Метан навіщо використовується. Загальні відомості про метан, його характеристики та методи використання

У таблиці вказано щільність метану при різних температурах, включаючи щільність цього газу при нормальних умовах(При 0 ° С). Також наведено його теплофізичні властивості та характеристики інших газів метанового ряду.

Подані наступні теплофізичні властивості газів метанового ряду:коефіцієнт теплопровідності λ , η , число Прандтля Pr, кінематична в'язкість ν , масова питома теплоємність C p, відношення теплоємностей (показник адіабати) k, коефіцієнт температуропровідності aта щільність газів метанового ряду ρ . Властивості газів дано за нормального атмосферного тиску залежно від температури — в інтервалі від 0 до 600°С.

До газів метанового ряду відносяться вуглеводні. брутто-формулою C n H 2n+2такі, як: метан CH 4 , етан C 2 H 6 , бутан C 4 H 10 , пентан C 5 H 12 , гексан C 6 H 14 , гептан C 7 H 16 , октан C 8 H 18 . Їх ще називають гомологічний ряд метану.

Щільність газів метанового рядупри збільшенні їх температури знижується через теплового розширеннягазу. Такий характер залежності густини від температури властивий і . Слід також зазначити, що густина газів метанового ряду зростає в міру збільшення кількості атомів вуглецю та водню в молекулі газу (числа n у формулі C n H 2n+2).

Найбільш легким газом із розглянутих у таблиці є метан. щільність метану за нормальних умов дорівнює 0,7168 кг/м 3. Метан при нагріванні розширюється і стає менш щільним. Так, наприклад, при температурі 0°С і 600°С, щільність метану відрізняється приблизно в 3 рази.

Теплопровідність газів метанового рядузнижується зі збільшенням числа n у формулі C n H 2n+2 . За нормальних умов вона змінюється в діапазоні від 0,0098 до 0,0307 Вт/(м·град). За даними у таблиці випливає, що найбільшу теплопровідність має такий газ, як метан- Його коефіцієнт теплопровідності, наприклад при 0 ° С, дорівнює 0,0307 Вт / (м · град).

Найменша теплопровідність (0,0098 Вт/(м·град) при 0°С) властива газу октану. Слід зазначити, що з нагріванні газів метанового ряду їх теплопровідність збільшується.

Питома масова теплоємність газів, що входять до гомологічного ряду метану при нагріванні збільшується.Також збільшують свої значення такі властивості, як в'язкість і температуропровідність.

, вибухонебезпечні гази , парниковий ефект

Часто цей вибухонебезпечний газ називають "болотним". Усім відомий його специфічний запах, але насправді це спеціальні добавки «із запахом газу», які додаються для того, щоб його розпізнати. При згорянні він практично не залишає шкідливих продуктів. Крім усього іншого, цей газ досить бере активну участь в утворенні всім відомого парникового ефекту.

Газ зазвичай пов'язаний з живими організмами. Коли в атмосферах Марса та Титану виявився метан, у вчених виникла надія на те, що на цих планетах існує життя. На Червоній планеті метану небагато, а Титан буквально «залитий» їм. І якщо не для Титану, то для Марса біологічні джереламетану так само ймовірні, як і геологічні. Метану багато на планетах-гігантах - Юпітері, Сатурні, Урані та Нептуні, де він виник як продукт хімічної переробки речовини протосонячної туманності. На Землі він рідкісний: його утримання в атмосфері нашої планети – всього 1750 частин на мільярд за обсягом (ppbv).

Джерела та одержання метану

Метан – найпростіший вуглеводень, безбарвний газ без запаху. Його хімічна формула- CH 4 . Малорозчинний у воді, легший за повітря. При використанні в побуті промисловості в метан зазвичай додають одоранти зі специфічним «запахом газу». Основний компонент природних (77-99%), попутних нафтових (31-90%), рудничного та болотного газів (звідси інші назви метану – болотний або рудничний газ).

На 90–95% метан має біологічне походження. Травоїдні копитні тварини, такі як корови та кози, випускають п'яту частину річного викиду метану: його виробляють бактерії у їхніх шлунках. Іншими важливими джереламислужать терміти, рис-сирець, болота, фільтрація природного газу(це продукт минулого життя) та фотосинтез рослин. Вулкани вносять у загальний баланс метану Землі менше 0,2%, але джерелом цього газу може бути організми минулих епох. Промислові викидиметану незначні. Таким чином, виявлення метану на планеті типу Землі вказує на наявність там життя.

Метан утворюється при термічній переробці нафти та нафтопродуктів (10-57% за обсягом), коксуванні та гідруванні кам'яного вугілля(24-34%). Лабораторні способи одержання: сплавлення ацетату натрію з лугом, дія води на метилмагнійіодид або на карбід алюмінію.

У лабораторії отримують нагріванням натронного вапна (суміш гідроксидів натрію і калію) або безводного гідроксиду натрію з оцтовою кислотою. Для цієї реакції важлива відсутність води, тому використовується гідроксид натрію, так як він менш гігроскопічний.

Властивості метану

Вибухова горіння поширюється зі швидкістю 500-700 м/с;тиск газу при вибуху в замкнутому обсязі дорівнює 1 Мн/м2.Після контакту з джерелом тепла спалах метану відбувається з деяким запізненням. На цій властивості засновано створення запобіжних вибухових речовинта вибухобезпечного електроустаткування. На об'єктах, небезпечних через присутність метану (переважно вугільні шахти), вводиться т.зв. газовий режим.

При 150-200 ° С та тиску 30-90 атм метан окислюється до мурашиної кислоти.

Метан утворює сполуки включення - газові гідрати, поширені у природі.

Застосування метану

Метан – найбільш термічно стійкий насичений вуглеводень. Його широко використовують як побутове та промислове паливоі як сировина для промисловості. Так, хлоруванням метану виробляють метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, чотирихлористий вуглець.

При неповному згорянні метану отримують саджу, при каталітичному окисненні - формальдегід, при взаємодії із сіркою - сірковуглець.

Термоокислювальний крекінгі електрокрекінгметану- важливі промислові методи отримання ацетилену.

Каталітичне окислення суміші метану з аміаком є ​​основою промислового виробництва. синильної кислоти.Метан використовують як джерело воднюу виробництві аміаку, а також для отримання водяного газу (т. зв. синтез-газу): CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 , що застосовується для промислового синтезу вуглеводнів, спиртів, альдегідів та ін. нітрометан.

Автомобільне паливо

Метан широко використовується як моторне паливо для автомобілів. Однак щільність природного метану в тисячу разів нижча за щільність бензину. Тому якщо заправляти автомобіль метаном при атмосферному тиску, то для рівної з бензином кількості палива знадобиться бак в 1000 разів більше. Щоб не возити величезний причіп із паливом, необхідно збільшити щільність газу. Це можна досягти стиском метану до 20-25 МПа (200-250 атмосфер). Для зберігання газу у такому стані використовуються спеціальні балони, що встановлюються на автомобілях.

Метан та парниковий ефект

Метан є парниковим газом. Якщо ступінь впливу Вуглекислий газна клімат умовно прийняти за одиницю, то парникова активність метану становитиме 23 одиниці. Зміст метано в атмосфері зростав дуже швидко протягом останніх двох століть.

Зараз середній вміст метану CH 4 у сучасній атмосфері оцінюється як 1,8 ppm ( parts per million, Частини на мільйон). І хоча це в 200 разів менше, ніж вміст в ній вуглекислого газу (CO 2 ), у розрахунку на одну молекулу газу парниковий ефектвід метану - тобто його внесок у розсіювання та утримання тепла, що випромінюється нагрітою сонцем Землею - суттєво вищий, ніж від СО 2 . Крім того, метан поглинає випромінювання Землі у тих «віконцях» спектру, які виявляються прозорими для інших парникових газів. Без парникових газів - С 2 , парів води, метану та деяких інших домішок Середня температурана поверхні Землі була б всього -23 ° C, а зараз вона близько +15 ° C.

Метан височується на дні океану через тріщини. земної кори, виділяється в чималій кількості при гірничих розробкахта при спалюванні лісів. Нещодавно виявлено нове, зовсім несподіване джерело метану. вищі рослини, але механізми освіти та значення даного процесудля самих рослин поки що не з'ясовані.

Метан на Землі

Неподалік Санта-Барбари з дна океану у великих обсягах у вигляді бульбашок виділяється метан – активний парниковий газ

Особливо небезпечний метан під час проведення гірничих робіт

Метан замість бензину? Легко

Коли в атмосфері Марса виявили метан, у вчених з'явилася надія знайти на планеті сліди життя

В воді

2. Будова молекули

Молекулярна формула СН 4. Структурна та електронна формули:

Н | Н-С-Н | H

3. Хімічні властивості

Перший член гомологічного рядунасичених (метанових) вуглеводнів. Метан є малоактивними в хімічному відношенніречовина. При звичайних умовахвін досить стійкий до дії кислот, лугів та окислювачів. Так, при пропущенні метану через розчин KMnO 4, який є досить сильним окислювачем, він не окислюється і фіолетове забарвлення розчину не зникає. У реакції приєднання (повідомлення) метан не входить, оскільки в його молекулі всі чотири валентності атома вуглецю повністю насичені. Для метану, як і інших граничних вуглеводнів, типовими є реакції заміщення, при яких атоми водню заміщаються атомами інших елементів або атомними групами. Характерна для метану також реакція з хлором, яка відбувається за нормальної температури під впливом розсіяного світла (при прямому сонячному світліможе статися вибух). При цьому атоми водню в молекулі метану послідовно замінюються атомами хлору.

• CH 4 + Cl 2 = CH 3 Cl + HCl
• CH 3 Cl + Cl 2 = CH 2 Cl 2 + HCl
• CH 2 Cl 2 + Cl 2 = CHCl 3 + HCl
• CHCl 3 + Cl 2 = CCl 4 + HCl

В результаті реакції утворюється суміш хлоропохідного метану.

В атмосфері повітря метан горить безбарвним полум'ям із виділенням значної кількості тепла:

• CH 4 + 2O 2 = СО 2 + 2Н 2 О

З повітрям метан утворює горючу вибухову суміш. При нагріванні метану без доступу повітря до температури вище 1000 °C він розкладається на елементи - на вуглець (сажу) та водень:

• CH 4 = З + 2Н 2

4. Поширення у природі

Метан є основним компонентом:

• газів природних горючих (до 99,5%),
• нафтових попутних (39-91%),
• болотних (99%) та рудничних (34-48%) газів;
• присутній у газах грязьових вулканів (понад 95%),
• спорадично зустрічається у вулканічних газах та в газах магматичних та метаморфічних порід.

Велика кількість метану розчинена у водах океанів, морів, озер. Середній вміст метану у водах Світового океану близько 10 -2 см 3 /л, Загальна кількість- 14.10 12 м 3. Кількість метану, розчиненого в пластових водах, на кілька порядків вища за його промислові запаси.

Метан присутній також у атмосферах Землі, Юпітера, Сатурна, Урана; в газах поверхневого ґрунту Місяця. Основна маса метану літо- та гідросфери Землі утворилася при біохімічній та термокаталітичній деструкції розсіяної органічної речовини, вугілля та нафта. Метан утворюється при анаеробному розкладанні органічних речовин, зокрема целюлози (метанове бродіння)

У Землі метан досить поширений. Горючі природні газискладаються на 90-97% метану. Він утворює багато родовищ, з яких видобувається і газопроводами подається до місця використання. На дні боліт і ставків метан утворюється внаслідок розкладання залишків рослин без доступу повітря. Тому його ще називають болотним газом. Під назвою "рудничний газ" метан накопичується у вугільних шахтах, в результаті виділення з пластів вугілля та супутніх порід, у яких знаходиться у вільному та пов'язаному вигляді. На шахтах, що діють, спостерігається виділення метану з вугільних пластів в обсязі до 70-80 м/т с. б. м. (т с. б. м. – тонна сухої беззольної маси), що робить економічно доцільним його самостійно або супутнє (дегазація) вилучення з вугільних родовищ.

Рудничний газ дуже небезпечний, оскільки з повітрям може утворювати вибухову суміш. Найбільш вибухонебезпечні концентрації метану в повітрі – 9-14%.

При низьких температурахметан утворює сполуки включення - газові гідрати, поширені у природі.

Біопаливо ВВВС Генераторні гази Кокс Моторні палива

Енергетична біосировина

Великі кількості метану використовуються як зручне та дешеве паливо. Неповне спалювання метану дає сажу, яка йде на виготовлення друкарської фарби і як наповнювач каучуку, а при термічному розкладанні(понад 1000 C) отримують сажу та водень, який використовується для синтезу аміаку. Продукт повного хлорування метану - тетрахлорид вуглецю CCl 4 - є хорошим розчинником жирів і застосовується для отримання жирів з зерен олійних рослин. Метан служить також вихідною речовиноюдля отримання ацетилену, метилового спирту та багатьох інших хімічних продуктів.

7. Метан як фактор вуглевидобутку

З повітрям М. утворює вибухові суміші. При вмісті в повітрі до 5-6% М. горить біля джерела тепла (т-ра запалення 650-750 С), при вмісті 5-15,2 (16)% - вибухає, понад 16% - може горіти при притоку кисню, зниження при цьому концентрації М. вибухонебезпечне. М. має слабку наркотичну дію. ГДК 300 мг/м 3. Виділення М. у виробітку шахт створює особливу небезпеку при видобутку вугілля. Розрізняють три форми виділення М. у гірничі виробки: звичайне, суфлярне і раптове. За метанообильністю, згідно з "Правилами безпеки у вугільних та сланцевих шахтах", шахти підрозділяють на п'ять категорій. Критерієм такої поділки є відносна метанообильность, тобто. кількість метану в кубометрах, що виділяється за добу на 1 т середньодобового видобутку: з виділенням метану до 5 м3/т, 5 – 10 м3/т, 10 – 15 м3/т; надкатегорійні – понад 15 м 3 /т; небезпечні за суфлярними виділеннями. Шахти, що розробляють пласти, небезпечні або загрожують раптовим викидам вугілля, газу і породи, відносяться до особливої ​​категорії - небезпечних раптовим викидам. Перспективним вважається видобуток метану з вугільних пластів (див. метаноносність вугільного пласта, метан вугільних родовищ). Наприкінці ХХ ст. цією проблемою тільки в США займалися вчені прибл. 40 університетів, задіяно прибл. 100 фірм. Перші промислові спроби використати попутний метан (при вуглевидобутку) здійснюються і в Україні, на Донбасі. У промисловості М. застосовують для отримання синтезгазу, ацетилену, хлороформу, чотирихлористого вуглецю, технічного вуглецю та ін. Продукти неповного окислення метану є вихідними для виготовлення пластмас, що використовуються в органічному синтезі.

Див. також

Джерела

Граничні, вуглеводні ряду метану (алкани)

Алкани, або парафіни - аліфатичні граничні вуглеводні, в молекулах яких атоми вуглецю пов'язані між собою s -зв'язком. валентності Вуглецевого атома, що залишилися, не витрачені на зв'язок з іншими атомами вуглецю, повністю насичені воднем. Тому граничні вуглеводні містять у молекулі максимальна кількістьводневих атомів.

Вуглеводні ряду алканів мають загальну формулу. C n H 2n+2. У таблиці представлені деякі представники низки алканів та їх деякі фізичні властивості.

З таблиці видно, що ці вуглеводні відрізняються один від одного кількістю груп - СН 2 -. Такий ряд подібних за будовою, що мають близькі хімічними властивостямиі відмінних один від одного числом даних груп називається гомологічним рядом. А речовини, що його складають, називаються гомологами .

Тренажер №1 - Гомологи та ізомери

Тренажер №2. - Гомологічний ряд граничних вуглеводнів

Фізичні властивості

Перші чотири члени гомологічного ряду метану - газоподібні речовини, Починаючи з пентану - рідини, а вуглеводні з числом вуглецевих атомів 16 і вище - тверді речовини (при звичайній температурі). Алкани - неполярні сполуки і важко поляризуються. Вони легші за воду і в ній практично не розчиняються. Чи не розчиняються також в інших розчинниках з високою полярністю. Рідкі алкани – хороші розчинники для багатьох органічних речовин. Метан та етан, а також вищі алкани не мають запаху. Алкани – горючі речовини. Метан горить безбарвним полум'ям.

Отримання алканів

Для отримання алканів використовують переважно природні джерела.

Газоподібні алкани отримують з природного та попутного нафтових газів, а тверді алкани – з нафти. Природною сумішшю твердих високомолекулярних алканів є гірський віск -природний бітум.

1. З простих речовин:

n C + 2 nН 2 500 °С, кат →З nН 2 n + 2

2. Дія металевого натрію на галогенопохідні алканів- реакція О.Вюрца:

2CH 3 -Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl

Хімічні властивості алканів

1. Реакції заміщення - Галогенування (Стадійно)

CH 4 + Cl 2 hν → CH 3 Cl (хлорметан) + HCl (1 стадія);

метан

CH 3 Cl + Cl 2 hν→ CH 2 Cl 2 (дихлорметан) + HCl (2 стадія);

H 2 Cl 2 + Cl 2 hν → CHCl 3 (трихлорметан) + HCl (3 стадія);

CHCl 3 + Cl 2 hν → CCl 4 (хлорметан) + HCl (4 стадія).

2. Реакції горіння (горять світлим полум'ям, що не коптить)

C n H 2n+2 + O 2 t → nCO 2 + (n+1)H 2 O

3. Реакції розкладання

а) Крекінгпри температурі 700-1000°З розриваються (-С-С-) зв'язку:

C 10 H 22 → C 5 H 12 + C 5 H 10

б) Піролізпри температурі 1000°С розриваються всі зв'язки, продукти - С (сажа) і Н2:

З H 4 1000°С → C + 2 H 2

Застосування

· Граничні вуглеводні знаходять широке застосуванняу найрізноманітніших сферах життя та діяльності людини.

· Використання як паливо – в котельних установках, бензин, дизельне паливо, авіаційне паливо, балони з пропан-бутановою сумішшю для побутових плит

· Вазелін використовується в медицині, парфумерії, косметиці, вищі алкани входять до складу мастил, з'єднання алканів застосовуються як холодоагенти в домашніх холодильниках.

· Суміш ізомерних пентанів і гексанів називається петролейним ефіром і застосовується як розчинник. Циклогексан також широко застосовується як розчинник і для синтезу полімерів.

· Метан використовується для виробництва шин та фарби.

· Значення алканів у сучасному світівеличезно. У нафтохімічній промисловості граничні левороди є базою для отримання різноманітних органічних сполук, важливою сировиною в процесах отримання напівпродуктів для виробництва пластмас, каучуків, синтетичних волокон, миючих засобівта багатьох інших речовин. Велике значення в медицині, парфумерії та косметиці.

Завдання для закріплення

№1. Складіть рівняння реакцій горіння етану та бутану.

№2. Складіть рівняння реакцій одержання бутану з наступних галогеналканів:

CH 3 - Cl (хлорметан) та C 2 H 5 - I (йодетан).

№3. Здійсніть перетворення за схемою, назвіть продукти:

C→CH4→CH3Cl→C2H6→CO2

№4. Виріши кросворд

По горизонталі:

1. Алкан, що має молекулярну формулу 3 Н 8 .
2. Найпростіший представник граничних вуглеводнів.
3. Французький хімік, ім'я якого носить реакція одержання вуглеводнів з довшим вуглецевим ланцюгом взаємодією галогенопохідних граничних вуглеводнів з металевим натрієм.
4. Геометрична фігура, що нагадує просторову будову молекули метану.
5. Трихлорметан.
6. Назва радикала З 2 Н 5 -.
7. Найбільш характерний виглядреакцій для алканів
8. Агрегатний станперших чотирьох представників алканів за нормальних умов.

Якщо ви правильно відповіли на запитання, то у виділеному стовпці по вертикаліотримайте одну з назв граничних вуглеводнів. Назвіть це слово?