Все уроки по всем предметам школьной программы ФГОС

Природный газ

План урока

Месторождения природного газа в России
Состав природного газа
Применение природного газа в качестве топлива
Переработка природного газа

Цели урока

узнать о месторождениях природного газа в России
рассмотреть основные вещества в составе природного газа
рассмотреть особенности применения природного газа в качестве топлива
рассмотреть основные направления переработки природного газа
научиться решать задачи на нахождение объёмов газов по уравнениям химических реакций

Разминка

Назовите несколько представителей алканов. Какая общая формула у алканов?
Какие из алканов являются газами?
Как получают алканы в промышленности и в лаборатории?
Расскажите о применении метана, пропана и бутана.

Месторождения природного газа в России

По данным ОПЕК Россия обладает 24 % запасами природного газа на 2018 год. Основные месторождения находятся в Западной Сибири (Уренгой, Нижневартовск, Сургут), на Урале (Альметьевск, Оренбург), на Северном Кавказе (Грозный), на Поволжье (Саратов) (рис. 1).

Рисунок 1. Добыча природного газа на территории Российской Федерации

Состав природного газа

Основным компонентом природного газа является метан. Его содержание составляет от 80 до 98 % по объёму, но помимо метана в природном газе есть и другие вещества (таблица 1).

Формула компонента	${CH}_{4}$	$C_{2} H_{6}$	$C_{3} H_{8}$	$C_{4} H_{10}$	$C_{5} H_{12}$	$N_{2}$	$He$	${CO}_{2}$
Название	метан	этан	пропан	бутан	пентан	азот	гелий	углекислый газ
Природный газ (% по объёму)	88–95	3–8	0,7–2	0,2–0,7	0–0,5	0,3–3	0,01–0,5	0,6–2

Таблица 1. Средний состав природного газа

Наиболее ценным является природный газ с большим содержанием метана. Это месторождения в Ставрополе (97,8 % метана), Уренгое (95,16 %), Саратове (93,4 %).

Пример 1

Какой объём воздуха (при н. у.) необходим для сжигания 100 л природного газа, содержащего 97 % (по объёму) метана, 0,5 % этана, 1 % пропана, 1 % азота и 0,3 % углекислого газа?

Решение

1. Составим уравнения реакций горения метана, этана и пропана (азот, углекислый газ не горят):

${CH}_{4} + 2 O_{2} \to {CO}_{2} + 2 H_{2} O$ ,

$2 C_{2} H_{6} + 7 O_{2} \to 4 {CO}_{2} + 6 H_{2} O$ ,

$C_{3} H_{8} + 5 O_{2} \to 3 {CO}_{2} + 4 H_{2} O$ .

2. Рассчитаем объёмы газов в смеси по формуле:

$V_{г а з а} = φ * V_{с м е с и}$ ,

где φ(греческая буква «фи») — объёмная доля газа в смеси.

Для метана она равна 0,97, для этана 0,005, пропана 0,01, азота 0,01 и углекислого газа 0,003.

$V (C H_{4}) = φ * V_{с м е с и} = 0, 97 * 100 = 97 л$

$V (C_{2} H_{6}) = φ * V_{с м е с и} = 0, 005 * 100 = 0, 5 л$

$V (C_{3} H_{8}) = φ * V_{с м е с и} = 0, 01 * 100 = 1 л$

3. Рассчитаем объём кислорода, необходимого для сгорания 100 л смеси газов. Учитываем коэффициенты в уравнениях химических реакций.

Для сгорания метана необходимо: $V (O_{2}) = 2 * 97 л = 194 л$ .

Для сгорания этана: $V (O_{2}) = 3, 5 * 0, 5 л = 1, 75 л$ .

Для сгорания пропана: $V (O_{2}) = 5 * 1 л = 5 л$ .

4. Суммируем объёмы кислорода:

$V {(O_{2})}_{о б щ и й} = 200, 75 л$ .

5. Находим объём воздуха, помня, что в нём содержится 21 % кислорода (по объёму):

$V_{в о з д у х а} = \frac{200, 75 л * 100 %}{21 %} = 956 л$ .

Упражнение 1

Какой объём воздуха (при н. у.) необходим для сжигания 120 л природного газа, содержащего 95 % (по объёму) метана, 1 % этана, 2 % пропана, 0,5 % бутана, 0,5 % азота и 0,6 % углекислого газа?

Особенности применения природного газа в качестве топлива

Существует различное топливо: жидкое, твёрдое, газообразное (доменный и коксовый газы). Природный газ во много раз их превосходит по своим параметрам. При относительной дешевизне природного газа (самый экономичный вид топлива) его выгодно использовать в печах, котельных установках. В результате сгорания природного газа образуется минимальное количество вредных выбросов, поэтому этот вид топлива считается достаточно экологичным.

Достаточно вспомнить, что основной компонент природного газа - это метан, следовательно, при полном его сгорании образуется углекислый газ и пары воды:

${CH}_{4} + 2 O_{2} \to {CO}_{2} + 2 H_{2} O$ .

Метан, содержащийся в природном газе, содержит 75 % углерода по массе. В то время как у других компонентов природного газа этот процент выше. Например, в пентане $(C_{5} H_{12})$ он составляет 83 %. А мы помним, что чем больше массовая доля, тем больше образуется сажи и копоти при сгорании топлива.

Благодаря перечисленным факторам природный газ вытесняет каменный уголь с мирового топливного рынка. Всё больше стран переходят на природный газ. Для транспортировки строятся газопроводы. Россия является лидером по добыче природного газа в мире.

Природный газ не обладает запахом, поэтому его утечку на предприятиях и шахтах определяют с помощью специальных датчиков. В быту в газ добавляют особые пахучие вещества, имеющие сильный неприятный запах (одоранты). Чаще всего это этилмеркаптан.

Соблюдение правил техники безопасности обязательно при работе с газовыми плитами и другим бытовыми приборами, содержащими природный газ или его компоненты.

Упражнение 2

Напишите уравнения химических реакций неполного сгорания метана с образованием угарного газа (в первом случае) и сажи (во втором случае).

Переработка природного газа

Природный газ является ценным сырьём для химической промышленности. Из него получают сажу, ацетилен, этилен, водород, уксусную кислоту, различные пластмассы, красители и другие продукты (рис. 2).

Рисунок 2. Применение природного газа

Разберём подробнее основные направления синтеза веществ из природного газа.

Конверсия метана

Метан нагревают с водяным паром. При этом образуются оксид углерода (II) и водород в отношении 1 : 3.

${CH}_{4} + H_{2} O \to CO + 3 H_{2}$

Полученную смесь называют синтез-газом $(CO + H_{2}),$ так как впоследствии из него синтезируют углеводороды, содержащие от 6 до 12 атомов углерода. Получается синтетически созданный бензин.

Общее уравнение реакции:

$nCO + (2 n + 1) H_{2} \overset{кат}{\to} C_{n} H_{2 n + 2} + {nH}_{2} O$ .

Уравнение реакции получения октана и его изомеров:

$8 CO + 17 H_{2} \overset{кат}{\to} C_{8} H_{18} + 8 H_{2} O$ .

Кроме этого, из синтез-газа получают спирт метанол $({CH}_{3} OH) :$

$CO + 2 H_{2} \overset{кат}{\to} {CH}_{3} OH$ .

Пиролиз метана

С пиролизом метана мы уже встречались в теме «Алканы». Напомним, что это термическое разложение вещества.

В промышленности в результате пиролиза из метана получают:

сажу $(C) :$

${CH}_{4} \overset{t > 1000 ° С}{\to} C + 2 H_{2};$

ацетилен $(CH \equiv CH) :$

$2 {CH}_{4} \overset{t = 1500 - 1600 ° С}{\to} CH \equiv CH + 3 H_{2};$

этилен $({CH}_{2} = {CH}_{2}) :$

$2 {CH}_{4} \overset{t = 1200 ° С, кат}{\to} {CH}_{2} = {CH}_{2} + 2 H_{2} ↑$ .

Из этана и пропана, которые содержатся в природном газе, синтезируют этен и пропен реакцией дегидрирования:

${CH}_{3} - {CH}_{3} \overset{t, кат}{\to} {CH}_{2} = {CH}_{2} + H_{2}$ ,

${CH}_{3} - {CH}_{2} - {CH}_{3} \overset{t, кат}{\to} {CH}_{2} = CH - {CH}_{3} + H_{2}$ .

Образовавшиеся непредельные углеводороды идут на производство пластмасс, например, полипропилена:

Каталитическим окислением бутана синтезируют уксусную кислоту:

Упражнение 3

Напишите уравнения химических реакций получения синтез-газа, ацетилена и сажи из метана.

Упражнение 4

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

метан → этилен → этан → углекислый газ.

Формулы веществ записывайте структурно.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные вещества, входящие в состав природного газа.

2. Назовите крупные месторождения природного газа в России.

3. Что такое конверсия метана? Зачем её проводят?

4. Какие вещества получают из метана?

Ответы

Упражнение 1

Ответ: 1 181 л.

Упражнение 2

$2 {CH}_{4} + 3 O_{2} \to 2 CO + 4 H_{2} O$

${CH}_{4} + O_{2} \to C + 2 H_{2} O$

Упражнение 3

${CH}_{4} + H_{2} O \to CO + 3 H_{2}$

$2 {CH}_{4} \overset{t = 1500 - 1600 ° С}{\to} CH \equiv CH + 3 H_{2}$

${CH}_{4} \overset{t > 1000 ° С}{\to} C + 2 H_{2}$

Упражнение 4

$2 {CH}_{4} \overset{t = 1200 ° С, кат}{\to} {CH}_{2} = {CH}_{2} + 2 H_{2} ↑$

${CH}_{2} = {CH}_{2} + H_{2} \overset{t ° С, кат}{\to} {CH}_{3} - {CH}_{3}$

$2 C_{2} H_{6} + 7 O_{2} \to 4 {CO}_{2} + 6 H_{2} O$

Конспект урока: Природный газ

Предельные углеводороды