Полезные ископаемые: Природный газ. Что можно сделать из природного газа
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Природный газ – это смесь газов (органической и неорганической природы), образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Полезное ископаемое.
Значительная составляющая природного газа – метан (70 — 98%), затем идут этан, пропан и бутан; среди газов неорганической природы в состав природного газа могут входить моно- и диоксид углерода, азот, инертные газы, водород, сероводород. Химический состав природного газа (объемное содержание каждого из газов) может меняться в зависимости от месторождения.
Химические свойства природного газа
Поскольку природный газ представляет собой смесь газов, то невозможно указать, какие химические свойства для него характерны, т.к. для каждого вещества, входящего в его состав характерны свои, особые химические свойства. Однако, можно сказать, что для природного газа характерно горение, причем из всех веществ, входящих в состав природного газа на воздухе сгорают только углеводороды (метан, этан и т.д.) и монооксид углерода. Продукты реакции горения природного газа:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 +2H 2 O;
2C 2 H 6 + 7O 2 = 4CO 2 + 6H 2 O;
2C 3 Н 8 + 10O 2 = 6CO 2 + 8H 2 O;
2CO + O 2 = 2CO 2 .
Физические свойства природного газа
Природный газ при нахождении в недра Земли может находится в газообразном состоянии (газовые залежи), в виде газовой «шапки» нефтегазовых месторождений, в растворенном виде в нефти или в воде. Чистый природный газ не обладает запахом и цветом. Температура возгорания природного газа 650С. Природный газ в 1,8 газ легче воздуха.
Получение природного газа
Природный газ добывают из недр Земли с помощью скважин. Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте находится под давлением, многократно превышающем атмосферное. Таким образом, движущей силой является разность давлений в пласте и системе сбора.
Применение природного газа
Основное направление использования природного газа — в качестве горючего для отопления жилых домов, подогрева воды и приготовления пищи; в качестве топливо для машин, котельных, ТЭЦ и др. Также, природный газ используют в химической промышленности (сырьё для получения различных органических веществ).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | природный газ одного из месторождений содержит 85% метана, 6% этана, 3% оксида углерода (II), 4,5% углекислого газа, 1,5% азота и инертных газов по объему. Какой объем воздуха потребуется для сжигания 1м 3 этого газа. Объемная доля кислорода в воздухе – 21%. |
| Решение |
Сжигание природного газа на воздухе происходит из-за окислительной способности кислорода, входящего в его состав. Среди газов, входящих в состав природного газа реакции горения подвергаются только углеводороды и оксид углерода (II). Запишем уравнения реакций горения этих газов в кислороде.
2CO + O 2 = 2CO 2 (3). V(CH 4) = 1000×0,85 = 850 л; V(C 2 H 6) = 1000×0,06 = 60 л; V(CО) = V gas ×φ (CО)/100%; V(CО) = 1000×0,03 = 30 л. По 1 уравнению n(CH 4) : n(O 2) = 1:2, следовательно, n(O 2) = 2× n(CH 4) = 2× 850 /22,4 = 76 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 1 = 76×22,4 = 1702 л. По 2 уравнению n(C 2 H 6) : n(O 2) = 2:7, следовательно, n(O 2) = 7/2× n(C 2 H 6) = 7/2× 60 /22,4 = 9,4 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 2 = 9,4×22,4 = 210,6 л. По 3 уравнению n(CО) : n(O 2) = 2:1, следовательно, n(O 2) = 1/2× n(CО) = 1/2× 30 /22,4 = 0,7 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 3 = 0,7×22,4 = 15,7 л. V sum = V(O 2) 1 + V(O 2) 2 + V(O 2) 3 = 1702 + 210,6 + 15,7 = 1928,3 л. Т.к. объемная доля кислорода в воздухе 21%, то объем воздуха, необходимый для сжигания природного газа: V = V(O 2) sum / 0,21 = 1928,3 / 0,21 = 9182 л = 0,9182 м 3 . |
| Ответ | Объем воздуха – 0,9182 м. |
ПРИМЕР 2
| Задание | природный газ одного из месторождений содержит 92% метана, 4% этана, 7% пропана, 2% углекислого газа и 1% азота. Какой объем кислорода потребуется для сжигания 200л этого газа. |
| Решение |
Среди газов, входящих в состав природного газа реакции горения в кислороде подвергаются только углеводороды. Запишем уравнения реакций горения этих газов в кислороде.
CH 4 + 2O 2 = CO 2 +2H 2 O (1); 2C 2 H 6 + 7O 2 = 4CO 2 + 6H 2 O (2); 2C 3 Н 8 + 10O 2 = 6CO 2 + 8H 2 O (3). Найдем объемы сгорающих газов, зная их объемные доли (см. условие задачи): V(CH 4) = V gas ×φ (CH 4)/100%; V(CH 4) = 200×0,92 = 184 л; V(C 2 H 6) = V gas ×φ (C 2 H 6)/100%; V(C 2 H 6) = 200×0,04 = 8 л; V(C 3 Н 8) = V gas ×φ (C 3 Н 8)/100%; V(C 3 Н 8) = 200×0,01 = 2 л. По 1 уравнению n(CH 4) : n(O 2) = 1:2, следовательно, n(O 2) = 2× n(CH 4) = 2× 184 /22,4 = 16 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 1 = 16×22,4 = 358,4 л. По 2 уравнению n(C 2 H 6) : n(O 2) = 2:7, следовательно, n(O 2) = 7/2× n(C 2 H 6) = 7/2× 8 /22,4 = 1,25 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 2 = 1,25×22,4 = 28 л. По 3 уравнению n(C 3 Н 8) : n(O 2) = 2:10, следовательно, n(O 2) = 5× n(C 3 Н 8) = 5× 2 /22,4 = 0,4 моль. Тогда объем кислорода, необходимый для сжигания 850 л метана: V(O 2) 3 = 0,4×22,4 = 8,96 л. Суммарный объем кислорода, затраченный на сжигание природного газа составит: V sum = V(O 2) 1 + V(O 2) 2 + V(O 2) 3 = 358,4 + 28 + 8,96 = 395,36 л. |
| Ответ | Объем кислорода — 395,36 л. |
Природный газ, основную часть которого составляет метан (92-98%), на сегодняшний день является самым перспективным альтернативным топливом для автомобилей. Природный газ может быть использован в виде топлива как в сжатом (компримированном), так и в сжиженном виде.
Метан - простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха, химическая формула — CH4. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека.
Добыча и транспортировка
Газ находится в недрах Земли на глубине от одного до нескольких километров. Перед началом добычи газа необходимо провести геологоразведочные работы, которые позволяют установить местонахождение залежей. Добывается газ с помощью скважин, специально для этого пробуренных одним из возможных способов. Транспортируют газ чаще всего по газопроводам. Общая протяженность газораспределительных газопроводов в России составляет более 632 тысячи километров - это расстояние почти в 20 раз больше окружности Земли. Длина магистральных газопроводов на территории России - 162 тысячи километров.
Использование природного газа
Область применения природного газа достаточно широка: его используют для отопления помещений, приготовления пищи, подогрева воды, производства красок, клея, уксусной кислоты и удобрений. Помимо этого природный газ в сжатом или сжиженном виде может использоваться в качестве моторного топлива на автотранспорте, специальной и сельскохозяйственной технике, железнодорожном и водном транспорте.
Природный газ - экологичное моторное топливо
90% загрязнения атмосферы приходится на долю транспортных средств.
Перевод транспорта на экологически чистое моторное топливо - природный газ - позволяет сократить выбросы в атмосферу сажи, высокотоксичных ароматических углеводородов, окиси углерода, непредельных углеводородов и окислов азота.
При сжигании 1000 л жидкого нефтяного моторного топлива в воздух вместе с отработавшими газами выбрасывается 180-300 кг оксида углерода, 20-40 кг углеводородов, 25-45 кг окислов азота. При использовании природного газа вместо нефтяного топлива выброс токсичных веществ в окружающую среду снижается приблизительно в 2-3 раза по оксиду углерода, по окислам азота - в 2 раза, по углеводородам - в 3 раза, по задымленности - в 9 раз, а образование сажи, свойственное дизельным двигателям, отсутствует.
Природный газ - экономичное моторное топливо
Природный газ - самое экономичное моторное топливо. Для его переработки требуются минимальные затраты. По сути, все что нужно сделать с газом перед заправкой автомобиль - это сжать в компрессоре. Сегодня средняя розничная цена 1 куб.м метана (который по своим энергетическим свойситвам равен 1 литру бензина) - 13 рублей. Это в 2-3 раза дешевле бензина или дизельного топлива.
Природный газ - безопасное моторное топливо
Концентрационные* и температурные** пределы воспламенения природного газа значительно выше, чем у бензина и дизельного топлива. Метан в два раза легче воздуха и при утечке быстро растворяется в атмосфере.
Согласно «Классификации горючих веществ по степени чувствительности» МЧС России,компримированный природный газ отнесен к самому безопасному, четвертому классу, а пропан-бутан - ко второму.
* Образование взрывоопасной концентрации происходит при содержании паров газа в воздухе от 5 % до 15 %. В открытом пространстве образование взрывоопасной смеси не происходит.
** Нижний предел самовоспламенения метана - 650°C.
Природный газ - технологичное моторное топливо
Природный газ не образует отложений в топливной системе, не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, тем самым снижая трение и уменьшая
износ двигателя.
При сгорании природного газа не образуется твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя
Таким образом использование природного газа в качестве моторного топлива позволяет увеличить срок службы двигателя в 1,5-2 раза.
В таблице ниже приведено несколько фактов о КПГ и СПГ:
Инструкция
Природным газом можно заправлять газовые лампы, предназначенные для освещения. Собственно метан применяется как сырье для производства ацетилена, аммиака, метанола и цианистого водорода.
При этом природный газ является сырьевой базой при производстве аммиака. Практически три четверти всего аммиака применяется для производства азотных удобрений.
Цианистый водород, получаемый уже из аммиака, вместе с ацетиленом служит первоначальным сырьем для производства различных синтетических волокон. Из ацетилена можно вырабатывать разные пласты-каты, которые довольно широко в промышленности и в быту. Также при помощи него производится ацетатный шелк.
В химической промышленности метан используется не только для получения различных пластмасс, но также и для производства , органических кислот и спирта. Именно с использованием природного газа стало возможно создавать многие химические вещества, которые не в природе, например, полиэтилен.
Природный газ является одним из лучших видов топлива, которые используются для промышленных и бытовых нужд. Его ценность как горючего также в том, что это минеральное топливо довольно чистое экологически. При его сгорании появляется гораздо меньше вредных веществ, если с другими видами топлива. Именно поэтому природный газ - это один из основных источников энергии во всей человеческой деятельности.
Водород в чистом виде на Земле редко встречается, но он очень распространен в составе соединений: содержится в воде, в растительных и животных организмах, в природных газах. В космосе же это самый распространенный элемент.
Вам понадобится
- Издание по общей химии или учебник по химии 8-9 класс.
Инструкция
Для того чтобы определить водород, необходимо знать некоторые его . Какие-то из них помогут справиться с поставленной задачей в короткий срок, а какие-то требуют нахождения в химической . Необязательно использовать все методы, хватает одного или двух.
Водород
- самый легкий из всех . Например, может стоять задача - определить водород, имея в наличии несколько сосудов с неизвестными газами. В этом случае нужно обратить внимание на сосуд - водород должен находиться либо в перевернутом, либо в закрытом (возможно стеклом, которое можно отодвинуть для дальнейшего определения). Иначе водород улетучится. Запаха и цвета этот газ не имеет.
При поджигании водород горит несветящимся пламенем, при этом образуется вода. Хороший способ определения, но весьма опасный, т.к. смесь водорода и кислорода называют гремучим газом из-за ее способности взрываться. Хотя нужно отметить, что при низких температурах данная не пойдет. Только при 300?C начинает образовываться небольшое количество воды, при 500?C происходит возгорание, а при 700?C - взрыв.
Если газ пропустить над накаленным оксидом меди, то медь восстановится - в результате получится красноватый металл. Для проведения этого опыта необходимо соблюдать правила безопасности и, желательно находится в соответствующих (в лаборатории).
Газ - это одно из наиболее широко используемых полезных ископаемых. Он применяется во многих областях жизнедеятельности человека в качестве топлива и позволяет выполнять задачи, которые были недостижимы ранее. Природный газ, также как уголь или нефть, добывается из земных недр при помощи специального оборудования. Он образовывался под действием высокой температуры и давления из остатков органических веществ животного происхождения на протяжении тысяч лет.
Довольно неоднороден, в зависимости от мест залегания и различных внешних факторов в него могут входить в разных количествах: азот, этан, бутан, пропан, водород, сероводород и т. д.
Как используют газ в современном мире?
В основном, газ используют как топливо для автомобилей, тепловых электростанций, горючее для обогрева жилых и складских помещений, а также для нагрева и приготовления пищи. Он широко применяется в химической и топливо-энергетической отраслях промышленности. Из-за доступной цены и абсолютной экологичности (газ считается самым безвредным в природе минеральным топливо) он используется как для бытовых, так и для промышленных нужд по всей планете.
Как используют природный газ в химической промышленности?
Применение природного газа в химической промышленности позволило синтезировать такие вещества, как полиэтилен, который ранее не существовал в природе. Кроме того, его используют в качестве сырья для создания разнообразных органических веществ: кислот, спирта, пластмасс, каучука и т. д.
Сам по себе природный газ не имеет запаха и цвета. Из-за данной особенности он не может использоваться в чистом виде, так как его утечка будет абсолютно незаметна. Чтобы обезопасить людей, в газ добавляют вещества, имеющие неприятный запах, такие, как этилмеркаптан.
Как транспортируют и где используют природный газ?
Природный из скважин, после чего его очищают от различных примесей, добавляют ароматизатор и подают в трубопровод под давлением в 75 атмосфер. Он перекачивается по газотранспортной системе до распределительных станций, от которых направляется к потребителям под значительно меньшим давлением.
Также существует способ сжижения природного газа, который позволяет транспортировать его с помощью специальных танкеров. Дальнейшее использование подобного газа ничем не отличается от предыдущего варианта. В порту газ выкачивается и подается в газотранспортную систему.
Природный газ - газообразные углеводороды, образующиеся в недрах земли. Его относят к полезным ископаемым, а составляющие используются в качестве топлива.
Свойства и состав природного газа
Природный газ горюч и взрывоопасен в соотношении примерно с 10% объемом воздуха. Он легче воздуха в 1,8 раз, бесцветен и не имеет запаха, эти свойства обусловлены высоким содержанием газообразных алканов (СН4 - С4Н10). В составе природного газа преобладает метан (СH4), он занимает от 70 до 98%, остальной объем заполнен его гомологами, углекислым газом, сероводородом, меркаптанами, ртутью и инертными газами.
Классификация природных газов
Существует всего 3 группы:
- Первая из них - почти исключающие содержание углеводородов с более чем двумя углеродными соединениями, так называемые сухие газы, получаемые исключительно в месторождениях, предназначенных только для добычи газов.
- Вторая - газы, добываемые одновременно с первичным сырьем. Это сухой, сжиженный газы и газовый бензин, смешанные между собой.
- К третьей группе относятся газы, состоящие из сухого газа и значительного объема тяжелых углеводородов, из коих выделяют бензиновые, лигроиновые и керосиновые. К тому же в составе присутствует незначительное количество других веществ. Добываются эти вещества из газоконденсатных месторождений.
Свойства составляющих веществ
Четыре первых члена гомологического ряда при обычных условиях - горючие газы, не обладающие цветом и запахом, взрывоопасны и горючи:
Метан
Первое вещество ряда алканов наиболее устойчиво к температурам. Оно малорастворимо в воде и легче воздуха. Горение метана в воздухе знаменуется появлением голубого пламени. Самый мощный взрыв происходит, при смешивании одного объема метана с десятью объемами воздуха. При других объемных соотношениях тоже происходит взрыв, но меньшей силы. Помимо этого, человеку может быть нанесен непоправимый вред при вдыхании газа высокой концентрации.
Метан может находиться в твердом агрегатном состоянии в виде газовых гидратов.
Применение:
Его используют в качестве промышленного топлива и сырья. Метан применяют для получения ряда важных продуктов - водорода, фреонов, муравьиной кислоты, нитрометана и многих других веществ. С помощью для производства метилхлорида и его гомологичных соединений, метан подвергают хлорированию. При незаконченном сгорании метана получается мелкодисперсный углерод:
CH4 + O2 = C + 2H2O
Формальдегид появляется посредством протекания реакции окисления, а при реакции с серой - сероуглерод.
Разлом углеродных связей метана под воздействием температур и тока реализует получение ацетилена, используемого в промышленности. Синильная кислота производится посредством окисления метана с аммиаком. Метан - производное водорода в генерации аммиака, а также получения синтез-газа происходит с его участием:
CH4 + H2O -> CO+ 3H2
Используемого для связки углеводородов, спиртов, альдегидов и других веществ. Метан активно используют в качестве горючего для транспортных средств.
Этан
Углеводород предельного ряда С2Н6 - это бесцветное вещество в газообразном состоянии, слабо освещающее при горении. Растворяется в спирте в отношении 3:2, как говорится, «подобное в подобном», но почти нерастворим в воде. При температуре свыше 600° С, в отсутствие ускорителя реакции этан разлагается на этилен и водород:
CH4 + H2O -> CO+ 3H2
Этан не используют топливной промышленности, основная цель его использования в промышленности - получение этилена.
Пропан
Этот газ плохо растворяется водой и является широко используемым видом топлива. Он производит много тепла при сгорании, практичен в использовании. Пропан - побочный продукт процесса kracking в нефтепромышленности.
Бутан
Имеет малую токсичность,специфический запах, обладает одурманивающими свойствами, вдыхание бутана вызывает асфиксию и сердечную аритмию, негативно влияет на нервную систему. Появляется при крекинге попутного нефтяного газа.
Применение:
Неоспоримыми достоинствами пропана являются низкая стоимость простота транспортировки. Пропан-бутановую смесь используют в качестве топлива в населенных пунктах, где не подведен природный газ, при обработке легкоплавких материалов с небольшой толщиной, вместо ацетилена. Пропан зачастую применим при заготовке сырья и переработке металлолома. В быту сферой необходимости является отопление помещений и приготовление пищи на газовых плитах.
Помимо предельных алканов в состав природного газа входят:
Азот
Азот состоит из двух изотопов 14A и 15A, используется для поддержания давления в скважинах при бурении. Для получения азота сжижают воздух и разделяют его разгонкой, этот элемент составляет 78% состава воздуха. В основном его используют для производства аммиака, из которого получают азотную кислоту, удобрения и взрывчатые вещества.
Диоксид углерода
Соединение, переходящее при атмосферном давлении из твердого (сухой лед) в газообразное состояние. Оно выделяется при дыхании живых существ, также содержится в минеральных источниках и воздухе. Диоксид углерода является пищевой добавкой, используется в баллонах огнетушителей и пневматическом оружии.
Сероводород
Очень токсичный газ - самый активный из серосодержащих соединений, а потому очень опасен для человека прямым воздействием на нервную систему. Бесцветный газ в нормальных условиях, характеризующийся сладковатым вкусом и отвратительным запахом протухших яиц. Хорошо растворим в этаноле, в отличие от воды. Из него получают серу, серную кислоту и сульфиты.
Гелий
Это уникальный продукт, медленно накапливающийся в коре Земли.Его получают методом глубокой заморозки содержащих гелий газов. В газообразном состоянии - инертный газ, не обладающий внешним выражением. Гелий в жидком состоянии, также не имеющая ни запаха, ни цвета, но может поражать живые тканей. Гелий не токсичный, не может взорваться или воспламениться, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает удушье. Его используют при работе с металлами и в качестве наполнителя воздушных шаров и дирижаблей.
Аргон
Благородный негорючий, не ядовитый, не имеющий вкусовых и цветовых качеств. Добывается как эскортный разделению воздуха на кислород и азот газ. Используется для вытеснения воды и кислорода, с целью продлить срок хранения продуктов питания, его также используют при сварке металлов и резке.
