Применение метана кратко. Общие сведения о метане, его характеристики и методы использования

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.

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.

Молекулярная, структурная и электронная формула метана составляются на основе теории строения органических веществ Бутлерова. Прежде чем приступать к написанию таких формул, начнем с краткой характеристики данного углеводорода.

Особенности метана

Данное вещество является взрывоопасным, его еще именуют «болотным» газом. Специфический запах этого предельного углеводорода известен всем. В процессе сгорания от него не остается химических компонентов, оказывающих негативное воздействие на организм человека. Именно метан является активным участником образования парникового эффекта.

Физические свойства

Первый представитель гомологического ряда алканов был обнаружен учеными в атмосфере Титана и Марса. Учитывая тот факт, что метан связан с существованием живых организмов, появилась гипотеза о существовании жизни на этих планетах. На Сатурне, Юпитере, Нептуне, Уране, метан появился в качестве продукта химической переработки веществ неорганического происхождения. На поверхности нашей планеты его содержание незначительное.

Общая характеристика

Метан не имеет цвета, он легче воздуха почти в два раза, плохо растворяется в воде. В составе природного газа его количество достигает 98 процентов. В содержится от 30 до 90 процентов метана. В большей степени метан имеет биологическое происхождение.

Копытные травоядные козы и коровы испускают при переработке в желудках бактерий довольно существенное количество метана. Среди важных источников гомологического ряда алканов выделим болота, термитов, фильтрацию естественного газа, процесс фотосинтеза растений. При обнаружении на планете следов метана, можно говорить о существовании на ней биологической жизни.

Способы получения

Развернутая структурная формула метана является подтверждением того, что в его молекуле только насыщенные одинарные связи, образованные гибридными облаками. Среди лабораторных вариантов получения данного углеводорода отметим сплавление ацетата натрия с твердой щелочью, а также взаимодействие карбида алюминия с водой.

Горит метан голубоватым пламенем, выделяя при этом порядка 39 МДж на кубический метр. Взрывоопасные смеси данное вещество образует с воздухом. Наиболее опасен метан, который выделяется во время проведения подземных разработок месторождений полезных ископаемых в горных шахтах. Высок риск взрыва метана и на обогатительных угольных и брикетных фабриках, а также на сортировочных производствах.

Физиологическое действие

Если процентное содержание метана в воздухе составляет от 5 до 16 процентов, при попадании кислорода возможно воспламенение метана. В случае существенного возрастания в смеси данного химического вещества повышается вероятность взрыва.

Если в воздухе концентрация данного алкана составляет 43 процента, он является причиной удушья.

При взрыве скорость распространения составляет от 500 до 700 метров в секунду. После того как метан контактирует с источником тепла, процесс воспламенения алкана происходит с некоторым запаздыванием.

Именно на этом свойстве базируется производство взрывобезопасного электрического оборудования и предохранительных взрывчатых компонентов.

Так как именно метан является самым термически устойчивым он имеет широкое применение в виде промышленного и бытового топлива, а также используется в качестве ценного сырья для химического синтеза. Структурная формула три-этил-метана характеризует особенности строения представителей данного класса углеводородов.

В процессе его химического взаимодействия с хлором при воздействии ультрафиолетового облучения возможно образование нескольких продуктов реакции. В зависимости от количества исходного вещества, можно в ходе замещения получить хлорметан, хлороформ, четыреххлористый углерод.

В случае неполного сгорания метана образуется сажа. В случае каталитического окисления образуется формальдегид. Конечным продуктом взаимодействия с серой является сероуглерод.

Особенности структуры метана

Какова его структурная формула? Метан относится к предельным углеводородам, имеющим общую формулу С n Н 2n+2 . Рассмотрим особенности образования молекулы, чтобы пояснить, как образуется структурная формула.

Метан состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, связанных между собой ковалентной полярной химической связью. Поясним на основе строения атома углерода структурные формулы.

Вид гибридизации

Пространственное строение метана характеризуется тетраэдрической структурой. Так как на внешнем уровне у углерода четыре валентных электрона, при нагревании атома происходит переход электрона со второй s-орбитали на p. В итоге на последнем энергетическом уровне у углерода располагается четыре неспаренных («свободных») электрона. Полная структурная формула метана основывается на том, что происходит образование четырех гибридных облаков, которые ориентируются в пространстве под углом 109 градусов 28 минут, формируя структуру тетраэдра. Далее происходит перекрывание вершин гибридных облаков с негибридными облаками атомов водорода.

Полная и сокращенная структурная формула метана в полной мере отвечает теории Бутлерова. Между углеродом и водородами образуется простая (одинарная) связь, поэтому для данного химического вещества не характерны реакции присоединения.

Ниже представлена конечная структурная формула. Метан - это первый представитель класса насыщенных углеводородов, он обладает типичными свойствами предельного алкана. Структурная и электронная формула метана подтверждают тип гибридизации атома углерода в данном органическом веществе.

Из школьного курса химии

Данный класс углеводородов, представителем которого является «болотный газ», изучается в курсе 10 класса средней школы. Например, ребятам предлагается задание следующего характера: «Напишите структурные формулы метана». Необходимо понимать, что для этого вещества можно расписать по теории Бутлерова только развернутую структурную конфигурацию.

Его сокращенная формула будет совпадать с молекулярной, записываться в виде СН4. По новым федеральным образовательным стандартам, которые введены в связи с реорганизацией российского образования, в базовом курсе химии все вопросы, касающиеся характеристики классов органических веществ, разбираются обзорно.

Промышленный синтез

На основе метана были разработаны промышленные способы такого важного химического компонента, как ацетилен. Основой термического и электрического крекинга стала именно его структурная формула. Метан при каталитическом окислении с аммиаком образует синильную кислоту.

Применяют данное органическое вещество для производства синтез-газа. При взаимодействии с водяным паром получается смесь угарного газа и водорода, являющаяся сырьем для производства предельных карбонильных соединений.

Особое значение имеет взаимодействие с азотной кислотой, в результате получается нитрометан.

Применение в виде автомобильного топлива

В связи с нехваткой природных источников углеводородов, а также оскудением сырьевой базы, особую актуальность приобретает вопрос, связанный с поиском новых (альтернативных) источников для получения топлива. Одним из таких вариантов является в составе которого есть и метан.

Учитывая разницу в плотности между бензиновым топливом и первым представителем класса алканов, существуют определенные особенности применения его в качестве источника энергии для автомобильных двигателей. Для того чтобы не было необходимости перевозить с собой огромное количества метана, путем сжатия его плотность увеличивают (при давлении порядка 250 атмосфер). Хранят метан в сжиженном состоянии в баллонах, устанавливаемых в автомобилях.

Воздействие на атмосферу

Выше уже шла речь о том, что метан оказывает воздействие на парниковый эффект. Если степень действия оксида углерода (4) на климат берется условно за единицу, то в нем доля «болотного газа» составляет 23 единицы. На протяжении двух последних столетий ученые наблюдают повышение количественного содержания метана в земной атмосфере.

На данный момент примерное количество СН 4 оценивается в 1,8 части на миллион. Несмотря на то что данный показатель в 200 раз меньше, чем наличие углекислого газа, идет разговор между учеными о возможном риске удержания тепла, излучаемого планетой.

В связи с отличной теплотворной способностью «болотного газа», его применяют не только в качестве исходного сырья при осуществлении химического синтеза, но и в качестве источника энергии.

Например, на метане функционируют разнообразные газовые котлы, колонки, предназначенные для индивидуальной отопительной системы в частных домах и загородных коттеджах.

Такой автономный вариант отопления весьма выгоден для собственников жилья, не связан с авариями, систематически происходящими на централизованных отопительных системах. Благодаря газовому котлу, функционирующему на данном виде топлива, достаточно 15-20 минут для того, чтобы полностью обогреть двухэтажный коттедж.

Заключение

Метан, структурные и молекулярные формулы которого были приведены выше, является природным источником энергии. Благодаря тому, что в его составе есть только атом углерода и атомы водорода, экологи признают экологическую безопасность данного насыщенного углеводорода.

При стандартных условиях (температуре воздуха 20 градусов по Цельсию, давлении 101325 Па) это вещество является газообразным, нетоксичным, нерастворимым в воде.

В случае понижения температуры воздуха до -161 градуса, происходит сжатие метана, что широко применяют в промышленности.

Метан оказывает воздействие на здоровье человека. Он не является отравляющим веществом, но считается удушающим газом. Существуют даже предельные нормы (ПДК) по содержанию данного химического вещества в атмосфере.

Например, работы в шахтах разрешены только в тех случаях, когда его количество не превышает на метр кубический 300 миллиграммов. Анализируя особенности строения данного органического вещества, можно сделать вывод о его сходстве по химическим и физическим свойствам со всеми другими представителями класса насыщенных (предельных) углеводородов.

Мы проанализировали структурные формулы, пространственное строение метана. который начинает "болотный газ", имеет общую молекулярную формулу С n Н 2n+2 .

Предельные, углеводороды ряда метана (алканы)

Алканы, или парафины - алифатические предельные углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны между собой простой s -связью. Оставшиеся валентности углеродного атома, не затраченные на связь с другими атомами углерода, полностью насыщены водородом. Поэтому предельные углеводороды содержат в молекуле максимальное число водородных атомов.

Углеводороды ряда алканов имеют общую формулу C n H 2n+2 . В таблице представлены некоторые представители ряда алканов и их некоторые физические свойства.

Из таблицы видно, что эти углеводороды отличаются друг от друга количеством групп - СН 2 - .Такой ряд сходных по строению, обладающих близкими химическими свойствами и отличающихся друг от друга числом данных групп называется гомологическим рядом. А вещества, составляющие его, называются гомологами .

Тренажёр №1 - Гомологи и изомеры

Тренажёр №2. - Гомологический ряд предельных углеводородов

Физические свойства

Первые четыре члена гомологического ряда метана - газообразные вещества, начиная с пентана - жидкости, а углеводороды с числом углеродных атомов 16 и выше - твердые вещества (при обычной температуре). Алканы - неполярные соединения и трудно поляризуемые. Они легче воды и в ней практически не растворяются. Не растворяются также в других растворителях с высокой полярностью. Жидкие алканы - хорошие растворители для многих органических веществ. Метан и этан, а также высшие алканы не имеют запаха. Алканы - горючие вещества. Метан горит бесцветным пламенем.

Получение алканов

Для получения алканов используют в основном природные источники.

Газообразные алканы получают из природного и попутных нефтяных газов, а твердые алканы - из нефти. Природной смесью твердых высокомолекулярных алканов является горный воск - природный битум.

1. Из простых веществ:

n C + 2n Н 2 500 °С, кат → С n Н 2n + 2

2. Действие металлического натрия на галогенопроизводные алканов- реакция А.Вюрца :

2CH 3 -Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl

Химические свойства алканов

1. Реакции замещения - Галогенирование (стадийно)

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

метан

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

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

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

2. Реакции горения (горят светлым не коптящим пламенем)

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

3. Реакции разложения

а) Крекинг при температуре 700-1000°С разрываются (-С-С-) связи:

C 10 H 22 → C 5 H 12 + C 5 H 10

б) Пиролиз при температуре 1000°С разрываются все связи, продукты – С (сажа) и Н 2:

С H 4 1000°С → C + 2 H 2

Применение

· Предельные углеводороды находят широкое применение в самых разнообразных сферах жизни и деятельности человека.

· Использование в качестве топлива – в котельных установках, бензин, дизельное топливо, авиационное топливо, баллоны с пропан-бутановой смесью для бытовых плит

· Вазелин используется в медицине, парфюмерии, косметике, высшие алканы входят в состав смазочных масел, соединения алканов применяются в качестве хладагентов в домашних холодильниках

· Смесь изомерных пентанов и гексанов называется петролейным эфиром и применяется в качестве растворителя. Циклогексан также широко применяется в качестве растворителя и для синтеза полимеров.

· Метан используется для производства шин и краски

· Значение алканов в современном мире огромно. В нефтехимической промышленности предельные улеводороды являются базой для получения разнообразных органических соединений, важным сырьем в процессах получения полупродуктов для производства пластмасс, каучуков, синтетических волокон, моющих средств и многих других веществ. Велико значение в медицине, парфюмерии и косметике.

Задания для закрепления

№1. Составьте уравнения реакций горения этана и бутана.

№2. Составьте уравнения реакций получения бутана из следующих галогеналканов:

CH 3 - Cl (хлорметан) и C 2 H 5 - I (йодэтан).

№3. Осуществите превращения по схеме, назовите продукты:

C→ CH 4 → CH 3 Cl → C 2 H 6 → CO 2

№4. Реши кроссворд

По горизонтали:

1. Алкан, имеющий молекулярную формулу С 3 Н 8 .
2. Простейший представитель предельных углеводородов.
3. Французский химик, имя которого носит реакция получения углеводородов с более длинной углеродной цепью взаимодействием галогенопроизводных предельных углеводородов с металлическим натрием.
4. Геометрическая фигура, которую напоминает пространственное строение молекулы метана.
5. Трихлорметан.
6. Название радикала С 2 Н 5 –.
7. Наиболее характерный вид реакций для алканов.
8. Агрегатное состояние первых четырех представителей алканов при нормальных условиях.

Если вы правильно ответили на вопросы, то в выделенном столбце по вертикали получите одно из названий предельных углеводородов. Назовите это слово?

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:

1. 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
2. В настоящее время метан получают нагреванием смеси гидроксида натрия и ацетата натрия: СН 3 СООNa + NaOH = Na 2 CO 3 + CH 4 .
3. Получить чистый метан можно при реакции карбида алюминия и воды: Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4 Al(OH) 3 + 3CH 4
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.