Метан

Характеристики и физические свойства метана

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Метан – простейший представитель класса предельных углеводородов (строение молекулы приведено на рис. 1). Это бесцветный легкий горючий газ, не имеющий запаха и почти нерастворимый в воде.

Температура его кипения равна -161,5^oС, температура затвердевания -182,5^oС. Смесь метана с воздухом крайне взрывоопасна (особенно в соотношении 1:10).

Рис. 1. Строение молекулы метана.

Получение метана

Метан довольно часто встречается в природе. Он является основной составной частью природного газа газовых месторождений (до 97%), в значительном количестве содержится в попутном нефтяном газе (выделяющемся при добыче нефти), а также в коксовом газе. Выделяется со дна болот, прудов и стоячих вод, где он образуется при разложении растительных остатков без доступа воздуха, почему метан получил также название болотного газа. Наконец, метан постоянно скапливается в каменноугольных шахтах, где его называют рудничным газом.

Синтетические способы получения метана показывают взаимосвязь неорганических веществ с органическими. Можно выделить промышленные (1, 2, 3) и лабораторные (4, 5) способы его получения:

C + 2H₂→CH₄ (kat = Ni, t⁰) (1);

CO + 3H₂→ CH₄ + H₂O (kat = Ni, t = 200 – 300^oC) (2);

CO₂ + 4H₂→ CH₄↑ + 2H₂O (kat, t⁰) (3);

Al₄C₃ + 12H₂O → CH₄↑ + 4Al(OH)₃ (4);

CH₃COONa + NaOH→ CH₄↑ + Na₂CO₃ (5).

Химические свойства метана

Метанпредставляет собой малореакционноспособное органическое соединение. Так, в обычных условиях он не реагирует с концентрированными кислотами, расплавленными и концентрированными щелочами, щелочными металлами, галогенами (кроме фтора), перманганатом калия и дихроматом калия в кислой среде.

Все химические превращения, характерныедля метана протекают с расщеплением cвязейC-H:

галогенирование (S_R)

CH₄ + Cl₂→ CH₃Cl + HCl (hν);

нитрование (S_R)

CH₄ + HONO_{2 (dilute)}→ CH₃-NO₂ + H₂O (t⁰);

сульфохлорирование (S_R)

CH₄ + SO₂ + Cl₂→ CH₃-SO₂Cl + HCl↑ (hν);

Различают каталитическое (в качестве катализаторов применяют соли меди и марганца) (1, 2, 3) и полное (сгорание) (4) окисление метана:

2CH₄ + O₂→ 2CH₃OH (p, t⁰) (1);

CH₄ + O₂→ HC(O)H + H₂O (NO, t⁰) (2);

2CH₄ + 3O₂→ 2HCOOH + 2H₂O (kat = Pt, t⁰) (3);

CH₄ + 2O₂→CO₂ + 2H₂O + Q (4).

Конверсию метана водяным паром и диоксидом углерода также можно отнести к способам его окисления:

CH₄ + H₂O →CO + 3H₂ (kat = Ni, t = 800^oC);

CH₄ + CO₂→ 2CO + 2H₂.

Крекинг метана – важнейший метод химической переработки нефти и её фракций с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы – смазочных масел, моторных топлив и т.д., а также сырья для химической и нефтехимической промышленности:

2CH₄→ HC≡CH + 3H₂ (t = 1500^oC).

Применение метана

Метан составляет сырьевую основу важнейших химических промышленных процессов получения углерода и водорода, ацетилена, кислородсодержащих органических соединений – спиртов, альдегидов, кислот.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Определите массу хлора, необходимого для хлорирования по первой стадии 11,2 л метана.

Решение

Запишем уравнение реакции хлорирования метана:

CH₄ + Cl₂ = CH₃Cl + HCl.

Найдем количество вещества метана:

n = V/ V_m;

n(CH₄) = V(CH₄) / V_m;

n(CH₄) = 11,2/22,4 = 0,5 моль.

Согласно уравнению реакции n(CH₄) :n(Cl₂) = 1:1, значит,количество моль хлора равно:

n(Cl₂) = n(CH₄) =0,5 моль.

Тогда, масса хлора будет равна (молярная масса – 71 г/моль):

m(Cl₂) = n(Cl₂) × M(Cl₂);

m(Cl₂)=0,5×71=35,5 г.

Ответ

Масса хлора равна 35,5 г.

ПРИМЕР 2

Задание

Рассчитайте объемы хлора и метана, приведенные к нормальным условиям, которые потребуются для получения тетрахлорида углерода массой 38,5 г.

Решение

Запишем уравнение реакции хлорирования метана до тетрахлорида углерода (реакция происходит под действием УФ-излучения):

CH₄ + 4Cl₂ = CCl₄ + 4HCl.

Рассчитаем количество вещества тетрахлорида углерода (молярная масса равна – 154 г/моль):

n = m / M;

n(CCl₄) = m (CCl₄) / M (CCl₄);

n(CCl₄) = 38,5 / 154 = 0,25 моль.

Согласно уравнению реакции n(CCl₄) : n(CH₄) = 1:1, т.е. n(CCl₄) = n(CH₄) = 0,25 моль. Тогда объем метана будет равен:

V = n × V_m;

V(CH₄) = n(CH₄) × V_m;

V(CH₄) = 0,25 × 22,4 = 5,6 л.

По уравнению реакции найдем количество вещества хлора. n(CCl₄) : n(Cl₂) = 1:4, т.е. n(Cl₂) =4 × n(CCl₄) = 4 × 0,25 = 1 моль. Тогда объем хлора будет равен:

V = n × V_m;

V(Cl₂) = n(Cl₂) × V_m;

V(Cl₂) = 1 × 22,4 = 22,4 л.