Zemní plyn: obecný vzorec. Chemický vzorec plynu. Všechny typy zemního plynu

Dnes je známo mnoho různých plynů. Některé z nich obdrží člověk v laboratořích, z chemických látek, některé se tvoří v důsledku reakcí jako vedlejších produktů. A jaké plyny se rodily v přírodě? Hlavní plyny přírodního původu jsou čtyři:

• Zemní plyn, jehož vzorec je CH ₄ ;
• Dusík, N2;
• Vodík, vodík;
• Oxid uhličitý, CO ₂ .

Samozřejmě existují i jiné - kyslík, sirovodík, amoniak, inertní plyny, oxid uhelnatý. Uvedené údaje jsou však pro lidi prakticky významné a používají je pro různé účely, včetně jako palivo.

Co je zemní plyn?

Přírodní je ten druh plynu, který nám příroda dává. To je ten, jehož obsah v útrobách Země je mnohem vyšší a větší než množství, které v průmyslu získává v důsledku chemických reakcí.

Je obvyklé zavolat metan zemního plynu, ale to není úplně pravda. Pokud vezmeme v úvahu složení tohoto plynu frakcí, můžeme vidět jeho složení:

• Metan (až 96%);
• Ethan;
• Propan;
• Butan;
• Vodík;
• Oxid uhličitý;
• Dusík;
• Sírovodík (malé, stopové množství).

Zdá se tedy, že zemní plyn je směs několika plynů přírodního původu.

Přírodní plyn: Vzorec

Z chemického hlediska je zemní plyn směs jednoduchých lineárních uhlovodíků - metanu, ethanu, propanu a butanu. Ale vzhledem k tomu, že větší objem je stále methan, je běžnou praxí vyjádřit obecný vzorec zemního plynu vzorce přímo methanu. Takže se ukazuje, že chemický vzorec zemního plynu metan-CH4.

Zbývající komponenty mají v chemii následující empirické vzorce:

• Ethan - C2H6;
• Propan-C3H8;
• Butan-C _{4H 10} ;
• Oxid uhličitý - CO ₂ ;
• Dusík - N2;
• Vodík-H2;
• Sírovodík - H2S

Směs těchto látek je zemní plyn. Vzorec jeho hlavní metanové sloučeniny ukazuje, že obsah uhlíku v ní je velmi malý. To ovlivňuje jeho fyzikální vlastnosti, například schopnost hořet bezbarvým, zcela nekuřáckým plamenem. Zatímco jiní zástupci jeho homologních sérií (řada nasycených uhlovodíků nebo alkánů) tvoří během hoření černý kouřový plamen.

Bytí v přírodě

V přírodě se tento plyn nachází hluboko pod zemí pod hustými a hustými vrstvami sedimentárních hornin. Existují dvě hlavní teorie o původu zemního plynu v přírodě.

1. Teorie tektonických pohybů hornin. Zástupci této teorie se domnívají, že uhlovodíky jsou obsaženy ve vnitřním prostoru země a stále rostou v důsledku tektonických pohybů a rozříznutí. V horní části, vysoký tlak a měnící se teplota mění je v důsledku chemických reakcí na dva přírodní minerály - ropa a plyn.
2. Biogenní teorie hovoří o jiné metodě, která vedla k tvorbě zemního plynu. Jeho vzorec odráží kvalitativní složení - uhlík a vodík, což naznačuje, že jeho tvorba zahrnovala živé organické bytosti, jejichž těla byla většinou postavena z těchto prvků, stejně jako všechny živé věci na naší planetě, které existují dodnes. Po uplynutí času se mrtvé zbytky zvířat a rostlin snižovaly až k oceánské podlaze, kde nebyl žádný kyslík nebo bakterie schopné rozkládat a zpracovávat tuto organickou hmotu. V důsledku anaerobní oxidace se biomasa rozpadla a po dva miliony let vznikly dva zdroje minerálů - ropa a plyn. Současně je základem obojího stejného - uhlovodíky a částečně nízkomolekulární látky. Chemický vzorec plynu a oleje to dokazuje. Ovšem pod vlivem různých podmínek se vytvářejí různé produkty: vysoký tlak a teplota - plyn, nízké ukazatele - olej.

K dnešnímu dni jsou hlavními ložisky a zásobami plynu země jako Rusko, Spojené státy, Kanada, Írán, Norsko a Nizozemsko.

Podle souhrnného stavu nemůže být zemní plyn vždy obsažen pouze ve stavu plynu. Existuje několik možností kondenzace:

1. Plyn se rozpouští v molekulách oleje.
2. Plyn se rozpouští ve vodních molekulách.
3. Plyn tvoří hydráty pevného plynu.
4. Za normálních podmínek je plynná sloučenina.

Každý z těchto států má svůj vlastní vklad a je velmi cenný pro lidi.

Získání v laboratoři a průmyslu

Kromě přírodních míst tvorby plynu existuje řada způsobů, jak se dostat do laboratoře. Avšak tyto metody se samozřejmě používají pouze pro malé části produktu, protože není účelné ekonomicky realizovat syntézu zemního plynu v laboratoři.

Laboratorní metody:

1. Hydrolýza nízkomolekulárních sloučenin - karbid hliníku: AL ₄ C ₃ + 12H ₂ O = 3CH ₄ + 4AL (OH) _3.
2. Z octanu sodného v přítomnosti zásady: CH3COOH + NaOH = CH4 + Na2C03 _.
3. Ze syntézního plynu: CO + 3H2 = CH4 + H20.
4. Jednoduché látky - vodík a uhlík - při zvýšené teplotě a tlaku.

Chemický vzorec zemního plynu se odráží vzorcem methanu, proto jsou pro daný plyn charakteristické všechny reakce charakteristické pro alkány .

V průmyslu je metan extrahován z přírodních ložisek a dále zpracováván frakcemi. Také potřebný plyn musí být vyčištěn. Koneckonců vzorec methanového zemního plynu ukazuje pouze část těch složek, které obsahuje. A pro domácí použití potřebujete čistý plyn, který neobsahuje jiné látky, s výjimkou methanu. Oddělený ethan, propan, butan a další plyny mají také široké uplatnění.

Fyzikální vlastnosti

Vzorec plynu dává představu o tom, jaké fyzikální vlastnosti by měl mít. Zvažme, jaké jsou tyto vlastnosti.

1. Bezbarvá látka, která nemá vůni.
2. Přibližná hustota se pohybuje mezi 0,7-1 kg / m ^3.
3. Teplota spalování je 650 ^° C.
4. Téměř dvakrát tak lehčí než vzduch.
5. Teplo uvolněné spálením jednoho kubického metru plynu činí 46 milionů Joule.
6. Ve vysokých koncentracích (nad 15%) ve vzduchu je plyn velmi výbušný.
7. Při použití jako palivo vykazuje oktanové číslo 130.

Čistý plyn se získává pouze po průchodu přes speciální čistírny (zařízení), které jsou postaveny na místě těžby nerostných surovin.

Aplikace

Existuje několik hlavních oblastí využití zemního plynu. Vedle své hlavní složky se používá také plynový vzorec, z něhož se používá CH ₄ , všechny ostatní složky směsi.

1. Domácí oblast lidského života. To zahrnuje plyn pro vaření, topení obytných budov, palivo pro kotelny a tak dále. Do plynu, který se používá k vaření, přidejte speciální látky patřící do skupiny merkaptanů. To se děje tak, že v případě potrubí nebo jiného vynechání plynů mohou lidé cítit a působit. Směs domácího plynu (směs propanu a butanu) je při vysokých koncentracích extrémně výbušná. Merkaptany také způsobují, že zemní plyn je nepříjemný. Jejich vzorec obsahuje prvky jako síru a fosfor, které jim dávají tuto specifičnost.

2. Chemická výroba. V této oblasti je jednou z hlavních počátečních látek pro mnoho reakcí na získání důležitých sloučenin zemní plyn, jehož vzorec ukazuje, ve kterých syntézách se může účastnit:

• Základ pro výrobu plastů, které jsou nejběžnějším moderním materiálem pro téměř všechny průmyslové odvětví;
• Suroviny v syntéze ethanu, kyanovodíku a amoniaku. Výrobky samy vyrábějí v budoucnosti mnoho syntetických vláken a tkanin, hnojiv a ohřívačů;
• Kaučuk, methanol, organické kyseliny - se tvoří z methanu a dalších látek. Najdou uplatnění prakticky ve všech sférách lidského života;
• Polyetylen a mnoho dalších sloučenin syntetické povahy byly vyrobeny díky metanu.

3. Používejte jako palivo. A pro jakýkoli druh lidské činnosti, od doplňování vhodného typu stolních lamp a před provozem tepelných elektráren. Tento druh paliva je považován za ekologicky šetrný a účelný proti všem alternativním metodám. Během spalování však metan vytváří oxid uhličitý, stejně jako všechny ostatní organické látky. A je známo, že způsobuje skleníkový efekt Země. Proto jsou lidé konfrontováni s úkolem najít rovnoměrnější čistý a kvalitativní zdroj tepelné energie.

Zatím jsou to všechny hlavní zdroje, které využívají zemní plyn. Jeho vzorec, pokud vezmeme všechny složité složky, ukazuje, že je to prakticky obnovitelný zdroj, na to je zapotřebí jen velmi dlouhá doba. Naše země se zásobami plynu je nesmírně šťastná, protože takové množství přírodních fosilií stačí mnoho stovek let nejen pro samotné Rusko, ale také pro mnohé země světa prostřednictvím exportu.

Dusík

Je nedílnou součástí ložisek ropy a zemního plynu. Kromě toho tento plyn zaujímá většinu objemu ve vzduchu (78%) a také se vyskytuje jako přírodní sloučeniny nitrátu v litosféře.

Jako jednoduchá látka je dusík prakticky nepoužíván živými organismy. Jeho vzorec má formu N ₂ , nebo z hlediska chemických vazeb N≡N. Přítomnost takové silné vazby indikuje vysokou stabilitu a chemickou inertnost molekuly za normálních podmínek. To vysvětluje možnost existence velkého množství tohoto plynu ve volné formě v atmosféře.

Ve formě jednoduché látky může být dusík fixován speciálními organismy - uzlovými bakteriemi. Poté se zpracují do vhodnější formy pro rostliny tohoto plynu a tak provádějí minerální výživu kořenových rostlinných systémů.

Existuje několik základních sloučenin, které jsou ve formě přírodního dusíku. Jejich vzorec je následující:

• Oxidy - NO _2, N ₂ O, N ₂ O _5;
• Kyseliny - dusíkaté HNO ₂ a dusičnany HNO ₃ (vzniklé během vypouštění blesků z oxidů ve vzduchu);
• Nitrát - KNO ₃ , NaNO ₃ a tak dále.

Člověk používá dusík nejen ve formě plynu, ale také v kapalném stavu. Má schopnost jít do kapalného stavu při teplotě nižší než -170 ° C, což umožňuje jeho použití k zmrazení rostlinných a živočišných tkání, mnoha materiálů. To je důvod, proč se v medicíně široce používá tekutý dusík.

Také dusík je základem pro získání jedné z hlavních sloučenin - amoniaku. Výroba této látky je vícenásobná, protože je velmi rozšířená v každodenním životě a průmyslu (výroba kaučuků, barviv, plastů, syntetických vláken, organických kyselin, nátěrů a laků, výbušnin atd.).

Oxid uhličitý

Jaký je vzorec pro látku? Oxid uhličitý je zaznamenán jako CO ₂ . Vazba v molekule je kovalentní slabě polární, dvojité silné chemické síly mezi uhlíkem a kyslíkem. To indikuje stabilitu a inertnost molekuly za běžných podmínek. Tento fakt je potvrzen svobodnou existencí oxidu uhličitého v atmosféře Země.

Tato látka je nedílnou součástí zemního plynu a oleje a také se hromadí v horních vrstvách atmosféry planety, což způsobuje takzvaný skleníkový efekt.

Obrovské množství oxidu uhličitého se vytváří spalováním jakéhokoli druhu organického paliva. Zda uhlí, dřevo, plyn nebo jiná paliva, úplné spalování vede k tvorbě vody a této látky.

Z toho vyplývá, že jeho akumulace v atmosféře je nevyhnutelná. Důležitým úkolem moderní společnosti je tedy hledání alternativního paliva, které poskytuje minimální skleníkový efekt.

Vodík

Další náhodná sloučenina, která se vyskytuje ve složení přírodních minerálů, je vodík. Plyn, jehož vzorec je H2. Nejsnadnější složka všech známých.

Díky svým zvláštním vlastnostem zaujímá v periodické tabulce dvě pozice - mezi alkalickými kovy a halogeny. Má jeden elektron, je schopen dát (vlastnosti kovu, regenerativní) a brát (nekovové vlastnosti, oxidující).

Hlavní oblastí použití je palivo šetrné k životnímu prostředí, pro které vědci vidí budoucnost. Příčiny:

• Neomezené množství zásob tohoto plynu;
• Tvorba pouze vody v důsledku spalování.

Plná technologie rozvoje vodíku jako zdroje energie však vyžaduje dokončení mnoha dalších nuancí.

Vzorce pro výpočet hmotnosti, hustoty a objemu plynů

Ve fyzice a chemii se používá několik základních metod pro výpočet plynů. Takže například pokud mluvíme o jednom z nejzákladnějších parametrů, jako je hmotnost plynu, bude vzorec pro výpočet následující:

M = V * þ, kde þ je hustota hmoty a V je její objem.

Například, pokud potřebujeme vypočítat hmotnost zemního plynu o 1 m3 za normálních podmínek, pak ve srovnávacím materiálu použijeme standardní průměrnou hodnotu jeho hustoty. To bude rovno 0,68 kg / m ³ . Nyní, když známe objem a hustotu plynu, výpočetní vzorec plně splňuje požadavky. Pak:

M (CH4) = 0,68 kg / m ³ * 1 m ³ = 0,68 kg, protože se redukují krychlometry.

Vzorec pro objem plynu, naopak, se skládá z indexů hmotnosti a hustoty. To znamená, že můžeme tuto hodnotu vyjádřit z výše uvedené konfigurace:

V = m / þ, pak za standardních podmínek bude objem 2 kg methanu rovný: 2 / 0,68 = 2,914 m ³ .

Také v složitějších případech (když jsou podmínky nestandardní) se pro výpočet hmotnosti a objemu plynů používá Mendeleevova-Clapeyronova rovnice, která má podobu:

Kde P je tlak plynu, V je jeho objem, m a M jsou hmotnost a molární hmotnost, R je univerzální plynová konstanta rovnající se 8,314 a T je teplota v Kelvinu.

Takový vzorec objemu plynu umožňuje získat výpočty velmi blízké hodnotě ideálního plynu, který existuje čistě hypoteticky a používá se pro abstraktní pojetí při řešení problémů ve fyzice a chemii. Můžete také vypočítat hlasitost pomocí rovnice Boyle-Mariotte, která vypadá takto:

V = _pn * Vn * T / p * _Tn , kde hodnoty s indexem n jsou hodnoty za normálních standardních podmínek.

Aby byl výpočet co nejpřesnější a odpovídal skutečnosti, je třeba vzít v úvahu takový parametr jako hustota plynu. Vzorec pro výpočet tohoto parametru je stále kontroverzním problémem. Obvykle se používá nejběžnější jednoduchý, který vypadá jako:

Þ = m ₀ * n, kde m ₀ je hmotnost molekuly (kg) a n je koncentrace, měrná jednotka je 1 / m3.

V některých případech je však nutné použít jiné, složitější a úplnější výpočty s několika proměnnými, aby se dosáhlo přesného a blízkého ideálního výsledku.