Метан

Метан (фр. méthane, лат. methanum) — Газ түріндегі көмірсутек СН₄, метанды немесе парафинді көмірсутектері тізбегінің алғашқы мүшесі.

Метан

Метанның құрылысы

Заттардың осы көмірсутектер тобына жатуы олардың құрылысына қарай сипатталады. Алдымен өте қарапайым көмірсутек метанның құрылысын қарастырайық . Метан СН4-түссіз және иіссіз, ауадан екі есе дерлік жеңіл газ. Ол табиғатта өсімдік және жануарлар ағзалары қалдығының ауасыз жерде ыдырауы нәтижесінде түзіледі. Сондықтан ол батпақты суларда,т ас көмір шахталарында кездеседі. Қазір отын ретінде тұрмыста және өндірісте пайдаланатын табиғи газ құрамында метан едәуір мөлшерде ковалентті сипатта болады. Органикалық химияда молекулалардың кеңістік құрылысы жөніндегі ілімнің дамуы нәтижесінде метан молекуласының шынында біз қағаз бетінде бейнелейтініміздей жалпақ емес, тетраэдр пішінді екені анықталады

Метан молекуласының неге тетраэдр екенін қарастырайық. Сірә, біз көміртегі атомның құрылысына сүйенуіміз керек шығар. Бірақ мұнда біз қайшылыққа кездесеміз. Көміртегі атомының төрт валенттік электроны бар, олардың екеуі жұптасқан s-электроны, олар сутегі атомдарымен химиялық байланыс түзе алмайды. Химиялық байланыс тек жұптаспаған екі р-электрон есебінен болады. Ал ондай жағдайда метанның формуласы СН4 емес,СН2 болуы керек, ол шындыққа сай келмейді. Химиялық байланыстарды төмендегідей түсіндіру нәтижесінде мұндай қайшылықтар жойылады. Көміртегі атомы сутегінің атомдарымен өзара әрекеттескен кезде оның сыртқы қабатының s-электрондары ажырап, олардың біреуі үшінші р-электронның бос орнын алады және өзінің қозғалысы кезінде көлемдік сегіздік түрінде бұлт түзіп, ол басқа екі р-электрон бұлтына перпендикуляр болады. Бұл кезде атом қозған күйі деп аталатын жағдайға ауысады. Енді төрт валенттік электронның барлығы да жұптаспаған күйде қалып, химиялық төрт байланыс жасайды. Бірақ жаңа қайшылықтар пайда болады.3р-электрон сутегі атомдарымен өзара перпендикуляр бағытта, яғни 90(градус)бұрыш жасап, химиялық үш байланыс жасауға тиісті, ал онда сутегінің төртінші атомы еркін бағытта қосылыса алар еді, өйткені s-электронның бұлты сфералық пішінді және бұл байланыстардың, сірә, қасиеттері өзгеше болар еді. Сол кезде метан молекуласындағы С-Н байланысының барлығы бірдей екені белгілі және109◦28 бұрыш жасап орналасқан. Бұл қайшылықты шешуге электрондар гибридтенуі жөніндегі түсінік жәрдемдеседі. Химиялық байланыстар түзілу процесі кезінде көміртегі атомының барлық валенттік электрондарының (бір s-және үш p-электрондарының) бұлты теңесіп, бірдей болады. Бұл кезде олардың бәрі тетраэдрдың төбесіне қарай бағыттала созылған, симметриясыз көлемдік сегіздік пішінді болады (электрон тығыздығының таралуы ядроның бір жағында екінші жағына қарағанда электрондар көбірек болатынын көрсетеді).

Гибридті электрон бұлттарының осьтері аралығындағы бұрыш 109◦28 -ке тең болып шығады да бұл олардың аттас зарядтылар тәрізді бірінен-бірінің барынша алшақтауына мүмкіндік береді. Тетраэдрдың төбесіне қарай созылған мұндай бұлттар сутегі атомдарының бұлттарымен едәуір қалыптасып жатады. Соның нәтижесінде энергия көп бөлініп, қасиеттері бірдей, берік химиялық байланыстар түзеді.

Гибридтену электрон бұлтының әр түрлі санына тарала алады. Көміртегінің атомы сутегінің төрт атомымен ковалентті байланыс түзген осы жағдайда гибридтенуге, қозған атомдағы сыртқы, барлық төрт электронның –бір s-электронның және үш р-электронның бұлттары қатысады. Гибридтенудің мұндай түрі sp3 гибридтенуі деп аталады(эс-пи-үш деп оқылады). Сөйтіп, метан молекуласының тетраэдрлік пішіні химиялық қосылыстағы көміртегі атомының гибридтік төрт электрон бұлтының тетраэдрлік бағытына байланысты болады. Электрондар ковалентті байланыс түзген кезде екі ядроны да қамтитын және байланысатын атомдардың бәріне ортақ бұлт түзетіндіктен, метан молекуласының электрондық құрылысын беруге болады. Алмаздың құрылысын еске түсірейік. Мұнда көміртегі атомдарының әрқайсысы көміртегінің басқа төрт атомымен ковалентті түрде мықты байланысқан, ол байланыстар тетраэдрдың ортасынан төбесіне қарай бағытталған. Енді біз алмаздың құрылысын атомдардың валентті электрон бұлттарының sp3 –гибридтенуі арқылы түсіндіре аламыз. Органикалық заттарды оқыған кезде біз молекулалар моделін жиі-жиі пайдаланамыз. Элементтер атомдарын бейнелеуші модельдің детальдары белгілі масштабта жасалады, сондықтан модель атомдардың үлкен-кішілігін және молекуласының сыртқы тетраэдрлік пішінін шамамен дұрыс береді. Онда атомдарды бейнелейтін детальдар бірінен-бірі едәуір қашықта, стержень арқылы байланысқан, ал стерженьдер валенттік байланыстарды бейнелейді. Мұндай модель қайсы атомның қайсысымен байланысқаны жөнінде айқын түсінік береді, бірақ ол молекуланың үлкен-кіші шамамен және сыртқы пішінін көрсетпейді.

Жалпы мәліметтер

Қайнау температурасы — 161,6 °С, 1 литр метанның қалыпты жағдайындағы (Т = 0 °С, Р = 760 мм) массасы 0,7168 г. Метан биологиялық процестер нәтижесінде (батпақ газы), шірінділі көмірдің және органикалық заттарға тән өзге де шірінді түрлерінің метаморфтың өзгерістері жағдайында қалыптасқан көмірсутекті газдардың ең басты құрамбөлшегі.

Спиртте, эфирде және суда ериді, ауамен қауіпті қосылыстар түзеді және түссіз жалынмен жанады. Метан табиғи (97 – 99%), мұнайға серіктес (31 – 90%) және кен (34 – 40%) газдарының негізгі құраушысы. Ол шектелген ауа жағдайында батпақ газы, суарылатын алқаптағы газ метан түзетін бактериялар әсерінен органикалық заттар шірігенде пайда болады. Сатурн және Юпитер атмосферасы Метаннан тұрады. Метан мұнай және мұнай өнімдерін термиялық өңдегенде, тас көмірлерді кокстегенде және гидрлегенде түзіледі. Лабораторияда натрий ацетатын сілтімен балқыту, алюминий карбидіне сумен әсер ету арқылы алады. Метан синтез-газ, ацетилен, көгерткіш қышқыл, метил және метиленхлорид, хлороформ, техникалық көміртектер алуда қолданылады. Табиғи газ құрамындағы метанды отын ретінде пайдаланады. Метанның әлсіз есірткілік әсері бар.

Дереккөздер

• Л.А.Цветков,"Органикалық химия"(1997),19б., ISBN 5-625-03385-4