Урок-лекция по теме: "Строение и химические свойства предельных углеводородов"

Цели урока:

• Сформулировать знания учащихся о пространственном строении алканов.
• Продолжить формировать понятия о гомологах.
• Рассмотреть химические свойства алканов, показать взаимосвязь между строением и свойствами.
• Продолжить формирование умений анализировать, сравнивать, делать выводы; развить навыки культуры общения.

Тип урока: сообщение новых знаний.

Вид урока: лекция + элементы беседы.

Оборудование:

• Шаростержневая и объёмная модели молекулы метана.
• Таблицы:
  • “Строение метана”;
  • “Строение этана и бутана”;
  • Кодограмма “Хлорирование метана”.

ХОД УРОКА

I. Организационный момент

II. Сообщение новых знаний

Знакомство с планом новой темы:

1. Особенности пространственного строения предельных углеводородов.
2. Анализ химических связей алканов.
3. Химические свойства.
4. Зависимость свойств предельных углеводородов от их строения, характера химических связей.

III. Изложение лекционного материала учителем в соответствии с планом

Современные представления о строении вещества не сводятся только к установлению порядка соединений атомов, но также включают рассмотрение пространственного строения молекул и электронной природы химических связей.

Предлагается написать молекулярную, электронную, структурную формулы метана, выяснить, что они показывают.

СН₄ – молекулярная формула (качественный, количественный состав);

– электронная формула (ковалентная полярная связь);

– структурная формула (порядок соединения атомов в молекуле).

Но данные формулы не отражают истинного строения молекул метана. Молекула метана не имеет плоского строения, как можно представить на основании структурной формулы.

IV. Работа с моделями молекулы метана

Молекула метана в действительности имеет форму тетраэдра. Тетраэдр – это пирамида, в основании которой лежит равносторонний треугольник. В центре тетраэдра находится атом углерода, а все его четыре валентности направлены к вершинам тетраэдра. Физическими методами исследования установлено, что валентные углы равны 109^о28'.

Учащимся предлагаются проблемные вопросы:

• Почему молекула метана имеет такую пространственную форму?
• Чем объясняется направление валентных связей атома углерода от центра к вершинам тетраэдра?

Ответ следует искать в электронном строении атома углерода и молекулы метана.

С 1S² 2S² 2P² ––> C * 1S² 2S¹ 2P³

     (основное состояние)                      (возбужденное состояние)

Так как на втором энергетическом уровне Р-подуровне есть свободная орбиталь, то на неё переходит один из 2S²-электронов. В результате этого атом углерода в возбуждённом состоянии имеет четыре неспаренных электрона, т.е. становится четырёхвалентным.

(негибридные электронные облака)      (гибридные электронные облака)

Облака всех четырёх валентных электронов атома углерода выравниваются, становятся одинаковыми. При этом они принимают форму вытянутых в направлении к вершинам тетраэдра восьмёрок.

Явление, при котором происходит смешение и выравнивание по форме и энергии электронных облаков, называется гибридизацией.

Так как гибридизации подвергаются один S и три Р-электрона, то такое состояние называется SP³-гибридизацией.

Несимметричное распределение электронной плотности означает, что вероятность нахождения электрона по одну сторону от ядра больше, чем по другую. Гибридные электронные облака вытянуты в пространстве под углом 109^о28' к вершинам воображаемого тетраэдра, и в этом направлении они перекрываются с электронными облаками атомов водорода.

Итак, молекула метана имеет тетраэдрическое строение, что обусловлено SP³-гибридизацией атома углерода, тетраэдрическим направлением четырёх гибридных электронных облаков атома углерода.

Сравнивая масштабную и шаростержневую модели молекул метана, можно отметить, что шаростержневая модель, появившаяся до возникновения электронной теории, более наглядно рассматривает строение молекулы метана.

V. Работа с таблицами “Строение метана” и “Строение этана и бутана”

Для активизации учащихся им предлагается рассмотреть данные таблицы и ответить на вопросы (анализ информации, заключённой в таблицах).

• Что общего в строении молекул метана, этана, бутана вы видите?
• Чему равны валентные углы в молекулах гомологов метана?
• Почему углеродный скелет у молекулы бутана имеет зигзагообразную форму?
• Виды химической связи в молекулах этана, бутана?

Проанализировав информацию, учащиеся делают выводы.

Для гомологов метана характерно:

• тетраэдрическое строение атома углерода (SP³-гибридизация);
• одинаковое значение всех валентных углов;
• наличие С – С и С – Н химических связей.

VI. Анализ химических связей алканов

При рассмотрении второго вопроса плана обращается внимание на характер С – С и С – Н связей, являющихся ковалентными по характеру образования. Углерод-углеродные и углерод-водородные связи в алканах относятся к (сигма) связям.

(сигма) связь – это химическая связь, при образовании которой перекрывание электронных облаков происходит по прямой, соединяющей ядра атомов.

Эти связи разнообразны.

VII. Химические свойства алканов

Предельные углеводороды характеризуются малой реактивной способностью. Их называют инерционными, химически стойкими, парафинами (от латинского parum affinis – “мало сродства”).

В данной лекции познакомимся со взаимодействием алканов с кислородом, галогенами, термическим разложением, изомеризацией.

1. Горючесть алканов.

При поджигании (t = 600^oС) алканы вступают в реакцию с кислородом, при этом происходит их окисление до углекислого газа и воды.

С_nН_2n+2 + O₂ ––>CO₂ + H₂O + Q

например:

СН₄ + 2O₂ ––>CO₂ + 2H₂O + Q

Смесь метана с кислородом или воздухом при поджигании может взрываться.

Наиболее сильный взрыв получается при объёмных отношениях 1 : 2 (с кислородом) или 1 : 10 (с воздухом), т.к. метан и кислород вступают в реакцию полностью.

Подобные смеси опасны в каменноугольных шахтах. Чтобы обеспечить безопасность работы в шахтах, там устанавливают анализаторы, сигнализирующие о появлении газа, и мощные вентиляционные устройства.

С₃Н₈ + 5O₂ ––>3CO₂ + 4H₂O + Q

Горение пропан-бутановой смеси можно продемонстрировать на примере газовой зажигалки.

При горении алканов выделяется много теплоты, что позволяет использовать их в качестве источника энергии. Но большая часть их используется в качестве сырья для получения других продуктов.

2. Разложение алканов.

С_nН_2n+2 C + H₂

СН₄  C + 2H₂

С₄Н₁₀  4C + 5H₂

Метан в термическом отношении более устойчив, чем другие алканы. Причина этого в достаточной прочности С – Н связей.

3. Реакции замещения (протекают с галогенами и другими окислителями при определённых условиях: свет, температура).

СН₄ + Cl₂ CH₃Cl + HCl

СН₃Cl + Cl₂ CH₂Cl₂ + HCl (кодограмма)

СН₂Cl₂ + Cl₂ CHCl₃ + HCl

СНCl₃ + Cl₂ CCl₄ + HCl

Механизм цепных реакций достаточно сложен, объяснение ему было дано русским учёным Н.Н. Семёновым, за что он в 1956 г. был удостоен Нобелевской премии.

4. Реакции изомеризации характерны не для всех алканов. Обращается внимание на возможность превращения одних изомеров в другие, наличие катализаторов.

С₄Н₁₀ C₄H₁₀

Уравнение вызывает недоумение, т.к. учащиеся не встречались с реакциями, при которых состав молекул не изменялся. Значит, химические реакции могут сопровождаться не только изменением состава веществ, но и изменением их строения, что часто встречается в органической химии. Чтобы выразить такое превращение, надо пользоваться структурными формулами.

С уравнением учащиеся знакомятся самостоятельно, работая с учебником.

VIII. Выводы

В конце лекции учащиеся записывают выводы, вытекающие из содержания лекции, включая пункт № 4 плана. Алканы (предельные углеводороды) характеризуются общими свойствами, на основании которых объединяются в гомологические ряды:

• имеют общую формулу С_nH_2n+2;
• все атомы углерода находятся в них в состоянии SP³-гибридизации;
• имеют прочные ковалентные (сигма) связи;
• обладают сходными химическими свойствами, способностью к полному, частичному, постепенному окислению.

Свойства алканов находятся в зависимости от электронно-пространственного строения, прочных химических связей.

IX. Обобщение

По завершении лекции каждый учащийся заполняет обобщающую таблицу о соответствующем гомологе по образцу, выдаваемому учителем.

Выводы и обобщающая таблица являются кратким конспектом лекции.

X. Первичная проверка усвоения темы урока

После подведения итогов проводится небольшой тест.

1. Укажите ошибочное определение алканов:

а) предельные углеводороды;
б) карбоциклические соединения (в молекулах имеются циклы);
в) насыщенные углеводороды;
г) парафиновые углеводороды.

2. Общая формула алканов:

а) С_nH_2n;
б) С_nH_2n+1;
в) С_nH_2n+2;
г) С_nН_2n-2.

3. Признаки, характеризующие строение алканов:

а) SP³-гибридизация, плоская форма молекул 120^о, и -связи;
б) SP-гибридизация, линейная форма молекул 180^о, и -связи;
в) SP³-гибридизация, форма молекул – тетраэдр 109^о28', -связи.

4. Невозбуждённый атом углерода имеет электронную конфигурацию:

а) 1S²2S¹2P³;
б) 1S²2S²2P²;
в) 1S²2S²2P³;
г) 1S²2S²2P⁴.

5. Возбужденный атом углерода имеет электронную конфигурацию:

а) 1S²2S²2P³;
б) 1S²2S²2P²;
в) 1S²2S²2P⁴;
г) 1S²2S¹2P³.

6. Всем алканам присущи свойства:

а) вступать в реакцию замещения;
б) окисляться при обычных условиях;
в) гореть в кислороде;
г) реагировать с активными металлами.

7. Найдите ошибку.

а) Все алканы – химически активные вещества.
б) Для алканов характерны реакции присоединения.
в) Алканы окисляются с трудом при высоких температурах кислородом воздуха.
г) Для алканов характерны реакции с разрывом - связи С – С и С – Н.

Учитель предлагает варианты правильных ответов, учащиеся проводят самоконтроль.