В декабре 2019 получено два новых патента

Состав и свойства природных газов

1. Состав природных газов

Физико-химические и теплотехнические характеристики природных газов обусловлены различием в составе горючих компонентов и наличием в газе негорючих газообразных компонентов (балластов) и вредных примесей.

К горючим компонентам относят следующие вещества.

Метан СН4. Содержание метана в природных газах достигает 98 %, и его свойства практически полностью определяют свойства природных газов.

В состав метана входит 75 % углерода и 25 % водорода; 1 м 3 метана имеет массу 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре 111 К метан сжижается и его объем уменьшается в 600 раз. Использование и транспортирование сжиженного газа дает большой экономический эффект, позволяет значительно снизить затраты на сооружение газопроводов и помогает решить проблемы, связанные с резервированием газоснабжения в отдельных районах и созданием запасов сырья для промышленности.

Вследствие содержания в метане 25 % водорода (по массе) имеется большое различие между высшей и низшей теплотой сгорания.

Высшая теплота сгорания метана QB составляет 39820 кДж/м 3 , 9510 ккал/м 3 ; низшая QH – соответственно 35880 кДж/м 3 , 8570 ккал/м 3 .

Метан обладает сравнительно низкой реакционной способностью, так как на разрыв четырех связей в молекуле метана требуются большие затраты энергии. Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан C4H10. Углеводороды метанового ряда имеют общую формулу СnН2n+2, где n – углеродное число, равное 1 (для метана), 2 (для этана) и 3 (для пропана). Структура молекул этих углеводородов может быть представлена в следующем виде (рис. 1):

Рис. 1. Структура молекул углеводородов

С увеличением числа атомов в молекуле тяжелых углеводородов возрастают их плотность и теплота сгорания.

Оксид углерода СО – бесцветный газ без запаха и вкуса; масса 1 м 3 составляет 1,25 кг; теплота сгорания 13250 кДж/м 3 , 3016 ккал/м 3 . В газах, содержащих метан и другие углеводороды, увеличение процентного содержания оксида углерода понижает теплоту сгорания газа. Оксид углерода оказывает на организм человека токсическое воздействие, так как легко вступает в соединение с гемоглобином крови. В табл. 1 показано влияние оксида углерода на организм человека при различных его концентрациях в воздухе.

Водород Н2 – бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха, масса 1 м 3 равна 0,09 кг. Он в 14,5 раза легче воздуха, отличается высокой реакционной способностью; водородно-воздушные смеси имеют широкие пределы воспламенения и весьма взрывоопасны.

Таблица 1. Физиологическое воздействие оксида углерода СО на организм человека

Содержание СО в воздухе Длительность и характер воздействия
объем, % мг/л
0,01 0,125 В течение нескольких часов не оказывает воздействия
0,05 0,625 В течение 1 ч нет заметного воздействия
0,1 1,25 Через 1 ч наблюдаются головная боль, тошнота, недомогание
0,5 6,25 Через 20–30 мин оказывает смертельное воздействие

Теплота сгорания водорода составляет: QB – 12750 кДж/м 3 , 3040 ккал/м 3 ; QH – соответственно 10790 кДж/м 3 , 2580 ккал/м 3 . Сгорая в теоретически необходимом количестве воздуха, 1 м 3 водорода образует 2,88 м 3 продуктов горения.

В негорючую часть газообразного топлива входят азот и диоксид углерода.

Азот N2 – двухатомный бесцветный газ без запаха и вкуса, масса 1 м 3 азота равна 1,25 кг. Атомы азота соединены между собой в молекуле тройной связью, на разрыв этой связи расходуется 170200 ккал/моль. Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому при расчетах процесса горения его рассматривают как инертный газ.

Диоксид углерода СО2 – бесцветный газ, тяжелый и слабореакционный при низких температурах, имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация СО2 в воздухе в пределах 4–5 % приводит к сильному раздражению органов дыхания; 10 %-ная концентрация СО2 в воздухе вызывает сильное отравление. Масса 1 м 3 СО2 составляет 1,98 кг. Диоксид углерода тяжелее воздуха в 1,53 раза, при температуре –20 °С и давлении 5,8 МПа превращается в жидкость, которую можно перевозить в стальных баллонах.

В горючих газах могут содержаться также сероводород и кислород.

Сероводород H2S – тяжелый газ с сильным и неприятным запахом, напоминающим запах тухлых яиц, обладает высокой токсичностью. Масса 1 м 3 сероводорода равна 1,54 кг; является газообразной кислотой и, воздействуя на металлы, образует сульфиды. Поэтому он сильно корродирует газопроводы, особенно при одновременном содержании в нем H2S, H2O и О2. При сжигании газа сероводород образует сернистый газ, вредный для здоровья. Содержание сероводорода не должно превышать 2 г на 100 м 3 газа.

Кислород О2 – газ без запаха, цвета и вкуса, масса 1 м 3 кислорода составляет 1,43 кг. Содержание кислорода в газе понижает его теплотворную способность и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1 % по объему.

Все природные газы в большинстве своем не имеют запаха. Чтобы утечки газа были своевременно обнаружены, горючие газы одоризируют, то есть придают им специфический запах, по которому их легко обнаружить даже при незначительных концентрациях в воздухе помещений. Наиболее часто в качестве одоранта применяют этилмеркоптан.

2. Единицы измерения параметров газа

Измерение давления газа. Величину избыточного давления газа измеряют манометрами, а для получения абсолютного давления необходимо к избыточному давлению прибавить атмосферное давление.

В системе СИ единица измерения давления – паскаль (Па), которая обозначает давление, вызываемое силой 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2 . Соотношения между единицами измерения давления приведены в табл. 2.

Таблица 2. Соотношение между единицами давления газа

Измерение температуры. При нагревании тела расширяются и увеличиваются в объеме. Больше всего расширяются газообразные тела, меньше – твердые. Например, газопровод длиной 100 м при нагревании до 100 °С увеличит свою длину только на 12 см; 100 л воды при нагревании до 100 °С увеличат свой объем на 4 л. При нагревании газа от 0 до 273 °С его объем увеличивается в два раза.

Температуру газа измеряют жидкостными термометрами, шкала которых имеет две постоянные точки: таяния льда (0 °С) и кипения воды (100 °С). Наиболее точны и просты в обращении ртутные термометры. Применяют также и шкалу Кельвина, в которой точка 0 соответствует абсолютному нулю, то есть такой степени охлаждения тела, при которой прекращается всякое движение молекул любого вещества. Абсолютный нуль, принимаемый за начало отсчета температур в системе СИ, в технической системе равен 273,16 °С. Таким образом, показания абсолютной шкалы больше на 273,2 °С.

Пример. Если продукты сгорания газа имеют температуру по Цельсию 200 °С, то по абсолютной шкале Кельвина та же температура равна 200 + 273,16 = 473,16 К.

Измерение количества теплоты. В качестве основной единицы измерения количества теплоты ранее принималась калория (кал) – это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 г дистиллированной воды для повышения ее температуры с 19,5 до 20,5 °С при давлении 101,325 кПа.

В теплотехнике применяется укрупненная единица измерения – килокалория (ккал), равная 1000 кал. Килокалория – это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг дистиллированной воды для повышения ее температуры на 1 °С.

В системе единиц СИ теплота выражается универсальной единицей – джоулем (Дж). Джоуль – это работа, которую совершает сила в 1 Н на пути в 1 м. Можно применить и более крупную и удобную единицу (килоджоуль, кДж), равную 1000 Дж, 1 Дж = 0,239 кал.

Количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 м 3 газа, называется удельной теплотой сгорания газового топлива. Теплоту сгорания газа измеряют в ккал/м 3 при температуре 20 °С и давлении 760 мм рт. ст. Различают низшую теплоту сгорания QН и высшую QB.

Высшую и низшую теплоту сгорания природного газа подсчитывают по следующим формулам:

где СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10 – содержание в природном газе метана, этана, пропана и бутана в процентах по объему. Цифровые значения обозначают низшие и высшие теплоты сгорания метана, этана и т. д., пересчитанные на 1 % горючего компонента.

Читайте также:  ЗИЛ-157 технические характеристики, двигатель и расход топлива, размеры и вес, устройство, кузов и р

Перевод физических единиц количества теплоты в систему СИ приведен в табл. 3.

Таблица 3. Перевод количества теплоты, выраженной в калориях, на джоули

Для удобства сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива, теплоту сгорания которого принимают равной 7000 ккал/кг, или 29288 кДж/кг.

Чтобы привести любое топливо к условному, необходимо значение его низшей теплоты сгорания разделить на эту величину. Величина, показывающая, во сколько раз теплота сгорания данного топлива больше теплоты сгорания условного топлива, называется тепловым эквивалентом.

Для метана тепловой эквивалент

где QH – низшая теплота сгорания метана, ккал/м 3 ;

7000 – теплота сгорания условного топлива. 1 м 3 метана эквивалентен 1,22 кг условного топлива.

Измерение объема и плотности газов. Объем газа измеряют в кубических метрах (м 3 ). В связи с тем, что объем газов значительно изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, для сравнения объемных количеств газа их приводят к нормальным и стандартным условиям.

Нормальными условиями принято считать температуру 0 °С (273,2 К) и давление 101,325 кПа. На практике за единицу измерения количества газа принимают 1 м 3 газа, взятого при давлении 101,325 кПа, температуре 20 °С и нулевой влажности. Эти условия принято считать стандартными. Для пересчета параметров, характеризующих состояние газа, на нормальные или стандартные условия можно использовать следующие формулы:

приведение газа к нормальным условиям

приведение газа к стандартным условиям

(2)

где V – объем газа при нормальных условиях;

Vt – объем газа при заданном давлении и температуре t, °С;

Pt – давление газа в момент измерения объема газа при температуре t, °С;

Р – нормальное давление газа (101,325 кПа); 273,2 – нормальная температура, К;

V20 – объем газа при стандартных условиях, то есть при t = 273,2 + 20 = 293,2 К и давлении Р.

Масса газа в единице объема называется плотностью. Применительно к газам плотность имеет размерность кг/м 3 и определяется обычно при температуре 0 °С и давлении 101,325 кПа.

Чтобы показать, насколько 1 м 3 данного газа легче или тяжелее 1 м 3 воздуха, определяют относительную плотность. Для этого необходимо плотность газа разделить на плотность воздуха при нормальных условиях.

3. Основные законы газового состояния

В основе физических свойств газов и законов газового состояния лежит молекулярно-кинетическая теория газов. Большинство законов газового состояния было выведено для идеального газа, молекулярные силы которого равны нулю, а объем самих молекул бесконечно мал по сравнению с объемом межмолекулярного пространства.

Молекулы реальных газов помимо энергии прямолинейного движения обладают энергией вращения и колебания. Они занимают некоторый объем, то есть имеют конечные размеры. Законы для реальных газов несколько отличаются от законов для идеальных газов. Это отклонение тем больше, чем выше давление газов и ниже их температура, оно учитывается введением в соответствующие уравнения поправочного коэффициента сжимаемости.

При транспортировании газов по трубопроводам под высоким давлением коэффициент сжимаемости имеет большое значение.

При давлениях газа в газовых сетях до 1 МПа законы газового состояния для идеального газа достаточно точно отражают свойства природного газа. При более высоких давлениях или низких температурах применяют уравнения, учитывающие объем, занимаемый молекулами, и силы взаимодействия между ними, или вводят в уравнения для идеального газа поправочные коэффициенты – коэффициенты сжимаемости газа.

Закон Бойля – Мариотта. Многочисленными опытами установлено, что если взять определенное количество газа и подвергать его различным давлениям, то объем этого газа будет изменяться обратно пропорционально величине давления. Эта зависимость между давлением и объемом газа при постоянной температуре выражается следующей формулой:

где р1, и V1 – первоначальные абсолютное давление и объем газа;

р2 и V2 – давление и объем газа после изменения.

Из формулы (3) можно получить следующее математическое выражение:

То есть произведение величины объема газа на величину соответствующего этому объему давления газа будет постоянной величиной при постоянной температуре. Этот закон имеет практическое применение в газовом хозяйстве. Он позволяет определять объем газа при изменении его давления и давление газа при изменении его объема при условии, что температура газа остается постоянной. Чем больше при постоянной температуре увеличивается объем газа, тем меньше становится его плотность.

Зависимость между объемом и плотностью выражается формулой:

ρ1 и ρ2 – плотности газа, соответствующие этим объемам.

Если в уравнении (3) отношение объемов газа заменить отношением их плотностей, то на основании уравнения (5) можно получить:

Из уравнения (6) можно сделать вывод, что при одной и той же температуре плотности газов прямо пропорциональны давлениям, под которыми находятся эти газы, то есть плотность газа (при постоянной температуре) будет тем больше, чем больше его давление. Пример. Объем газа при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0 °С составляет 300 м 3 . Какой объем займет этот газ при давлении 1520 мм рт. ст. и при той же температуре?

760 мм рт. ст. = 101329 Па = 101,3 кПа; 1520 мм рт. ст. = 202658 Па = 202,6 кПа.

Подставляя заданные значения V, р1, р2 в формулу (3), получим, м 3 :

V2 = 101, 3·300/202,6 = 150.

Закон Гей-Люссака. При постоянном давлении с повышением температуры объем газов увеличивается, а при понижении температуры уменьшается, то есть при постоянном давлении объемы одного и того же количества газа прямо пропорциональны их абсолютным температурам. Математически эта зависимость между объемом и температурой газа при постоянном давлении записывается так:

где V – объем газа;

Т – абсолютная температура.

Из формулы (7) следует, что если определенный объем газа нагревать при постоянном давлении, то он изменится во столько раз, во сколько раз изменится его абсолютная температура.

Установлено, что при нагревании газа на 1 °С при постоянном давлении его объем увеличивается на постоянную величину, равную 1/273,2 первоначального объема. Эта величина называется термическим коэффициентом расширения и обозначается β. С учетом этого закон Гей-Люссака можно сформулировать так: объем данной массы газа при постоянном давлении есть линейная функция температуры:

Закон Шарля. При постоянном объеме абсолютное давление неизменного количества газа прямо пропорционально его абсолютным температурам. Закон Шарля выражается следующей формулой:

Из формулы (9) можно сделать вывод, что при постоянном объеме давление газа при нагревании увеличивается во столько раз, во сколько раз увеличивается его абсолютная температура.

Метан — формула, строение и основные свойства природного газа

Краткая характеристика

Природный метан образуется при гниении останков живых организмов. В переводе с английского «methane» означает «болотный газ», так как чаще всего его обнаруживают в болотах и каменноугольных шахтах.

Почти 95% реагента появляется в результате биологических процессов. Пятая часть годовых выбросов газа в атмосферу приходится на коз и коров, в желудках которых живут бактерии, вырабатывающие метан. В атмосферу он попадает, когда рогатый скот выводит из организма продукты своей жизнедеятельности.

Другими источниками вещества являются:

  • термиты;
  • рис-сырец;
  • болотистые водоёмы;
  • фильтрация природного газа;
  • фотосинтез растений;
  • вулканы;
  • давно погибшие организмы.

Поскольку вещество обычно связано с живыми организмами, то учёные полагают, что его присутствие на планете указывает на наличие жизни. Так, когда этот газ был обнаружен в атмосферах Марса, специалисты начали тщательное изучение планеты именно на предмет существования живых организмов. Но дальнейшие исследования показали, что на удалённых планетах Солнечной системы метана значительно больше, хотя там он появился в результате химических реакций.

На Земле вещество просачивается через трещины в земной коре, находящиеся на океанском дне, в больших количествах выделяется во время горных разработок и при лесных пожарах. Кроме того, недавно учёными был обнаружен новый источник газа, который никогда ранее в таком ключе не рассматривался.

Физические качества

Метан представляет собой самый простой углеводород. Считается, что он имеет специфический запах, но это распространённое заблуждение. Чистый газ не имеет запаха, характерный аромат он приобретает благодаря специальным добавкам, которые добавляют в вещество для предупреждения о его утечке, ведь цвета химическое соединение также не имеет.

Читайте также:  Как убрать царапины с экрана телефона и планшета 8 способов

Кроме того, к физическим свойствам метана относятся:

  • Горение голубым пламенем.
  • Сгорание без выделения вредных продуктов.
  • Плохая растворимость в воде.
  • Он легче воздуха.
  • Основная составляющая природных, попутных нефтяных, рудничного и болотного газов.
  • Кипение при температуре -161 °C.
  • Замерзание при температуре -183 °C.
  • Молярная масса составляет 16,044 г/моль.
  • Плотность — 0,656 кг/м³.
  • При соединении с воздухом образуются взрывоопасные смеси.
  • В жидком виде представляет собой бесцветную жидкость без запаха.

Наиболее опасен метан, который выделяется во время подземных разработок полезных ископаемых, а также на фабриках, занимающихся переработкой и обогащением угля. Когда количество газа в воздухе достигает 5−6%, то он начинает гореть рядом с источниками тепла.

Если уровень вещества поднимается до 14−16%, то может произойти взрыв. При увеличении концентрации вещество горит при постоянном поступлении кислорода. Если же в этот момент количество метана начнёт снижаться, то результатом также может стать взрыв. При взрыве огонь, подпитываемый газом, движется со скоростью от 500 до 700 м/сек. Давление же вещества в этот момент в замкнутом пространстве составляет 1 Мн/м2.

При соприкосновении с источником тепла метан воспламеняется с небольшой задержкой. Это свойство вещества применяется при изготовлении предохранительных взрывчатых веществ и электрооборудования, безопасного при взрывах. На всех объектах, где существует опасность выброса метана, действуют правила техники безопасности «газовый режим».

Химические свойства

В химии формула метана — CH4. Соединение плохо вступает в химические связи.

В обычных условиях оно не реагирует со следующими веществами:

  • концентрированные кислоты;
  • расплавленные и концентрированные щелочи;
  • щелочные металлические реагенты;
  • галогены;
  • перманганат калия;
  • дихромат калия в кислой среде.

При температуре около 200 °C и давлении от 30 до 90 атмосфер болотный газ окисляется, преобразуясь в муравьиную кислоту. Вещество образует соединения, называемые газовыми гидратами, которые часто встречаются в природе.

По своим химическим свойствам метан схож с другими реагентами, относящимися к алканам. А потому он вступает в такие химические реакции, как:

  • Конверсия в синтез-газ. Синтез-газ, который образуется в результате указанной реакции, используется для получения метанола, углеводородов и так далее.
  • Галогенирование. Такая реакция является цепной. При ней молекула брома или йода подвергается воздействию света и распадается на радикалы, которое затем атакуют молекулы метана. В результате от соединения отрывается атом водорода, а газ становится свободным метилом CH3. Получившееся вещество сталкивается с молекулами брома или йода, которые разрушаются, образуя новые радикалы этих реагентов.
  • Нитрование.
  • Окисление или горение. Эта реакция происходит при избытке кислорода и описывается следующим уравнением: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. В этом случае пламя имеет голубой цвет. Если кислорода недостаточно, то результатом реакции становится выработка не углекислого газа, а оксида углерода. Если же кислорода ещё меньше, то взаимодействие веществ приведёт к выделению мелкодисперсного углерода.
  • Сульфохлорирование.
  • Сульфоокисление.
  • Разложение.
  • Дегидрирование.
  • Каталитическое окисление. В подобных реакциях из болотного газа образуются карбоновые кислоты, спирты, альдегиды.

Получение в промышленности и лаборатории

В промышленных условиях вещество получают посредством нагревания углерода и водорода или синтеза водяного газа. Для того чтобы реакция протекала успешно, используют катализатор, обычно в этом качестве применяется никель. В США для добычи простейшего углеводорода используется специальная система, способная извлекать соединение из природного угля. Но также метан выделяется в виде подобного продукта при термической переработке нефти и нефтепродуктов, коксовании и гидрировании каменного угля.

В лаборатории для получения вещества применяются следующие методы:

  • Реакция гидроксида натрия с ацетатом натрия.
  • Взаимодействие карбида алюминия.
  • Нагревание натристой извести с уксусной кислотой. Для этой реакции необходима безводная среда, а потому в ней применяется гидроксид натрия, который является наименее гигроскопичным.

Применение метана

Болотный газ самый термически устойчивый углеводород, а потому он широко применяется и в быту, и в промышленности. Хлорирование вещества даёт возможность получения метилхлорида, метиленхлорида, хлороформа, четырёххлористого углерода. Результатом его неполного сгорания является сажа, Если метан каталитически окисляется, то получается формальдегид. А его реакция с серой приводит к образованию сероуглерода.

К важным методам получения ацетилена из простейшего углеводорода относятся:

  • термоокислительный крекинг,
  • электрокрекинг.

Газ также применяется для производства синильной кислоты. Кроме того, он даёт водород, необходимый для выработки водяного газа, который, в свою очередь, применяется для создания углеводородов, альдегидов и тому подобного. Кроме того, метан необходим при производстве нитрометана.

В настоящее время газ стал часто использоваться в качестве автомобильного топлива. Но его плотность в 1000 раз меньше плотности бензина, а потому, чтобы заправить автомобиль метаном на тот же объём, что и бензином, при равном давлении необходим соответствующий бак. В таком случае для обычной поездки потребовалось бы возить прицеп с топливом.

Учёные решили эту проблему, увеличив плотность газа до 200−250 атмосфер. Сжатое вещество закачивается в специальные баллоны, установленные на автомобилях особой конструкции.

Парниковый эффект

Метан является одним из газов, создающих на планете парниковый эффект. Чтобы измерить уровень его парниковой активности, необходимо принять за единицу меру воздействия на климат нашей планеты диоксида углерода. При таком соотношении влияние метана будет равно 23. Специалисты в области изучения парникового эффекта отмечают, что количество указанного газа в земной атмосфере значительно выросло за последние два столетия.

Объём метана в современной атмосфере в среднем составляет 1,8 части на миллион. Это количество в 200 раз меньше того же показателя углекислого газа. Необходимо отметить, что молекулы соединения рассеивают и удерживают теплоту, которую излучает нагретая солнцем планета, гораздо лучше, чем молекулы углекислого газа. И также необходимо отметить, что углеводород поглощает земное излучение в тех спектральных областях, которые свободно проходят через другие газовые соединения, создающие эффект парника.

Но тем не менее такие газы планете необходимы. Без двуокиси углерода, водяных паров, метана и других составляющих атмосферы температура на поверхности Земли была бы значительно ниже средних 15 градусов тепла.

Влияние на организм человека

Человек может отравиться, надышавшись метаном при аварии на производстве или из-за неправильного обращения с приборами, работающими на этом газе. Возможна такая ситуация и при длительном нахождении на болоте, в шахте. Если концентрация вещества в воздухе составляет 20 и более процентов, то отравление может быть очень тяжёлым, вплоть до летального исхода.

Работники химических производств, рудников и шахт подвержены другому способу отравления углеводородом. Зачастую эти люди на протяжении длительного времени регулярно вдыхают небольшие дозы вещества.

Кроме того, хроническая интоксикация может наступить из-за заболеваний кишечника, например, дисбактериоза. В таких случаях в организме больного метан образуется в повышенном количестве. Этот газ не станет причиной серьёзной интоксикации, но всё же он может вызвать в организме разные нарушения, привести к желудочно-кишечному дискомфорту и общему ухудшению самочувствия.

Отличить острое отравление метаном можно по следующим признакам:

  • головокружение;
  • шум в ушах;
  • сонливость;
  • общая слабость;
  • потеря координации;
  • нарушение речи;
  • резь в глазах;
  • слезотечение;
  • удушье;
  • усиленное сердцебиение;
  • понижение артериального давления;
  • тошнота;
  • приступы рвоты;
  • синюшность кожных покровов и слизистых оболочек.

Если отравление тяжёлое, то человек теряет сознание, у него начинаются судороги, за которыми следует кома. А также возможна остановка дыхания и сердцебиения.

Читайте также:  Как одевать и снимать линзы правила, что делать если не снимается

Если отравление метаном является хроническим, то пострадавший страдает от частых головных болей, общего недомогания, низкого артериального давления и снижения работоспособности. Человек становится бледным и вялым, испытывает упадок сил. Гипотония может вызывать обмороки. И также возможно истощение нервной системы, которое выражается в повышенной раздражительности, нервозности и тому подобном.

Метан известен, как один из самых опасных газов. Он токсичен, горюч и взрывоопасен. Вещество не имеет ни цвета, ни запаха, а потому обнаружить его в воздухе крайне сложно. Чтобы не подвергать своё здоровье и жизнь опасности, следует внимательно относится к технике безопасности и соблюдать осторожность при работе или бытовом использовании метана.

Метан, получение, свойства, химические реакции

Метан, получение, свойства, химические реакции.

Метан, CH4 – простейший по составу предельный углеводород, органическое вещество класса алканов. В природе содержится в природном газе, добываемом из газовых и газоконденсатных месторождений, в попутном нефтяном газе, в рудничном и болотном газах. Растворен в нефти, в пластовых и поверхностных водах. В твердом состоянии встречается в виде газогидратов.

Метан, формула, газ, характеристики:

Метан (лат. methanum) – простейший по составу предельный углеводород, органическое вещество класса алканов , состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода.

Химическая формула метана CH4, рациональная формула CH4. Изомеров не имеет.

Метан – в обычных условиях лёгкий бесцветный газ, без вкуса и запаха. Однако в метан, используемый в качестве технического газа, могут добавляться одоранты — вещества, имеющие резкий неприятный запах для предупреждения его утечки.

Метан – это основной компонент природного газа.

Является одним из парниковых газов. Его вклад в парниковый эффект составляет 4-9 %.

В природе содержится в природном газе , добываемом из газовых и газоконденсатных месторождений, в попутном нефтяном газе . Для выделения из природного и попутного нефтяного газа производят их очистку и сепарацию газа. Также содержится в рудничном и болотном газах (отсюда произошли другие названия метана – болотный или рудничный газ), свалочном газе .

В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, на дне прудов и стоячих вод, где он образуется при разложении растительных остатков без доступа воздуха, в кишечнике жвачных животных, биореакторах, биогазовых установках и пр.) образуется биогенно в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.

В растворенном виде содержится в нефти, в пластовых и поверхностных водах. При переработке нефти метан выделяют отдельно для дальнейшего использования.

Помимо газообразного состояния в природе встречается еще и в твердом состоянии на дне морей, океанов и в зоне вечной мерзлоты в виде метаногидратов ( гидратов природного газа ), именуемых «горючий лёд».

Пожаро- и взрывоопасен.

Почти не растворяется в воде и других полярных растворителях. Зато растворяется в некоторых неполярных органических веществах (метанол, ацетон, бензол, тетрахлорметан, диэтиловый эфир и другие).

Метан по токсикологической характеристике относится к веществам 4-го класса опасности (малоопасным веществам) по ГОСТ 12.1.007.

Физические свойства метана:

Наименование параметра: Значение:
Цвет без цвета
Запах без запаха
Вкус без вкуса
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.) газ
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м 3 0,6682
Плотность (при 0 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м 3 0,7168
Плотность (при -164,6 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м 3 415
Температура плавления, °C -182,49
Температура кипения, °C -161,58
Температура самовоспламенения, °C 537,8
Критическая температура*, °C -82,4
Критическое давление, МПа 4,58
Критический удельный объём, м 3 /кг 0,0062
Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом, % объёмных от 4,4 до 17,0
Удельная теплота сгорания, МДж/кг 50,1
Коэффициент теплопроводности (при 0 °C и атмосферном давлении 1 атм.), Вт/(м·К) 0,0302
Коэффициент теплопроводности (при 50 °C и атмосферном давлении 1 атм.), Вт/(м·К) 0,0361
Молярная масса, г/моль 16,04
Растворимость в воде, г/кг 0,02

* при температуре выше критической температуры газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении.

Химические свойства метана:

Метан трудно вступает в химические реакции. В обычных условиях не реагирует с концентрированными кислотами, расплавленными и концентрированными щелочами, щелочными металлами, галогенами (кроме фтора), перманганатом калия и дихроматом калия в кислой среде.

Химические свойства метана аналогичны свойствам других представителей ряда алканов. Поэтому для него характерны следующие химические реакции:

  1. 1. конверсия метана в синтез-газ:

CH4 + H2O → CО + 3H2 (kat = Ni/Al2O3 при t o = 800-900 о С или без катализатора при t o = 1400-1600 о С).

Образующийся в результате реакции синтез-газ может быть использован для последующих синтезов метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

  1. 2. галогенирование метана:

Реакция носит цепной характер. Молекула брома или йода под действием света распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы метана, отрывая у них атом водорода, в результате этого образуется свободный метил CH3·, который сталкиваются с молекулами брома (йода), разрушая их и образуя новые радикалы йода или брома :

Br2 → Br·+ Br· (hv); – инициирование реакции галогенирования;

CH4 + Br· → CH3· + HBr; – рост цепи реакции галогенирования;

CH3· + Br· → CH3Br; – обрыв цепи реакции галогенирования.

Галогенирование — это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование метана проходит поэтапно – за один этап замещается не более одного атома водорода.

Галогенирование будет происходить и далее пока, не будут замещены все атомы водорода .

  1. 3. нитрование метана:
  1. 4. окисление (горение) метана:

При избытке кислорода:

Горит голубоватым пламенем.

При нехватке кислорода вместо углекислого газа (СО2) получается оксид углерода (СО), при еще меньшем количестве кислорода выделяется мелкодисперсный углерод (сажа в различном виде, в т.ч. в виде графена , фуллерена и пр.) либо их смесь.

  1. 5. сульфохлорирование метана:
  1. 6. сульфоокисление метана:
  1. 7. разложение метана:

CH4 → C + 2H2 (при t o > 1000 о С).

  1. 8. дегидрирование метана:
  1. 9. каталитическое окисление метана:

В реакциях каталитического окисления метана могут образовываться спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.

2CH4 + O2 → 2CН3OH (при t o = 200 о С, kat); – образуется метанол;

CH4 + O2 → НCНO + H2O (при t o = 200 о С, kat); – образуется формальдегид;

2CH4 + 3O2 → 2НCOОН + H2O (при t o = 200 о С, kat); – образуется муравьиная кислота.

Получение метана в промышленности и в лаборатории. Химические реакции – уравнения получения метана:

Так как метан в большом количестве встречается в природе. Например, содержится в природном газе, попутном нефтяном газе и выделяется при крекинге нефтепродуктов , его, как правило, не получают искусственно. Его выделяют при очистке и сепарации из природного газа , ПНГ и нефти при перегонке. Кроме того, его получают из метаногидратов (гидратов природного газа), в процессе эксплуатации биогазовых установок и пр.

Метан в промышленных и лабораторных условиях получается в результате следующих химических реакций:

  1. 1. газификации твердого топлива:

C + 2H2 → CH4 + H2O (повышенное давление и t o , kat = Ni, Mo или без катализатора).

  1. 2. синтеза Фишера-Тропша:

CО + 3H2 → CH4 (kat = Ni, t o = 200-300 о С);

  1. 3. реакции взаимодействия оксида углерода (IV) и водорода:
  1. 4. гидролиза карбида алюминия:
  1. 5. щелочного плавления солей одноосновных органических кислот

Применение и использование метана:

– как топливо для автомобилей, судов, газовых плит, печей, паяльных ламп, зажигалок и пр. бытовых приборов;

– как сырье в химической промышленности для проведения реакций органического синтеза.

Примечание: © Фото //www.pexels.com, //pixabay.com

как получить метан этилен реакция ацетилен этен 1 2 вещество хлорметан метанол кислород водород связь является углекислый газ бромная вода
уравнение реакции масса объем полное сгорание моль молекула смесь превращение горение получение метана
напишите уравнение реакций метан

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector