В таблице указана плотность метана при различных температурах , включая плотность этого газа при нормальных условиях (при 0°С). Также приведены его теплофизические свойства и характеристики других газов метанового ряда.
Представлены следующие теплофизические свойства газов метанового ряда: коэффициент теплопроводности λ , η , число Прандтля Pr , кинематическая вязкость ν , массовая удельная теплоемкость C p , отношение теплоемкостей (показатель адиабаты) k , коэффициент температуропроводности a и плотность газов метанового ряда ρ . Свойства газов даны при нормальном атмосферном давлении в зависимости от температуры — в интервале от 0 до 600°С.
К газам метанового ряда относятся углеводороды с брутто-формулой C n H 2n+2 такие, как: метан CH 4 , этан 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 . Их еще называют гомологический ряд метана.
Плотность газов метанового ряда при увеличении их температуры снижается из-за теплового расширения газа. Такой характер зависимости плотности от температуры свойственен и . Следует также отметить, что плотность газов метанового ряда растет по мере увеличения количества атомов углерода и водорода в молекуле газа (числа n в формуле C n H 2n+2).
Наиболее легким газом из рассмотренных в таблице является метан — плотность метана при нормальных условиях равна 0,7168 кг/м 3 . Метан при нагревании расширяется и становиться менее плотным. Так, например при температуре 0°С и 600°С, плотность метана отличается приблизительно в 3 раза.
Теплопроводность газов метанового ряда снижается при увеличении числа n в формуле C n H 2n+2 . При нормальных условиях она изменяется в диапазоне от 0,0098 до 0,0307 Вт/(м·град). По данным в таблице следует, что наибольшей теплопроводностью обладает такой газ, как метан — его коэффициент теплопроводности, например при 0°С, равен 0,0307 Вт/(м·град).
Наименьшая теплопроводность (0,0098 Вт/(м·град) при 0°С) свойственна газу октану. Следует отметить, что при нагревании газов метанового ряда их теплопроводность увеличивается.
Удельная массовая теплоемкость газов, входящих в гомологический ряд метана при нагревании увеличивается. Также увеличивают свои значения такие их свойства, как вязкость и температуропроводность.
Горение - быстропротекающая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания.
Реакция горения чистого метана:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Выделение тепла
Так как больший объем составляет метан, то принято общую формулу природного газа выражать формулой непосредственно метана. Так, получается, что химическая формула природного газа метана -СН4.
Остальные компоненты имеют следующие эмпирические формулы в химии:
этан - С2Н6;
пропан - С3Н8;
бутан - С4Н10;
углекислый газ - СО2;
водород - Н2;
сероводород - H2S.
Смесь таких веществ и является природным газом.
Чаще всего очистка природного газа происходит непосредственно при добыче исходного сырья. В зависимости от состава и концентрации примесей выбирают тот или иной способ очистки. В мировой практике чаще всего применяют хемосорбционные способы очистки , где основными действующими веществами являются растворы алкаколамина с водой или бенфилд (карбонат калия и вода с добавками). Следующими по популярности являютсякомбинированные методики , сочетающие в себе химические и физические процессы, с присутствием в качестве действующего агента сульфинола. При необходимости тонкой очистки сырья , применяют твердые адсорбенты и окисление серы до твердого осадка.
Получение в лаборатории и промышленности
Помимо природных мест образования газа, существует ряд способов получить его в лабораторных условиях. Однако эти способы, безусловно, используются только для небольших порций продукта, так как экономически осуществлять синтез природного газа в лаборатории не выгодно.
Лабораторные способы:
Гидролизом низкомолекулярного соединения - карбида алюминия: AL4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4AL(OH)3.
Из ацетата натрия в присутствии щелочи: CH3COOH + NaOH = CH4 + Na2CO3.
Из синтез-газа: CO+ 3H2 = CH4 + H2O.
Из простых веществ - водорода и углерода - при повышенной температуре и давлении.
Химическая формула природного газа отражается формулой метана, поэтому все реакции, характерные для алканов, характерны и для данного газа.
Бытовой газ= Природный газ + Добавки для запаха
Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена) (т. н. одорантов). Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан (С2H5SH) (16г на 1000 куб. м. природного газа).
C3H8 - Пропан
Типы классификаций реакции.
|
По числу веществ и образующихся веществ |
По изменению степени окисления атомов |
|
|
Без изменения степени окисления |
С изменением степени окисления |
|
|
СОЕДИНЕНИЯ A + B = AB Из нескольких простых или сложных веществ образуется одно сложное |
CaO+H 2 O=Ca(OH) 2 PbO+SiO 2 =PbSiO 3 |
4Fe(OH) 2 +2H 2 O+O 2 =4Fe(OH) 3 |
|
РАЗЛОЖЕНИЯ AB = A + B Из сложного вещества образуется несколько простых или сложных веществ |
Cu(OH) 2 =CuO+H 2 O CaCO 3 =CaO+CO 2 NH 4 Cl=NH 3 +HCl |
4HNO 3 =2H 2 O+4NO 2 +O 2 4KClO 3 =3KClO 4 +KCl |
|
ЗАМЕЩЕНИЯ A + BC =AC + B Атом простого вещества замещает один из атомов сложного |
CuSO 4 +Fe=FeSO 4 +Cu 2KBr+Cl 2 =2KCl+Br 2 |
|
|
ОБМЕНА AB + CD = AD + CB Сложные вещества обмениваются своими составными частями |
NaOH+HCl=NaCl+H 2 O | |
Метан - первый представитель ряда алканов с формулой СН 4 . Это бесцветный природный газ без запаха. Благодаря физическим и химическим свойствам метан используется в качестве топлива.
Строение
Молекула метана представляет собой тетраэдр, в середине которого находится углерод, соединённый простыми (одинарными) σ-связями с атомами водорода. Строение и свойства молекулы метана важны для понимания всей органической химии, так как большинство органических соединений содержит метильные группы -СН 2 .
Рис. 1. Строение молекулы метана.
Метан образует гомологический ряд алканов. Каждый последующий гомолог отличается от предыдущего на одну группу -СН 2 .
Из-за тетраэдрической конфигурации длинные молекулы алканов имеют вид изогнутых цепочек.
Получение
Метан - распространённый газ во Вселенной. Он находится в природном и попутном газе, образуется на дне морей, выделяется как конечный продукт жизнедеятельности кишечных бактерий. Метан входит в состав атмосферы планет-гигантов. На поверхности Титана - спутника Сатурна - находятся этан-метановые озёра и реки.
Рис. 2. Спутник Титан.
В промышленности метан выделяют из природного газа и получают при коксовании (прокаливании) каменного угля.
В лаборатории метан образуется при нагревании сухого гидроксида натрия с уксусной кислотой, а также при плавлении ацетата с гидроксидом натрия:
- 2NaOH + CH 3 COOH → Na 2 CO 3 + H 2 O + CH 4 ;
- CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 .
Впервые метан обнаружил на болотах физик Алессандро Вольта в 1776 году. Два года спустя он выделил из болотного газа чистый метан.
Свойства
Основные физические свойства:
- легче воздуха;
- без запаха и вкуса;
- плохо растворяется в воде;
- молекулярная масса - 16;
- температура плавления - -182,49°С;
- температура кипения - -161,56°С;
- температура вспышки - 87,8°С;
- температура самовоспламенения - 537,8°С.
Метан определяет физико-химические свойства гомологического ряда алканов. При обычных условиях метан и его гомологи малоактивны и вступают в реакции под действием высокой температуры и катализатора. Дополнительные условия необходимы для расщепления связи С-Н.
Основные реакции метана:
- нитрование:
CH 4 + HONO 2 → CH 3 -NO 2 + H 2 O;
- галогенирование:
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;
- сульфохлорирование:
CH 4 + SO 2 + Cl 2 → CH 3 -SO 2 Cl + HCl;
- каталитическое окисление под действием солей меди и марганца:
2CH 4 + O 2 → 2CH 3 OH;
- полное окисление (горение):
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q;
- окисление водяным паром:
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ;
- крекинг (метод переработки нефти):
2CH 4 → HC≡CH + 3H 2 .
Рис. 3. Горение метана.
Концентрация метана в воздухе более 4 % взрывоопасна. Поэтому метану специально придают запах, смешивая газ с тиолами, содержащими серу. Это помогает контролировать утечку бытового газа.
Что мы узнали?
Метан - простейший представитель класса алканов, образующий гомологический ряд. Это бесцветный горючий газ, выделяемый из природного газа и получаемый при коксовании угля. Метан используется в качестве топлива. При высокой температуре самовоспламеняется. Газ подвержен нитрованию, галогенированию, сульфохлорированию, окислению под действием катализатора, водяного пара, горения, а также крекингу, используемого в переработке нефти.
Метан – это простейший представитель предельных углеводородов. Он хорошо горит с выделением большого количества тепла, поэтому широко используется промышленностью.
Как получить метан в промышленности
Метан входит в состав природного газа и газа, сопутствующего нефтяным месторождениям. Поэтому промышленность получает метан из этих газов.
Как получить метан в домашних условиях
Метан имеет и другое название – болотный газ. Для того чтобы получить его в домашних условиях следует взять немного почвы со дна болота и поместить ее в банку, залив сверху водой. Банку плотно укупоривают и помещают в темное и теплое место. Через несколько дней можно будет заметить появление на поверхности воды мелких пузырьков газа. Образующийся метан можно отвести из банки через газоотводящую трубочку.
Как получить метан в лабораторных условиях
Получить метан в условиях лаборатории можно несколькими способами:
- Пропускание смеси сероводорода и сероуглерода через трубку, на дне которой расположена раскаленная медь: CS 2 + 2H 2 S + 8Cu = CH 4 + Cu 2 S. Это был самый первый способ получения метана. Позже было выяснено, что получить метан можно при нагревании смеси водорода и углерода в присутствии никелевого катализатора до 475 градусов. Без использования катализатора нагревать смесь приходится до 1200 градусов. С + 2H 2 = CH 4
- В настоящее время метан получают нагреванием смеси гидроксида натрия и ацетата натрия: СН 3 СООNa + NaOH = Na 2 CO 3 + CH 4 .
- Получить чистый метан можно при реакции карбида алюминия и воды: Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4 Al(OH) 3 + 3CH 4
- Синтез метана может вестись и на основе соединения водорода и угарного газа: CO + 3H 2 = CH 4 + H 2 O
Как из метана получить ацетилен
Получить ацетилен из метана можно в результате нагревания последнего до температуры в полторы тысячи градусов:
2 CH 4 >C 2 H 2 + H 2
Как получить из метана метанол
Чтобы получить из метана метанол следует провести несколько химических реакций. Сначала происходит реакция между хлором и метаном. Эта реакция протекает только на свету, т.к. запускается она фотонами света. В ходе этой реакции образуется трихлорметан и соляная кислота: CH 4 + Cl 2 > CH 3 Cl + HCl. Затем проводят реакцию между полученным трихлорметаном и водным раствором гидроксида натрия. В результате этого получается метанол и хлорид натрия: CH 3 Cl + NaOH > NaCl + CH 3 OH
Как из метана получить анилин
Получить анилин из метана, возможно проделав только целую цепочку реакций, которая схематически выглядит так: CH 4 > C 2 H 2 > C 6 H 6 > C 6 H 5 NO 2 > C 6 H 5 NH 2 .
Сначала производят нагревание метана до 1500 градусов, в результате чего образуется ацетилен. Затем из ацетилена получают бензол, используя для этого реакцию Зелинского. Для этого через нагретую до 600 градусов трубку, наполовину заполненную активированным углем, пропускают ацетилен: 3С 2 H 2 =C 6 H 6
Из бензола получают нитробензол: С 6 H 6 + HNO 3 = C 6 H 5 NO 2 + Н 2 О, который представляет собой исходное сырье для получения анилина. Этот процесс идет по реакции Зинина:
С 6 H 5 NO 2 + 3(NH 4) 2 S = C 6 H 5 NH 2 + 6NH 3 + 3S + 2H 2 O.
Природный газ используется газовыми колонками, котлами для отопления загородных домов, коттеджей, дач. Автономное отопление газом, выгодная альтернатива, так как не страшны аварии на центральных тепломагистралях. Котлы газовые эффективно отопят двухэтажный коттедж всего за 15-30 минут.
В системе центрального отопления природный газ подается в котельные и теплоцентрали, где так же используется для выработки тепла, горячего-водоснабжения и получения электроэнергии в газотурбинных установках. Полученное тепло (вода для отопления) и горячая вода подается по центральным магистралям в дома потребителей.
Молекула метана
Какими свойствами обладает природный, что нужно о нем знать?
Природный газ и его свойства.
Основной составляющей природного газа является метан. Метан относится к углеводородным газам, то есть содержит молекулы углерода и водорода. Формула углеводородов следующая:
CnH 2 n+2, метана CH 4 .
В природном газе метана до 97%, в остальные 3-4% входит сероводород (H 2 S), кислород O 2 и т.п. Нахождение этих составляющих снижает тепловые свойства метана.
Характеристики метана
Метан представляет собой бесцветный, нетоксичный, без запаха и вкуса газ. Удельный вес метана равен 0,717 килограмм на нормальный метр кубический (0,717 кг/нм3). Нормальными условиями являются температура воздуха = 0С (273,2 К) и давление 101325 кПа. Стандартными условиями являются температура воздуха = 20С и давление 101325 кПа.
При температуре 111 К (-161 С) и атмосферном давлении метан превращается в жидкость и уменьшается в объеме в 600 раз!
Высшая теплота сгорания метана составляет 9510 ккал/нм 3 . Низшая теплота сгорания метана равна 8570 ккал/нм3 (35880 кДж). Это явление обосновано тем, что часть теплоты теряется на преобразование воды в пар (скрытая теплота парообразования).
Влияние метана на здоровье человека
Метан является удушающим газом, не отравляющим. Допустимое содержание газа, где могут работать монтажные бригады, строители должно быть не более 300 миллиграмм на метр кубический.
Метан вытесняет кислород в воздухе, то есть кислород будет менее 21%. При этом человек начинает уставать и становиться "пьяным"; (наркологический эффект). При нахождении в загазованной среде человек испытывает кислородное голодание и ведет себя неадекватно.
Если Вы почувствовали газ в помещении, где человеку плохо, то нужно срочно вывести его на свежий воздух.
Метан в смеси с воздухом в диапазоне его содержания от 5 до 15% образует взрывоопасную смесь.
Химические свойства метана
В составе метана 75% по массе приходится на долю углерода и 25% на водород. Сгорание метана в воздухе протекает по следующему уравнению (идеальная формула химического процесса):
CH 4 +2O 2 +7,52N 2 =CO 2 +2H 2 O+7,52N 2 +Q ,
где O 2 кислород; N 2 азот; CO 2 углекислый газ; H 2 O вода; Q теплота, выделяемая при горении.
Воздух содержит 21% кислорода и 79% азота и его количество для горения равно теоретически необходимому. Однако на практике добиться процесса идеального горения удается не всегда.
