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.

Физико-химические свойства метана.

Опасные примеси в рудничном воздухе

К ядовитым примесям рудничного воздуха относятся окись углерода, окислы азота, сернистый газ и сероводород.

Окись углерода (СО) – газ без цвета, вкуса и запаха с удельным весом 0,97. Горит и взрывается при концентрации от 12,5 до 75%. Температура воспламенения, при концентрации 30%, 630-810 0 С. Очень ядовит. Смертельная концентрация – 0,4%. Допустимая концентрация в горных выработках - 0,0017%. Основная помощь при отравлении – искусственное дыхание в выработке со свежим воздухом.

Источниками окиси углерода являются взрывные работы, работы двигателей внутреннего сгорания, рудничные пожары и взрывы метана и угольной пыли.

Окислы азота (NO) - имеют бурый цвет и характерный резкий запах. Очень ядовиты, вызывают раздражение слизистых оболочек дыхательных путей и глаз, отеки легких. Смертельная концентрация, при кратковременном вдыхании, - 0,025%. Предельное содержание оксидов азота в рудничном воздухе не должно превышать 0,00025% (в пересчете на двуокись – NO 2). Для диоксида азота – 0,0001%.

Сернистый газ (SO 2) – бесцветен, с сильным раздражающим запахом и кислым вкусом. Тяжелее воздуха в 2,3 раза. Очень ядовит: раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз, вызывает воспаление бронхов, отек гортани и бронхов.

Сернистый газ образуется при взрывных работах (в сернистых породах), пожарах, выделяется из горных пород.

Предельное содержание в рудничном воздухе – 0,00038%. Концентрация 0,05% - опасна для жизни.

Сероводород (H 2 S) – газ без цвета, со сладковатым вкусом и запахом тухлых яиц. Удельный вес – 1,19. Сероводород горит, а при концентрации 6% взрывается. Очень ядовит, раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз. Смертельная концентрация – 0,1%. Первая помощь при отравлении – искусственное дыхание на свежей струе, вдыхание хлора (с помощью платка, смоченного хлорной известью).

Сероводород выделяется из горных пород и минеральных источников. Образуется при гниении органических веществ, рудничных пожарах и взрывных работах.

Сероводород хорошо растворяется в воде. Это необходимо учитывать при передвижении людей по заброшенным выработкам.

Допустимое содержание H 2 S в рудничном воздухе не должно превышать 0,00071%.

Лекция 2

Метан и его свойства

Метан является основной, наиболее распространенной частью рудничного газа. В литературе и на практике, метан, чаще всего отождествляется с рудничным газом. В рудничной вентиляции этому газу уделяется наибольшее внимание из-за его взрывчатых свойств.

Физико-химические свойства метана.

Метан (СН 4) – газ без цвета, вкуса и запаха. Плотность – 0,0057. Метан инертен, но, вытесняя кислород (вытеснение происходит в следующей пропорции: 5 единиц объема метана замещают 1 единицу объема кислорода, т.е. 5:1), может представлять опасность для людей. Воспламеняется при температуре 650-750 0 С. С воздухом метан образует горючие и взрывчатые смеси. При содержании в воздухе до 5-6% горит у источника тепла, от 5-6% до 14-16% - взрывается, свыше 14-16% - не взрывается. Наибольшая сила взрыва при концентрации 9,5%.

Одно из свойств метана – запаздывание вспышки, после контакта с источником воспламенения. Время запаздывания вспышки называется идукционным периодом. Наличие этого периода создает условия для предупреждения вспышки при взрывных работах, применяя предохранительные взрывчатые вещества (ВВ).

Давление газа в месте взрыва примерно в 9 раз выше начального давления газо-воздушной смеси до взрыва. При этом может возникать давление до 30 ат и выше. Различные препятствия в выработках (сужения, выступы и т.д.) способствуют повышению давления и увеличивают скорость распространения взрывной волны в горных выработках.

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

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.

Формула	Название	Название радикала	Т пл. 0 С	Т кип. 0 С
CH 4	метан	метил
C 2 H 6	этан	этил
C 3 H 8	пропан	пропил
C 4 H 10	бутан	бутил
C 4 H 10	изобутан	изобутил
C 5 H 12	пентан	пентил
C 5 H 12	изопентан	изопентил
C 5 H 12	неопентан	неопентил
C 6 H 14	гексан	гексил
C 7 H 16	гептан	гептил
C 10 H 22	декан	децил
C 15 H 32	пентадекан
C 20 H 42	эйкозан

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?

В воде

? г/100 мл (? C) Температура плавления -182,5 C при 1 атм Температура кипения -161,6 C (111,55 K) Тройная точка 90,7 K, 0,11 бар Строение Форма молекулы Тетраэдр Дипольный момент ноль Опасность Температура
вспышки -188 C Температура
самовозгорание 537 C Границы взрывоопасности 5-15% Родственные соединения Семейные алканы Этан
Пропан Другие соединения Метанол
Хлорметан

2. Строение молекулы

Молекулярная формула СН 4. Структурная и электронная формулы:

Н | Н-С-Н | H

3. Химические свойства

Первый член гомологического ряда насыщенных (метановых) углеводородов . Метан представляет собой малоактивные в химическом отношении вещество. При обычных условиях он довольно устойчив к действию кислот, щелочей и окислителей. Так, при пропускании метана через раствор KMnO 4, который является довольно сильным окислителем, он не окисляется и фиолетовая окраска раствора не исчезает. В реакции присоединения (сообщения) метан не вступает, поскольку в его молекуле все четыре валентности атома углерода полностью насыщены. Для метана, как и других предельных углеводородов, типичны реакции замещения, при которых атомы водорода замещаются атомами других элементов или атомными группами. Характерная для метана также реакция с хлором, которая происходит при обычной температуре под влиянием рассеянного света (при прямом солнечном свете может произойти взрыв). При этом атомы водорода в молекуле метана последовательно замещаются атомами хлора

• 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 результате реакции образуется смесь хлоропохидних метана.

В атмосфере воздуха метан горит бесцветным пламенем с выделением значительного количества тепла:

• CH 4 + 2O 2 = СО 2 + 2Н 2 О

С воздухом метан образует горючие взрывную смесь. При нагревании метана без доступа воздуха до температуры выше 1000 C он разлагается на элементы - на углерод (сажу) и водород:

• CH 4 = С + 2Н 2

4. Распространение в природе

Метан является основным компонентом:

• газов природных горючих (до 99,5%),
• нефтяных попутных (39-91%),
• болотных (99%) и рудничных (34-48%) газов;
• присутствует в газах грязевых вулканов (более 95%),
• спорадически встречается в вулканических газах и в газах магматических и метаморфических пород.

Большое количество метана растворено в водах океанов, морей, озер. Среднее содержание метана в водах Мирового океана около 10 -2 см 3 / л, общее количество - 14.10 12 м 3. Количество метана, растворенного в пластовых водах, на несколько порядков выше его промышленных запасов.

Метан присутствует также в атмосферах Земли , Юпитера , Сатурна , Урана ; в газах поверхностного грунта Луны . Основная масса метана лето-и гидросферы Земли образовалась при биохимической и термокаталитический деструкции рассеянного органического вещества, уголь и нефть. Метан образуется при анаэробном разложении органических веществ, в частности целлюлозы (метановое брожение).

В природе Земли метан довольно распространен. Горючие природные газы состоят на 90-97% из метана. Он образует много месторождений, из которых добывается и по газопроводам подается к месту использования. На дне болот и прудов метан образуется в результате разложения остатков растений без доступа воздуха. Поэтому его называют еще болотным газом. Под названием "рудничный газ" метан накапливается в угольных шахтах, в результате выделения из пластов угля и сопутствующих пород, в которых находится в свободном и связанном виде. На действующих шахтах наблюдается выделение метана из угольных пластов в объеме до 70-80 м / т с. б. м. (т с. б. м. - тонна сухого беззольной массы), что делает экономически целесообразным его самостоятельно или сопутствующее (дегазация) извлечения из угольных месторождений.

Рудничный газ очень опасен, поскольку с воздухом может образовывать взрывчатую смесь. Наиболее взрывоопасные концентрации метана в воздухе - 9-14%.

При низких температурах метан образует соединения включения - газовые гидраты , широко распространенные в природе.

Ископаемое топливо Естественное неископаемого топливо Искусственное топливо

Биотопливо ВВВС Генераторные газы Кокс Моторные топлива

Концепции

Энергетическая биосырье

Большие количества метана используются как удобное и дешевое топливо. Неполное сжигание метана дает сажу, которая идет на изготовление печатной краски и как наполнитель каучука, а при термическом разложении (выше 1000 C) получают сажу и водород, который используется для синтеза аммиака. Продукт полного хлорирования метана - тетрахлорид углерода CCl 4 - является хорошим растворителем жиров и применяется для извлечения жиров из зерен масличных растений. Метан служит также исходным веществом для получения ацетилена , метилового спирта и многих других химических продуктов.

7. Метан как фактор угледобычи

С воздухом М. образует взрывчатые смеси. При содержании в воздухе до 5-6% М. горит около источника тепла (т-ра воспаление 650-750 С), при содержании 5-15,2 (16)% - взрывается, свыше 16% - может гореть при притоке кислорода, снижение при этом концентрации М. взрывоопасное. М. имеет слабое наркотическое действие. ПДК 300 мг / м 3. Выделение М. в выработки шахт создает особую опасность при добыче угля. Различают три формы выделения М. в горные выработки: обычное, суфлярным и внезапное. По метанообильность, согласно "Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах", шахты подразделяют на пять категорий. Критерием такого деления является относительная метанообильность, т.е. количество метана в кубометрах, выделяемой за сутки на 1 т среднесуточной добычи: с выделением метана до 5 м 3 / т, 5 - 10 м 3 / т, 10 - 15 м 3 / т; сверхкатегорийные - более 15 м 3 / т; опасные по суфлярным выделениями. Шахты, разрабатывающих пласты, опасные или угрожающие по внезапным выбросам угля, газа и породы, относятся к особой категории - опасных по внезапным выбросам. Перспективным считается добыча метана из угольных пластов (см. метаноноснисть угольного пласта , метан угольных месторождений). В конце ХХ в. этой проблемой только в США занимались ученые ок. 40 университетов, задействовано ок. 100 фирм. Первые промышленные попытки использовать попутный метан (при угледобыче) производятся и в Украине, в Донбассе. В промышленности М. применяют для получения синтезгаз, ацетилена, хлороформа, четыреххлористого углерода, технического углерода и др.. Продукты неполного окисления метана являются исходными для изготовления пластмасс, используемых в органическом синтезе.

См.. также

Источники