Конспект урока: Природный газ

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

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

Решение

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

$CH_{4} + 2 O_{2} \rightarrow CO_{2} + 2 H_{2} O$,

$2 C_{2} H_{6} + 7 O_{2} \rightarrow 4 CO_{2} + 6 H_{2} O$,

$C_{3} H_{8} + 5 O_{2} \rightarrow 3 CO_{2} + 4 H_{2} O$.

2. Рассчитаем объёмы газов в смеси по формуле: 

$V_{\text{газа}} = \varphi * V_{\text{смеси}}$,

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.

$V(CH_4)=\varphi *V_{\text{смеси}}=0,97*100=97\text{ л}$

$V(C_2H_6)=\varphi *V_{\text{смеси}}=0,005*100=0,5\text{ л}$

$V(C_3H_8)=\varphi *V_{\text{смеси}}=0,01*100=1\text{ л}$

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

Для сгорания метана необходимо:  $V(O_2)=2*97\text{ л}=194\text{ л}$.

Для сгорания этана:  $V(O_2)=3,5*0,5\text{ л}=1,75\text{ л}$.

Для сгорания пропана:  $V(O_2)=5*1\text{ л}=5\text{ л}$.

4. Суммируем объёмы кислорода:

$V\left(O_2\right)_{\text{общий}}=200,75\text{ л}$.

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

$V_{\text{воздуха}}=\frac{200,75\text{ л}\cdot100\%}{21\%}=956\text{ л}$.

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:

$CH_{4} + 2 O_{2} \rightarrow CO_{2} + 2 H_{2} O$.

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 $\left(C_{5} H_{12}\right)$ 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.

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.

$CH_{4} + H_{2} O \rightarrow CO + 3 H_{2}$

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:

$nCO+(2n+1)H_2\overset{\text{кат}}{\rightarrow}C_{n}H_{2n+2}+nH_2O$.

Уравнение реакции получения октана и его изомеров:

$8CO+17H_2\overset{\text{кат}}{\rightarrow}C_8H_{18}+8H_2O$.

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

$CO+2H_2\overset{\text{кат}}{\rightarrow}CH_3OH$.

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 $( C ) :$

$CH_{4} \overset{t > 1000^{\circ} C}{\rightarrow} C + 2 H_{2} ;$

• ацетилен $( CH \equiv CH ) :$

$2 CH_{4} \overset{t = 1500 - 1600^{\circ} C}{\rightarrow} CH \equiv CH + 3 H_{2} .$

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

$CH_3-CH_3\overset{t,\text{кат}}{\rightarrow}CH_2=CH_2+H_2$,

$CH_3-CH_2-CH_3\overset{t,\text{кат}}{\rightarrow}CH_2=CH-CH_3+H_2$.

Образовавшиеся непредельные углеводороды идут на производство пластмасс, например полипропилена:

Каталитическим окислением бутана синтезируют уксусную кислоту:

Упражнение 1

Ответ: 1 181 л.

Упражнение 2

$2 CH_{4} + 3 O_{2} \rightarrow 2 CO + 4 H_{2} O$

$CH_{4} + O_{2} \rightarrow C + 2 H_{2} O$

Упражнение 3

$2 CH_{4} \overset{1500^{\circ} C}{\rightarrow} HC \equiv CH + 3 H_{2}$

$HC \equiv CH + 2 H_{2} \rightarrow H_{3} C - CH_{3}$

$2 C_{2} H_{6} + 7 O_{2} \rightarrow 4 CO_{2} + 6 H_{2} O$