Формула природного газа

Определение и формула природного газа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Природный газ представляет собой смесь углеводородов с низкой молекулярной массой. Он имеет следующий примерный состав (по объему): 80-98% метана, 2-3% его ближайших гомологов – этана, пропана, бутана и небольшое количество примесей – сероводорода, азота, благородных газов, оксида углерода (IV) и паров воды.

Так, например, газ Ставропольского месторождения содержит 97,7% метана и 2,3% прочих газов, газ Саратовского месторождения – 93,4% метана, 3,6% этана, пропана, бутана и 3% негорючих газов.

К природным газам относятся и так называемые попутные газ, которые обычно растворены в нефти и выделяются при её добыче. В попутных газах содержится меньше метана, но больше этана, пропана, бутана и других высших углеводородов. Кроме того, в них присутствуют в основном те же примеси, что и в других природных газах, не связанных с залежами нефти, а именно: сероводород, азот, благородные газы, пары воды, углекислый газ.

Поскольку в природном газе содержится более 90% метана, то рассмотрим формулу именно этого соединения.

Химическая формула природного газа

Химическая формула метана CH₄. Она показывает, что в состав данной молекулы входят один атом углерода (Ar = 12 а.е.м.) и четыре атома водорода (Ar = 1 а.е.м.). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу метана:

Mr(CH₄) = Ar(C) + 4×Ar(H);

Mr(CH₄) = 12 + 4×1 = 12 + 4 = 16

Графическая (структурная) формула природного газа

Структурная (графическая) формула метана является более наглядной. Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы (рис. 1).

Рис. 1. Графическая формула метана.

Атом углерода в молекуле метана находится в sp³ –гибридизации. Углы между связями в молекуле метана равны 109,5⁰ (рис. 2).

Рис. 2. Пространственное изображение молекулы метана.

Электронная формула природного газа

Молекула метана в общем виде соответствует формуле AB₄. Центральный атом – атом углерода, атомы водорода – лиганды. Запишем электронную конфигурацию атома углерода в основном состоянии и зарисуем его электронно-графическую формулу:

₆С 1s²2s²2p²

Чтобы принять четыре атома водорода, атому углерода необходимо перейти в возбужденное состояние:

Аналогичные операции произведем для атома водорода:

₁H 1s¹

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

При сгорании 7 г органического вещества получили 11,2 л (н.у.) CO₂ и 9 г H₂O. Относительная плотность вещества по кислороду равна 1,313. Найдите молекулярную формулу вещества.

Решение

Составим схему реакции сгорания органического соединения обозначив количество атомов углерода, водорода и кислорода за «x», «у»и «z» соответственно:

C_xH_yO_z →CO₂ + H₂O

Определим массы элементов, входящих в состав этого вещества. Значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: Ar(C) = 12 а.е.м., Ar(H) = 1 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.

m(C) = n(C)×M(C) = n(CO₂)×M(CO₂) = [V(CO₂) / V_m]×M(CO₂);

m(H) = n(H)×M(H) = 2×n(H₂O)×M(H) = [2×n(H₂O) / M(H₂O)]×M(H)

Рассчитаем молярные массы углекислого газа и воды. Как известно, молярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (M = Mr):

M(CO₂) = Ar(C) + 2×Ar(O) = 12+ 2×16 = 12 + 32 = 44 г/моль;

M(H₂O) = 2×Ar(H) + Ar(O) = 2×1+ 16 = 2 + 16 = 18 г/моль

Тогда,

m(C) = [11,2 / 22,4]×44 = 6 г;

m(H) = [2×9 / 18] ×1 = 1 г

Определим химическую формулу соединения как C_xH_y:

x:y = m(C)/Ar(C) : m(H)/Ar(H);

x:y =6/12 :1/1;

x:y = 0,5 : 1 = 1: 2

Значит простейшая формула соединения CH₂и молярную массу 14 г/моль [M(CH₂) = Ar(C) + 2×Ar(H)= 12 + 2×1 = 14 г/моль].

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по кислороду:

M_substance = M(O₂) × D(O₂)_;

M_substance = 32 × 1,313 = 42 г/моль

Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс:

M_substance / M(CH₂) = 42 / 14 = 3

Значит индексы атомов углерода и водорода должны быть в 3 раза выше, т.е. формула вещества будет иметь вид C₃H₆.

Ответ

C₃H₆

ПРИМЕР 2

Задание

Найдите молекулярную формулу вещества, если плотность его паров по водороду равна 67,5, а состав выражается следующими массовыми долями элементов: 23,7% серы, 23,7% кислорода, 52,6% хлора.

Решение

Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:

ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%

Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (сера), «у» (хлор) и «z» (кислород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел):

x:y:z = ω(S)/Ar(S) : ω(Cl)/Ar(Cl) : ω(O)/Ar(O);

x:y:z= 23,7/32 : 52,6/35,5 : 23,7/16;

x:y:z= 0,74 : 1,48:1,48 = 1 : 2: 2

Значит простейшая формула соединения серы, хлора и кислорода будет иметь вид SCl₂O₂ и молярную массу 135г/моль[M(SCl₂O₂) = Ar(S) + 2×Ar(Cl) + 2×Ar(O) = 32 + 2×35,5 + 2×16 = 32 + 71 + 32 = 135г/моль].

Значение молярной массы органического вещества можно определить при помощи его плотности по водороду:

M_substance = M(H₂) × D(H₂)_;

M_substance = 2 × 67,5 = 135 г/моль

Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс:

M_substance / M(SCl₂O₂) = 135 / 135 = 1

Значит формула соединения серы, хлора и кислорода имеет вид SCl₂O₂.