Конспект урока: Природный газ

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 (Организации стран — экспортёров нефти), в России находится примерно четверть всех мировых запасов природного газа. Основные месторождения расположены в Западной Сибири (Уренгой, Нижневартовск, Сургут), на Урале (Альметьевск, Оренбург), на Северном Кавказе (Грозный), в Поволжье (Саратов) (рис. 1).

Рис. 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).

Таблица 1. Средний состав природного газа

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

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 другие негорючие газы?

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).

Рис. 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 $(CH \equiv CH) :$

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

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 реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

метан → ацетилен → 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

$2 {CH}_{4} \overset{1500 ° С}{\to} HC \equiv CH + 3 H_{2}$

$HC \equiv CH + 2 H_{2} \to H_{3} C - {CH}_{3}$

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