможно, а прочные связи C–H в темноте с бромом не реагируют. Замещение начинается только на свету или при нагревании.

Почему метан называют болотным газом?

Он выделяется при разложении органических остатков без доступа воздуха, в том числе на дне болот. Пузырьки этого газа поднимаются из ила.

Можно ли получить метан из ацетата натрия?

Да, при сплавлении сухого ацетата натрия с гидроксидом натрия. Это классический лабораторный способ, который встречается в заданиях на цепочки превращений.

Потренироваться на заданиях

Страница объясняет вещество, а тренажёр помогает применить это в заданиях. В кабинете НейроМиши — задания ЕГЭ по химии с проверкой ответа и разбором ошибки. Начать можно без регистрации.

Задачи по теме — с проверкой Разбор заданий ЕГЭ по химии

Связанные элементы, таблицы и вещества

Элементы в составе: углерод C, водород H.

Другие вещества

Все вещества справочника · Таблица Менделеева

Источники