Метан

Метан (, ) — Газ түріндегі көмірсутек, алкан, химиялық формуласы СН 4 , метанды немесе парафинді көмірсутектері тізбегінің алғашқы мүшесі. Бұл түссіз және иіссіз газ, суда аз ериді. Ол табиғи газда, табиғатта көп кездеседі. Ал атмосферада адамдар арқылы метанның концентрациясы соңғы уақытта үлкейе бастады. Метанның құрылысы Заттардың осы көмірсутектер тобына жатуы олардың құрылысына қарай сипатталады. Алдымен өте қарапайым көмірсутек метанның құрылысын қарастырайық. Метан СН 4 – 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 СН 4 емес, СН 2 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° 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. Химиялық реакциялар Метанның негізгі химиялық реакциялары — оның жануы, бу реформингі арқылы сингаз алу және галогендеу. Жалпы алғанда, метанның реакцияларын бақылауда ұстау қиын. Таңдамалы тотығу Метанды метанолға (CH 3 OH) дейін жартылай тотығу — қолайлырақ сұйық отын алу тәсілі. Алайда бұл процесс күрделі, өйткені реакция әдетте жеткіліксіз оттегі болса да көмірқышқыл газы мен суға дейін толық тотығып кетеді. Метан монооксигеназа ферменті метанды метанолға дейін тотықтыра алады, бірақ өнеркәсіптік ауқымда қолдануға жарамсыз. Бірқатар біртекті катализделген және гетерогенді жүйелер жасалған, бірақ барлығының айтарлықтай кемшіліктері бар. Әдетте олар реакцияны артық тотығудан қорғайтын аралық өнімдер түзе отырып жүреді. Мысалдары: Catalytica жүйесі, мыс цеолиттері және альфа-оттегі белсенді ортасын тұрақтандыратын темір цеолиттері. Кейбір бактериялар метанды нитритті тотығу агенті ретінде пайдалана отырып, оттексіз ортада тотықтыра алады. Бұл процесс метанның анаэробты тотығуы деп аталады. Қышқыл-негіздік реакциялар Басқа көмірсутектер сияқты метан өте әлсіз қышқыл. Оның pK a мәні ДМСО ортасында шамамен 56 деп бағаланады. Ерітіндіде оны депротонациялау мүмкін емес, бірақ оның конъюгацияланған негізі белгілі қосылыстарда кездеседі, мысалы метиллитий. Метаннан алынатын әртүрлі оң иондар байқалған, негізінен төмен қысымды газ қоспаларында түзіледі және тұрақсыз. Оларға метений немесе метил катионы CH 3 + , метан катионы CH4 + және метаний немесе протонданған метан CH 5 + жатады. Кейбіреулері жұлдызаралық ортада табылған. Метаний суперқышқылдармен әрекеттесу арқылы сұйылтылған ерітінді түрінде алынуы мүмкін. Жоғары зарядты катиондар, мысалы CH 6 2+ және CH 7 2+ , теориялық тұрғыдан зерттелген және тұрақты деп болжанады. Метанның C–H байланысы берік болғанына қарамастан, оның (және төменгі алкандардың) C–H байланысын активтендіру реакцияларын жеңілдететін катализаторларға үлкен қызығушылық бар. Жану Метанның жанудан бөлетін энергиясы 55,5 МДж/кг. Метанның жануы бірнеше сатылы реакция, бірақ жалпы теңдеуі: :CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O :ΔH −802 кДж/моль, стандартты жағдайда (су буы үшін; сұйық су үшін ΔH −891 кДж/моль). Питерстің төрт қабатты химиясы метан жануын түсіндіретін жүйелі түрде қысқартылған төрт сатылы химия болып табылады. Метанның радикалды реакциялары Белгілі жағдайларда метан галоген радикалдарымен төмендегіше әрекеттеседі: :•X + CH 4 → HX + •CH 3 :•CH 3 + X 2 → CH 3 X + •X Мұнда X — фтор (F), хлор (Cl), бром (Br) немесе йод (I). Бұл процесс еркін радикалды галогендеу деп аталады. Реакцияның басталуы үшін ультракүлгін сәуле немесе пероксидтер сияқты басқа радикал бастамашылары галоген атомын түзеді. Одан кейін екі сатылы тізбекті реакция жүреді: галоген атомы метан молекуласынан сутек атомын жұлып алып, нәтижесінде сутек галогені және метил радикалы (•CH 3 ) түзіледі. Метил радикалы галоген молекуласымен әрекеттесіп, жаңа галоген атомын түзеді және тиісті галогеналкан пайда болады. Осылайша реакция жалғаса отырып, қосымша сутек атомдары галогенмен алмастырылып, дигалометан, тригалометан және соңында тетрагалометан түзілуі мүмкін — бұл реакция жағдайлары мен галоген: метан қатынасына байланысты. Бұл реакция көбінесе хлор қолдана отырып, дихлорметан және хлороформ өндіру үшін пайдаланылады; ал көміртек тетрахлориді артық хлор қатысында түзіледі. Әдебиет * Л.А. Цветков, «Органикалық химия» (1997),19 б., ISBN 5-625-03385-4 Дереккөздер