Природний газ: формула. Хімічна формула газу. Всі види природного газу

Сьогодні відомо безліч різноманітних газів. Якісь із них людина отримує лабораторними способами, з хімічних речовин, якісь формуються самі в результаті реакцій в якості побічних продуктів. А які гази народжуються в природі? До основних таких газам природного, природного походження відносяться чотири:

• природний газ, формула якого СН₄;
• азот, N₂;
• водень, Н₂;
• вуглекислий газ, СО₂.

Звичайно, існують і деякі інші - кисень, сірководень, аміак, інертні гази, монооксид вуглецю. Однак перераховані вище є практично значущими для людей і використовуються ними в різних цілях, у тому числі як паливо.

Що таке природний газ?

Природним називається такий газ, який дає нам природа. Тобто той, зміст якого в надрах Землі набагато вище і більше, ніж то його кількість, що отримують в промисловості в результаті хімічних реакцій.

Загальноприйнято називати природним газом метан, проте це не зовсім так. Якщо розглянути склад такого газу по фракціях, то можна побачити наступний його компонентний склад:

• метан (до 96%) ;
• етан;
• пропан;
• бутан;
• водень;
• вуглекислий газ;
• азот;
• сірководень (малі, слідові кількості).

Таким чином, виходить, що природний газ - це суміш декількох газів природного походження.

Природний газ: формула

З хімічної точки зору природний газ являє собою суміш вуглеводнів лінійного простої будови - метану, етану, пропану і бутану. Але так як більший обсяг складає все ж метан, то прийнято загальну формулу природного газу висловлювати формулою безпосередньо метану. Так, виходить, що хімічна формула природного газу метану СН₄.

Інші компоненти мають наступні емпіричні формули в хімії:

• етан - С₂Н₆;
• пропан - С₃Н₈;
• бутан - С₄Н₁₀;
• вуглекислий газ - СО₂;
• азот - N₂;
• водень - Н₂;
• сірководень - H₂S.

Суміш таких речовин і є природним газом. Формула основного його сполуки метану показує, що вміст вуглецю в ньому дуже мало. Це позначається на його фізичні властивості, наприклад, таких як здатність горіти безбарвним, абсолютно некоптящем полум`ям. У той час як інші представники його гомологічного ряду (ряду граничних вуглеводнів або алканів) при горінні утворюють чорне закіптюжений полум`я.

Знаходження в природі

У природі даний газ зустрічається глибоко під землею, під товстими і щільними шарами осадових порід. Існує дві основні теорії походження природного газу в природі.

1. Теорія тектонічних рухів порід. Прихильники даної теорії вважають, що вуглеводні містяться в земних надрах завжди і піднімаються в результаті тектонічних рухів і скорочень вгору. Нагорі високий тиск і змінюється температура перетворюють їх в результаті хімічних реакцій в два природних корисних копалин - нафта і газ.
2. Биогенная теорія говорить про інше методі, в результаті якого утворився природний газ. Формула його відображає якісний склад - вуглець і водень, що говорить про те, що в його утворенні брали участь живі органічні істоти, тіла яких були здебільшого побудовані з цих елементів, як і все живе на нашій планеті, існуюче досі. З плином часу відмерлі рештки тварин і рослин опускалися все нижче на дно океану, туди, де не існувало ні кисню, ні бактерій, здатних розкласти і переробити цю органічну масу. В результаті анаеробного окислення відбувся розпад біомаси, і за мільйони років сформувалося два джерела корисних копалин - нафта і газ. При цьому основа і того й іншого однакова - це вуглеводні і частково низькомолекулярні речовини. Хімічна формула газу і нафти це доводить. Однак при впливі різних умов формуються і різні продукти: високий тиск і температура - газ, низькі показники - нафта.

На сьогоднішній день основними родовищами і запасами газу володіють такі країни, як Росія, США, Канада, Іран, Норвегія та Нідерланди.

За своїм агрегатним станом природний газ не завжди може міститися тільки в стані газу. Є кілька варіантів його конденсації:

1. Газ розчинений в молекулах нафти.
2. Газ розчинений в молекулах води.
3. Газ утворює тверді газогідрати.
4. За звичайних умов - газоподібне з`єднання.

Кожне з цих станів має своє родовище і є дуже цінним для людини.

Отримання в лабораторії та промисловості

Крім природних місць утворення газу, існує ряд способів отримати його в лабораторних умовах. Однак ці способи, безумовно, використовуються тільки для невеликих порцій продукту, так як економічно здійснювати синтез природного газу в лабораторії не вигідно.

Лабораторні способи:

1. Гідролізом низкомолекулярного сполуки - карбіду алюмінію: AL₄C₃ + 12H₂O = 3CH₄ + 4AL (OH)_3.
2. З ацетату натрію в присутності лугу: CH₃COOH + NaOH = CH₄ + Na₂CO_3.
3. З синтез-газу: CO + 3H₂ = CH₄ + H₂O.
4. З простих речовин - водню і вуглецю - при підвищеній температурі і тиску.

Хімічна формула природного газу відбивається формулою метану, тому всі реакції, характерні для алканів, характерні і для даного газу.

У промисловості метан отримують здобиччю з природних родовищ і подальшою переробкою по фракціях. Також одержуваний газ обов`язково потребує очищення. Адже формула природного газу метану показує тільки частина тих складових, що він містить. А для використання в побуті потрібен чистий газ, який не містить інших речовин, крім метану. Відокремлюваний етан, пропан, бутан та інші гази також знаходять широке застосування.

Фізичні властивості

Формула газу дає уявлення про те, якими фізичними властивостями він повинен володіти. Розглянемо, що ж це за характеристики.

1. Безбарвна речовина, що не має запаху.
2. Приблизна щільність варіюється в межах 0,7-1 кг / м^3.
3. Температура горіння 650⁰С.
4. Майже в два рази легший за повітря.
5. Теплота, що виділяється при згорянні одного кубічного метра газу, дорівнює 46 млн Джоулів.
6. У підвищених концентраціях (понад 15%) у повітрі газ дуже вибухонебезпечний.
7. При використанні в якості палива проявляє октанове число, рівне 130.

Чистий газ отримують тільки після проходження його через спеціальні очисні станції (установки), які споруджуються на місці видобутку викопного.

Застосування

Існує кілька основних областей застосування природного газу. Адже крім основної його складової, формула газу якій СН₄, використовуються і всі інші компоненти суміші.

1. Побутова сфера життя людей. Сюди відноситься газ для приготування їжі, опалення житлових будинків, палива для котелень і так далі. У газ, який використовується для приготування їжі, додають спеціальні речовини, що відносяться до групи меркаптанів. Робиться це для того, щоб у разі протікання труби або іншого упущення газу люди могли відчути його запах і вжити заходів. Суміш побутового газу (а це суміш пропану і бутану) надзвичайно вибухонебезпечна у великих концентраціях. Меркаптани ж роблять специфічним і неприємним на запах природний газ. Формула їх включає такі елементи, як сірка і фосфор, що й надає їм таку специфіку.

2. Хімічне виробництво. У даній сфері одним з головних початкових речовин для багатьох реакцій отримання важливих сполук є природний газ, формула якого показує, в яких синтезах він може брати участь:

• основа при виробництві пластмас, які є найпоширенішим сучасним матеріалом практично для всіх сфер промисловості;
• сировина при синтезі етініл, ціаністого водню і аміаку. Самі перераховані продукти надалі йдуть на виробництві багатьох синтетичних волокон і тканин, добрив і утеплювачів в будівництві;
• каучук, метанол, органічні кислоти - утворюються з метану та інших речовин. Знаходять застосування практично у всіх сферах людської жизни;
• поліетилен і багато інших з`єднань синтетичної природи отримали завдяки саме метану.

3. Використання як палива. Причому для будь-якого виду діяльності людини, починаючи від заправки відповідного типу настільних ламп і до роботи теплових електростанцій. Даний вид палива вважається екологічно правильним і доцільним на тлі всіх альтернативних способів. Однак при згорянні метан утворює вуглекислий газ, як будь-яке інше органічна речовина. А він, як відомо, причина парникового ефекту Землі. Тому перед людьми стоїть завдання пошуку ще більш чистого і якісного джерела теплової енергії.

Поки це всі основні джерела, які використовують природний газ. Формула його, якщо брати всі комплексні складові, показує, що він практично поновлюваний ресурс, тільки час для цього потрібно дуже багато. Нашій країні з запасами газу надзвичайно пощастило, адже такого кількість природного викопного вистачить на багато сотень років не тільки самої Росії, а й багатьом країнам світу через експорт.

Азот

Є складовою частиною нафтових і газових природних родовищ. Крім того, даний газ займає більшу частину обсягу в повітрі (78%), а також зустрічається у вигляді природних сполук селітр в літосфері.

Як проста речовина практично не використовується живими організмами азот. Формула його має вигляд N₂, або, з точки зору хімічних зв`язків, Nequiv-N. Наявність такої міцної зв`язку говорить про високу стабільність і хімічної інертності молекули при звичайних умовах. Саме це і пояснює можливість існування великої кількості цього газу у вільному вигляді в атмосфері.

У вигляді простої речовини азот здатний фіксуватися особливими організмами - бульбочкових бактерій. Вони потім переробляють в більш відповідну форму для рослин цей газ і таким чином здійснюють мінеральне живлення кореневих рослинних систем.

Є кілька основних сполук, у вигляді яких існує в природі азот. Формула їх наступна:

• оксиди - NO_2, N₂O, N₂O_5-
• кислоти - азотистая HNO₂ і азотна HNO₃ (Утворюються при грозових розрядах з оксидів в атмосфері повітря) ;
• селітри - KNO₃, NaNO₃ і так далі.

Людиною азот використовується не тільки у вигляді газу, але і в рідкому стані. Він має здатність переходити в рідкий стан при температурі нижче -170⁰С, що дозволяє застосовувати його для заморожування рослинних і тваринних тканин, багатьох матеріалів. Саме тому широке застосування рідкий азот знаходить в медицині.

Також азот є основою для отримання одного з головних своїх сполук - аміаку. Виробництво даної речовини багатотоннажних, так як воно дуже широко застосовується в побуті та промисловості (одержання каучуків, барвників, пластмас, синтетичних волокон, органічних кислот, лакофарбове виробництво, вибухові речовини і так далі).

Діоксид вуглецю

Яка формула речовини? Вуглекислий газ записується як СО₂. Зв`язок в молекулі ковалентная слабополярная, подвійні міцні хімічні сили між вуглецем і киснем. Це говорить про стабільність і інертності молекули при звичайних умовах. Даний факт підтверджується вільним існуванням вуглекислого газу в атмосфері Землі.

Ця речовина є складовою частиною природного газу і нафти, а також накопичується у верхніх шарах атмосфери планети, викликаючи так званий парниковий ефект.

Величезна кількість вуглекислого газу формується при згорянні будь-якого виду органічного палива. Будь то вугілля, дрова, газ або інше паливо, повне згоряння призводить до утворення води і цієї речовини.

Звідси і виходить, що накопичення його в атмосфері неминуче. Тому важливим завданням сучасного суспільства є пошук альтернативного, що дає мінімум парникового ефекту палива.

Водень

Ще одне попутне з`єднання, що зустрічається у складі природних корисних копалин, - це водень. Газ, формула якого - Н₂. Найлегше речовина з усіх відомих на сьогоднішній день.

Завдяки своїм особливим властивостям займає в періодичній системі два положення - серед лужних металів і галогенів. Маючи один електрон, здатний його як віддавати (Металеві властивості, відновні), так і приймати (неметалічні властивості, окислювальні).

Основна область використання - це екологічно чисте паливо, за яким вчені бачать майбутнє. Причини:

• необмежену кількість запасів цього газу;
• освіту в результаті горіння тільки води.

Однак повна технологія освоєння водню як джерела енергії потребує доопрацювання ще багатьох нюансів.

Формули для розрахунків маси, щільності та обсягу газів

У фізиці та хімії застосовуються кілька основних способів для розрахунків по газам. Так, наприклад, якщо мова йде про один із самих основних параметрів, таких як маса газу, формула для розрахунку буде наступною:

m = V * thorn-, де thorn- - це щільність речовини, а V - його об`єм.

Наприклад, якщо нам потрібно розрахувати масу природного газу обсягом 1 метр кубічний при нормальних умовах, то ми беремо стандартне середнє значення його щільності в довідкових матеріалах. Воно буде дорівнює 0,68 кг / м³. Тепер, коли ми знаємо обсяг і щільність газу, формула для розрахунку цілком задовольняє вимогам. Тоді:

m (CH₄) = 0,68 кг / м³ * 1 м³ = 0,68 кг, так як метри кубічні скорочуються.

Формула обсягу газу, навпаки, складається з показників маси та щільності. Тобто ми можемо висловити це значення з наведеної вище конфігурації:

V = m / thorn-, тоді при стандартних умовах обсяг 2 кг метану буде дорівнює: 2 / 0,68 = 2,914 м³.

Також у більш складних випадках (коли умови нестандартні) для розрахунку маси й обсягу газів використовують рівняння Менделєєва-Клапейрона, яке має вигляд:

p * V = m / M * R * T, де р - тиск газу, V - його об`єм, m і M - маса і молярна маса відповідно, R - універсальна газова постійна, рівна 8,314, Т - температура в Кельвіна.

Така формула обсягу газу дозволяє отримувати розрахунки вельми наближені до значення ідеального газу, який існує чисто гіпотетично і використовується для абстрактного поняття при вирішенні завдань у фізиці й хімії. Також розрахувати обсяг можна за рівнянням Бойля-Маріотта, яке має вигляд:

V = p_н* V_н* T / p * T_н , де значення з індексом н - це значення при нормальних стандартних умовах.

Щоб розрахунок був максимально точний і відповідав дійсності, необхідно враховувати такий параметр, як щільність газу. Формула для обчислення цього параметра поки ще питання спірне. Прийнято користуватися самої звичайної простої, яка має вигляд:

thorn- = m₀ * N, де m₀ - маса молекули (кг), а n - концентрація, одиниця виміру - 1 / м³.

Проте у ряді випадків необхідно використовувати інші, більш складні і повні розрахунки з декількома змінними для отримання точного і близького до ідеального результату.