Граничні, вуглеводні ряду метану (алкани)

Алкани, або парафіни - аліфатичні граничні вуглеводні, в молекулах яких атоми вуглецю пов'язані між собою s -зв'язком. Валентності вуглецевого атома, що залишилися, не витрачені на зв'язок з іншими атомами вуглецю, повністю насичені воднем. Тому граничні вуглеводні містять у молекулі максимальну кількість водневих атомів.

Вуглеводні ряду алканів мають загальну формулу. C n H 2n+2. У таблиці представлені деякі представники низки алканів та їх деякі фізичні властивості.

Формула	Назва	Назва радикала	Т пл. 0 С	Т кіп. 0 С
CH 4	метан	метил
C 2 H 6	етан	етил
C 3 H 8	пропан	пропив
C 4 H 10	бутан	бутіл
C 4 H 10	ізобутан	ізобутил
C 5 H 12	пентан	пентил
C 5 H 12	ізопентан	ізопентіл
C 5 H 12	неопентан	неопентіл
C 6 H 14	гексан	гексил
C 7 H 16	гептан	гептил
C 10 H 22	декан	децил
C 15 H 32	пентадекан
C 20 H 42	ейкозан

З таблиці видно, що ці вуглеводні відрізняються один від одного кількістю груп - СН 2 -. Такий ряд подібних за будовою, що мають близькі хімічні властивості і відрізняються один від одного числом даних груп називається гомологічним рядом. А речовини, що його складають, називаються гомологами .

Тренажер №1 - Гомологи та ізомери

Тренажер №2. - Гомологічний ряд граничних вуглеводнів

Фізичні властивості

Перші чотири члени гомологічного ряду метану – газоподібні речовини, починаючи з пентану – рідини, а вуглеводні з числом вуглецевих атомів 16 і вище – тверді речовини (при звичайній температурі). Алкани - неполярні сполуки і важко поляризуються. Вони легші за воду і в ній практично не розчиняються. Чи не розчиняються також в інших розчинниках з високою полярністю. Рідкі алкани – хороші розчинники для багатьох органічних речовин. Метан та етан, а також вищі алкани не мають запаху. Алкани – горючі речовини. Метан горить безбарвним полум'ям.

Отримання алканів

Для отримання алканів використовують переважно природні джерела.

Газоподібні алкани одержують із природного та попутних нафтових газів, а тверді алкани - з нафти. Природною сумішшю твердих високомолекулярних алканів є гірський віск -природний бітум.

1. З простих речовин:

n C + 2 nН 2 500 °С, кат →З nН 2 n + 2

2. Дія металевого натрію на галогенопохідні алканів- реакція О.Вюрца:

2CH 3 -Cl + 2Na → CH 3 -CH 3 + 2NaCl

Хімічні властивості алканів

1. Реакції заміщення - Галогенування (Стадійно)

CH 4 + Cl 2 hν → CH 3 Cl (хлорметан) + HCl (1 стадія);

метан

CH 3 Cl + Cl 2 hν→ CH 2 Cl 2 (дихлорметан) + HCl (2 стадія);

H 2 Cl 2 + Cl 2 hν → CHCl 3 (трихлорметан) + HCl (3 стадія);

CHCl 3 + Cl 2 hν → CCl 4 (хлорметан) + HCl (4 стадія).

2. Реакції горіння (горять світлим полум'ям, що не коптить)

C n H 2n+2 + O 2 t → nCO 2 + (n+1)H 2 O

3. Реакції розкладання

а) Крекінгпри температурі 700-1000°З розриваються (-С-С-) зв'язку:

C 10 H 22 → C 5 H 12 + C 5 H 10

б) Піролізпри температурі 1000°С розриваються всі зв'язки, продукти – С (сажа) та Н 2:

З H 4 1000°С → C + 2 H 2

Застосування

· Граничні вуглеводні знаходять широке застосування у найрізноманітніших сферах життя та діяльності.

· Використання як паливо – в котельних установках, бензин, дизельне паливо, авіаційне паливо, балони з пропан-бутановою сумішшю для побутових плит

· Вазелін використовується в медицині, парфумерії, косметиці, вищі алкани входять до складу мастил, з'єднання алканів застосовуються як холодоагенти в домашніх холодильниках.

· Суміш ізомерних пентанів і гексанів називається петролейним ефіром і застосовується як розчинник. Циклогексан також широко застосовується як розчинник і для синтезу полімерів.

· Метан використовується для виробництва шин та фарби.

· Значення алканів у світі величезна. У нафтохімічній промисловості граничні левороди є базою для отримання різноманітних органічних сполук, важливою сировиною у процесах отримання напівпродуктів для виробництва пластмас, каучуків, синтетичних волокон, миючих засобів та багатьох інших речовин. Велике значення в медицині, парфумерії та косметиці.

Завдання для закріплення

№1. Складіть рівняння реакцій горіння етану та бутану.

№2. Складіть рівняння реакцій одержання бутану з наступних галогеналканів:

CH 3 - Cl (хлорметан) та C 2 H 5 - I (йодетан).

№3. Здійсніть перетворення за схемою, назвіть продукти:

C→CH4→CH3Cl→C2H6→CO2

№4. Виріши кросворд

По горизонталі:

1. Алкан, що має молекулярну формулу 3 Н 8 .
2. Найпростіший представник граничних вуглеводнів.
3. Французький хімік, ім'я якого носить реакція одержання вуглеводнів з довшим вуглецевим ланцюгом взаємодією галогенопохідних граничних вуглеводнів з металевим натрієм.
4. Геометрична фігура, яку нагадує просторова будова молекули метану.
5. Трихлорметан.
6. Назва радикала З 2 Н 5 -.
7. Найбільш характерний вид реакцій для алканів.
8. Агрегатний стан перших чотирьох представників алканів за нормальних умов.

Якщо ви правильно відповіли на запитання, то у виділеному стовпці по вертикаліотримайте одну з назв граничних вуглеводнів. Назвіть це слово?

Метан - природний горючий газ, що зустрічається в осадовому чохлі земної кори у вигляді вільних скупчень, в розчиненому (у нафті, пластових і поверхневих водах), розсіяному, сорбованому (породами та органічною речовиною) та твердому (газогідратному) станах.

Мал. 1

Мал. 2 - Структурно-молекулярна формула метану.

Є найпростішим вуглеводнем, є безбарвним газом без запаху, який горить блідим синюватим полум'ям. Є найбільш стійким та інертним вуглеводнем за рахунок відсутності вуглецевого зв'язку (С-С). За своїми властивостями малорозчинний у воді та легший за повітря.

На 90-95% метан має природне походження, але також є антропогенні джерела його виділення: рисові поля, тваринництво, сміттєзвалища, видобуток вугілля, втрати у нафтогазовій галузі, горіння біомаси тощо. У газових родовищах 99% чистого, сухого газу, а гази нафтових свердловин містять, крім метану, 10-40% вищих гомологів - пропану, бутану, пентану та гексану (мокрий або жирний газ).

Є вкрай вибухонебезпечним при концентрації повітря від 4,4% до 17%. Найбільш вибухонебезпечна концентрація 9,5%. Найчастіше є наркотиком; дія послаблюється нікчемною розчинністю у воді та крові. Належить до четвертого класу небезпеки (малонебезпечні речовини).

Класифікація метану за походженням:

Біогенний – виникає внаслідок хімічної трансформації органічної речовини. Наприклад, бактеріальний (мікробний) метан утворюється в результаті діяльності бактерій, а термогенний виникає при термохімічних процесах, в осадових породах при зануренні на 3-10 км, в умовах високих температур і тисків.

Абіогенний - що виникає в результаті хімічних реакцій неорганічних сполук, частіше на великих глибинах у мантії землі.

В атмосферу метан потрапляє від природних та антропогенних джерел. Серед природних джерел це – болота, тундра, водоймища, комахи (терміти), метангідрати, геохімічні процеси. До антропогенних відносять – рисові поля, шахти, втрати при видобутку нафти та газу, тваринництво, горіння біомаси, звалища.

Види виділення метану:

Звичайне - безперервне і рівномірне виділення з невидимих ​​тріщин і пір вугільного пласта та порід. Зафіксувати можна лише приладами.

Суфлярне - місцеве інтенсивне виділення газу з великих тріщин у вугільному пласті та породах, що супроводжується шипінням, свистом, тиском, діє тижні, місяці.

Раптове виділення - бурхливе виділення великої кількості метану, що супроводжується усуненням порід або вугілля на певну відстань від вибою. Газу метану може виділитися сотні та тисячі м 3 .

Джерела метану та його одержання.

На 90–95% метан має біологічне походження. Травоїдні копитні тварини, такі як корови та кози, випускають п'яту частину річного викиду метану: його виробляють бактерії у їхніх шлунках. Іншими важливими джерелами є терміти, рис-сирець, болота, фільтрація природного газу (це продукт минулого життя) і фотосинтез рослин. Вулкани вносять у загальний баланс метану Землі менше 0,2%, але джерелом цього газу може бути організми минулих епох. Промислові викиди метану незначні. Таким чином, виявлення метану на планеті типу Землі вказує на наявність там життя.

Метан утворюється при термічній переробці нафти та нафтопродуктів (10-57% за обсягом), коксуванні та гідруванні кам'яного вугілля (24-34%). Лабораторні способи одержання: сплавлення ацетату натрію з лугом, дія води на метилмагнійіодид або на карбід алюмінію.

У лабораторії отримують нагріванням натронного вапна (суміш гідроксидів натрію та калію) або безводного гідроксиду натрію з оцтовою кислотою. Для цієї реакції важлива відсутність води, тому використовується гідроксид натрію, так як він менш гігроскопічний.

Використання метану.

Метан – найбільш термічно стійкий насичений вуглеводень. Його широко використовують як побутове та промислове паливо та як сировину для промисловості. Так, хлоруванням метану виробляють метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, чотирихлористий вуглець.

При неповному згорянні метану одержують сажу, при каталітичному окисненні - формальдегід, при взаємодії із сіркою - сірковуглець.

Термоокисний крекінг та електрокрекінг метану - важливі промислові методи отримання ацетилену.

Каталітичне окислення суміші метану з аміаком є ​​основою промислового виробництва синильної кислоти.

Метан використовують як джерело водню у виробництві аміаку, а також для одержання водяного газу (т.зв. синтез-газу):

CH4 + H2O > CO + 3H2,

застосовуваного для промислового синтезу вуглеводнів, спиртів, альдегідів та ін.

Важливе похідне метану – нітрометан.

У наш час метан широко використовується як моторне паливо для автомобілів. Однак щільність природного метану в тисячу разів нижча за щільність бензину. Тому якщо заправляти автомобіль метаном при атмосферному тиску, то для рівної з бензином кількості палива знадобиться бак в 1000 разів більше. Щоб не возити величезний причіп із паливом, необхідно збільшити щільність газу. Це можна досягти стиском метану до 20-25 МПа (200-250 атмосфер). Для зберігання газу у такому стані використовуються спеціальні балони, що встановлюються на автомобілях.

Метан відносять до парникових газів, оскільки підвищення його вмісту в атмосфері сприяє розвитку парникового ефекту. Метан у кілька разів легший за повітря і має сильніший парниковий ефект, ніж вуглекислий газ, тому поряд з іншими шкідливими речовинами був занесений до списку речовин, що регламентується Рамковою Конвенцією ООН про зміну клімату та Кіотським протоколом щодо скорочення викидів парникових газів.

Метан – це найпростіший представник граничних вуглеводнів. Він добре горить із виділенням великої кількості тепла, тому широко використовується промисловістю.

Як отримати метан у промисловості

Метан входить до складу природного газу та газу, що супроводжує нафтові родовища. Тому промисловість отримує метан із цих газів.

Як отримати метан у домашніх умовах

Метан має й іншу назву – болотяний газ. Для того щоб отримати його в домашніх умовах, слід узяти трохи ґрунту з дна болота і помістити його в банку, заливши зверху водою. Банку щільно закупорюють і поміщають у темне та тепле місце. За кілька днів можна буде помітити появу на поверхні води дрібних бульбашок газу. Метан, що утворюється, можна відвести з банки через газовідвідну трубочку.

Як отримати метан у лабораторних умовах

Отримати метан в умовах лабораторії можна декількома способами:

1. Пропускання суміші сірководню і сірковуглецю через трубку, на дні якої розташована розпечена мідь: CS 2 + 2H 2 S + 8Cu = CH 4 + Cu 2 S. Це був перший спосіб отримання метану. Пізніше було з'ясовано, що отримати метан можна при нагріванні суміші водню та вуглецю в присутності каталізатора нікелевого до 475 градусів. Без використання каталізатора нагрівати суміш доводиться до 1200 градусів. З + 2H 2 = CH 4
2. В даний час метан отримують нагріванням суміші гідроксиду натрію і ацетату натрію: СН 3 СООН Na + NaOH = Na 2 CO 3 + CH 4 .
3. Отримати чистий метан можна при реакції карбіду алюмінію та води: Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4 Al(OH) 3 + 3CH 4
4. Синтез метану може вестись і на основі сполуки водню та чадного газу: CO + 3H 2 = CH 4 + H 2 O

Як з метану отримати ацетилен

Отримати ацетилен з метану можна в результаті нагрівання останнього до температури півтори тисячі градусів:

2 CH 4 >C 2 H 2 + H 2

Як отримати з метану метанол

Щоб отримати метанол з метану слід провести кілька хімічних реакцій. Спочатку відбувається реакція між хлором та метаном. Ця реакція протікає тільки світла, т.к. запускається вона фотонами світла. У ході цієї реакції утворюється трихлорметан та соляна кислота: CH 4 + Cl 2 > CH 3 Cl + HCl. Потім проводять реакцію між одержаним трихлорметаном та водним розчином гідроксиду натрію. В результаті цього виходить метанол і хлорид натрію: CH 3 Cl + NaOH > NaCl + CH 3 OH

Як з метану отримати анілін

Отримати анілін з метану, можливо проробивши тільки цілий ланцюжок реакцій, який схематично виглядає так: CH 4 > C 2 H 2 > C 6 H 6 > C 6 H 5 NO 2 > C 6 H 5 NH 2 .

Спочатку виробляють нагрівання метану до 1500 градусів, у результаті утворюється ацетилен. Потім з ацетилену одержують бензол, використовуючи при цьому реакцію Зелінського. Для цього через нагріту до 600 градусів трубку, заповнену наполовину активованим вугіллям, пропускають ацетилен: 3С 2 H 2 =C 6 H 6

З бензолу отримують нітробензол: 6 H 6 + HNO 3 = C 6 H 5 NO 2 + Н 2 Про який являє собою вихідну сировину для отримання аніліну. Цей процес йде за реакцією Зініна:

6 H 5 NO 2 + 3(NH 4) 2 S = C 6 H 5 NH 2 + 6NH 3 + 3S + 2H 2 O.

Фізико-хімічні властивості метану.

Небезпечні домішки у рудничному повітрі

До отруйних домішок рудничного повітря відносяться окис вуглецю, оксиди азоту, сірчистий газ та сірководень.

Окис вуглецю (СО) -газ без кольору, смаку та запаху з питомою вагою 0,97. Світиться і вибухає при концентрації від 12,5 до 75%. Температура займання при концентрації 30%, 630-810 0 С. Дуже отруйний. Смертельна концентрація – 0,4%. Допустима концентрація в гірничих виробках - 0,0017%. Основна допомога при отруєнні - штучне дихання у виробленні зі свіжим повітрям.

Джерелами окису вуглецю є вибухові роботи, роботи двигунів внутрішнього згоряння, рудничні пожежі та вибухи метану та вугільного пилу.

Окиси азоту (NO)- мають бурий колір та характерний різкий запах. Дуже отруйні, викликають подразнення слизових оболонок дихальних шляхів та очей, набряки легень. Смертельна концентрація при короткочасному вдиханні - 0,025%. Граничний вміст оксидів азоту в рудничному повітрі має перевищувати 0,00025% (у перерахунку на двоокис – NO 2). Для діоксиду азоту – 0,0001%.

Сірчистий газ (SO 2)– безбарвний, із сильним дратівливим запахом та кислим смаком. Тяжче повітря в 2,3 рази. Дуже отруйний: дратує слизові оболонки дихальних шляхів та очей, викликає запалення бронхів, набряк гортані та бронхів.

Сірчистий газ утворюється при вибухових роботах (у сірчистих породах), пожежах, що виділяється з гірських порід.

Граничний вміст у рудничному повітрі – 0,00038%. Концентрація 0,05% – небезпечна для життя.

Сірководень (H 2 S)– газ без кольору, із солодкуватим смаком та запахом тухлих яєць. Питома вага – 1,19. Сірководень горить, а при концентрації 6% вибухає. Дуже отруйний, дратує слизові оболонки дихальних шляхів та очей. Смертельна концентрація – 0,1%. Перша допомога при отруєнні – штучне дихання на свіжому струмені, вдихання хлору (за допомогою хустки, змоченої хлорним вапном).

Сірководень виділяється з гірських порід та мінеральних джерел. Утворюється при гнитті органічних речовин, рудничних пожежах та вибухових роботах.

Сірководень добре розчиняється у воді. Це необхідно враховувати при пересуванні людей по покинутих виробках.

Допустимий вміст H 2 S у рудничному повітрі не повинен перевищувати 0,00071%.

Лекція 2

Метан та його властивості

Метан є основною, найбільш поширеною частиною рудничного газу. У літературі та на практиці метан найчастіше ототожнюється з рудничним газом. У рудничній вентиляції цьому газу приділяється найбільша увага через його вибухові властивості.

Фізико-хімічні властивості метану.

Метан (СН 4)– газ без кольору, смаку та запаху. Щільність – 0,0057. Метан інертний, але, витісняючи кисень (витіснення відбувається в наступній пропорції: 5 одиниць об'єму метану заміщають 1 одиницю об'єму кисню, тобто 5:1), може становити небезпеку для людей. Запалюється при температурі 650-750 0 С. З повітрям метан утворює горючі та вибухові суміші. При утриманні повітря до 5-6% горить біля джерела тепла, від 5-6% до 14-16% - вибухає, понад 14-16% - не вибухає. Найбільша сила вибуху за концентрації 9,5%.

Одна з властивостей метану - запізнення спалаху після контакту з джерелом займання. Час запізнення спалаху називається ідукційнимперіодом. Наявність цього періоду створює умови для попередження спалаху під час вибухових робіт, застосовуючи запобіжні вибухові речовини (ВВ).

Тиск газу в місці вибуху приблизно в 9 разів вище за початковий тиск газо-повітряної суміші до вибуху. При цьому може виникати тиск до 30 аті вище. Різні перешкоди у виробках (звуження, виступи тощо) сприяють підвищенню тиску і збільшують швидкість поширення вибухової хвилі в гірничих виробках.