/

Титан период. Титан и его сплавы

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.

Атом углерода в молекуле метана находится в состоянии sp3- гибридизации.В результате перекрывания четырёх гибридных орбиталей атома углерода с s-орбиталями атомов водоорда образуется весьма прочная молекула метана.
Метан-газ без цвета и запаха,легче воздуха,малорастворим в воде.Предельные углеводороды способны гореть,образуя оксид углерода (IV) и воду.Метан горит бледным синеватым пламенем: CH4+2O2=2H2O
В смеси с воздухом (или с кислородом,особенно в соотношении по объему 1:2, что видно из уравнения реакции) метан образует взрывчатые смеси.Поэтому он опасен как в быту (утечка газа через краны),так и в шахтах.При неполном сгорании метана образуется сажа.Так её получают в промышленных условиях.В присутствии катализаторов при окислении метана получают метиловый спирт и формальдегид
При сильном нагревании метан распадается по уравнению:CH4=C+2H2
В печах специальной конструкции распад метана может быть осуществлён до промежуточного продукта-ацителена:
2CH4=C2H 2+3H2
Для метана характерны реакции замещения.На свету или обычной температуре галогены-хлор и бром-постепенно (по стадиям) вытесняют из молекулы метана водород,образуя так называемые галогенопроизводные.Атомы хлора замещяют атомы водорода в ней с образованием смеси различных соединенний:
CH3Cl-хлорметана (хлористого метила),CH2Cl2-дихлорметана,CHCl3-трихлорметана,CCl4-тетрахлорметана
Из этой смеси каждое соединение может быть выделено.Важное значение имеют хлороформ итетрахлорметан как растворители смол,жиров,каучука и других органических веществ.
Образование галогенопроизводных метана протекают по цепному свободнорадикальному механизму.Под действием света молекулы хлора распадаются на неорганические радикалы:Cl2=2Cl
Неорганический радикал Cl отрывает от молекулы метана атом водорода с одним электроном,образуя HCl и свободный радикал CH3 H H
H:C_| H+Cl=H:C +HCl
H| H
Cвободный радикал взаимодействует с молекулой хлора Cl2 ,образуя галогенопроизводное и радикал хлора:
CH3+Cl_| Cl=CH3-Cl+Cl
Метан при обычной температуре обладает большей стойкостью к кислотам,щелочам и многим окислителям.Однако он вступает в реакцию с азотной кислотой:
CH4+HNO3=CH3NO2 +H2O
нитрометан
Метан не способен к реакциям присоединения,поскольку в его молекуле все валентности насыщены.
Приведенные реакции замещения сопровождаются разрывом связей C-H.Однако известны процессы,при которых происходит не только расщепление связей C-H,но и разрыв цепи углеродных атомов (у гомологов метана).Эти реакции протекают при высоких температурах и в присутствии катализаторов.Например:
C4H10+H2 -процесс дегидрогенизации
C4H10-|
C2H6 + C2H4-крекинг

Получение метана.
Метан широко распространён в природе.Он является главной составной частью многих горючих газов как природных (90-98%),так и искусственных,выделяющихся при сухой перегонке дерева,торфа,каменного угля,а также при крекинге нефти
Метан выделяется со дна болот и из каменноугольных пластов в рудниках,где он образуется при медленном разложении растительных остатков без доступа воздуха,Поэтому метан часто называют болотным газом или рудничным газом
В лабороторных условиях метан получают при нагревании смесси ацетата натрия с гидроксидом натрия:
200 *C
CH3|COONa +NaO|H=Na2CO3 + CH4|
или при взаимодействии карбида алюминия с водой:
Al4C3 +12H2O=4Al(OH)3 +3CH4|
В последнем случае метан получается весьма чистым.
Метан может быть получен из простых веществ при нагревании в присутствии катализатора: Ni
C+2H2=CH4

А также синтезом на основе водяного газа
Ni
CO+3H2 =CH4 +H2O
Гомологи метана,как и метан,в лабораторных условиях получают прокаливанием солей соответствующих органических кислот с щелочами.Другой способ-реакция Вюрца, т.е. нагревание моногалогенопроизводных с металлическим натрием,например
C2H5 |Br+2Na+Br|C2H5= C2H5-C2H5+2NaBr

В технике для получения синтетического бензина (смесь углеводородов,содержащих 6-10 атомов углерода) применяют синтез из оксида углерода (II) и водорода в присутствии катализатора (соединения кобальта) и при повышенном давлении.Процесс можно выразить уравнением:
200*С
nCO+(2n+1)H2=CnH2n+2+nH2O

Применение алканов
Благодаря большой теплотворной способности метан в больших количествах расходуется в качестве топлива (в быту-бытовой газ и в промешленности.Широко применяются получаемые из него вещества:водород,ацителен,сажа.Он служит исходным сырьём для получения формальдегида,метилового спирта,а также различных синтетических продуктов
Большое промышленное значение имеет окисление высших предельных углеводородов-парафинов с числом углеродных атомов 20-25.Этим путём получают синтетические жирные кислоты с различной длиной цепи,которые используются для производства мыл,различных моющих средств,смазочных материалов,лаков и эмалей.
Жидкие углеводороды используются как горючее (они входят в состав бензина и керосина).Алканы широко используются в органическом синтезе.

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


Поделиться