Природный газ: формула. Химическая формула газа. Все виды природного газа

Сегодня известно множество разнообразных газов. Какие-то из них человек получает лабораторными способами, из химических веществ, какие-то формируются сами в результате реакций в качестве побочных продуктов. А какие газы рождаются в природе? К основным таким газам естественного, природного происхождения относятся четыре:

• природный газ, формула которого СН₄;
• азот, N₂;
• водород, Н₂;
• углекислый газ, СО₂.

Конечно, существуют и некоторые другие - кислород, сероводород, аммиак, инертные газы, монооксид углерода. Однако перечисленные выше являются практически значимыми для людей и используются ими в разных целях, в том числе как топливо.

Что такое природный газ?

Природным называется такой газ, который дает нам природа. То есть тот, содержание которого в недрах Земли гораздо выше и больше, чем то его количество, что получают в промышленности в результате химических реакций.

Общепринято называть природным газом метан, однако это не совсем так. Если рассмотреть состав такого газа по фракциям, то можно увидеть следующий его компонентный состав:

• метан (до 96%);
• этан;
• пропан;
• бутан;
• водород;
• углекислый газ;
• азот;
• сероводород (малые, следовые количества).

Таким образом, выходит, что природный газ - это смесь нескольких газов природного происхождения.

Природный газ: формула

С химической точки зрения природный газ представляет собой смесь углеводородов линейного простого строения - метана, этана, пропана и бутана. Но так как больший объем составляет все же метан, то принято общую формулу природного газа выражать формулой непосредственно метана. Так, получается, что химическая формула природного газа метана -СН₄.

Остальные компоненты имеют следующие эмпирические формулы в химии:

• этан - С₂Н₆;
• пропан - С₃Н₈;
• бутан - С₄Н₁₀;
• углекислый газ - СО₂;
• азот - N₂;
• водород - Н₂;
• сероводород - H₂S.

Смесь таких веществ и является природным газом. Формула основного его соединения метана показывает, что содержание углерода в нем очень мало. Это сказывается на его физических свойствах, например, таких как способность гореть бесцветным, совершенно некоптящим пламенем. В то время как другие представители его гомологического ряда (ряда предельных углеводородов или алканов) при горении образуют черное коптящее пламя.

Нахождение в природе

В природе данный газ встречается глубоко под землей, под толстыми и плотными пластами осадочных пород. Существует две основные теории происхождения природного газа в природе.

1. Теория тектонических движений пород. Сторонники данной теории считают, что углеводороды содержатся в земных недрах всегда и поднимаются в результате тектонических движений и сокращений вверх. Наверху высокое давление и меняющаяся температура превращают их в результате химических реакций в два природных полезных ископаемых - нефть и газ.
2. Биогенная теория говорит о другом методе, в результате которого образовался природный газ. Формула его отражает качественный состав - углерод и водород, что говорит о том, что в его образовании принимали участие живые органические существа, тела которых были большей частью построены из этих элементов, как и все живое на нашей планете, существующее до сих пор. С течением времени отмершие останки животных и растений опускались все ниже на дно океана, туда, где не существовало ни кислорода, ни бактерий, способных разложить и переработать эту органическую массу. В результате анаэробного окисления произошел распад биомассы, и за миллионы лет сформировалось два источника полезных ископаемых - нефть и газ. При этом основа и того и другого одинакова - это углеводороды и частично низкомолекулярные вещества. Химическая формула газа и нефти это доказывает. Однако при воздействии разных условий формируются и разные продукты: высокое давление и температура - газ, низкие показатели - нефть.

На сегодняшний день основными месторождениями и запасами газа обладают такие страны, как Россия, США, Канада, Иран, Норвегия и Нидерланды.

По своему агрегатному состоянию природный газ не всегда может содержаться только в состоянии газа. Есть несколько вариантов его конденсации:

1. Газ растворен в молекулах нефти.
2. Газ растворен в молекулах воды.
3. Газ образует твердые газогидраты.
4. При обычных условиях - газообразное соединение.

Каждое из этих состояний имеет свое месторождение и является очень ценным для человека.

Получение в лаборатории и промышленности

Помимо природных мест образования газа, существует ряд способов получить его в лабораторных условиях. Однако эти способы, безусловно, используются только для небольших порций продукта, так как экономически осуществлять синтез природного газа в лаборатории не выгодно.

Лабораторные способы:

1. Гидролизом низкомолекулярного соединения - карбида алюминия: AL₄C₃ + 12H₂O = 3CH₄ + 4AL(OH)_3.
2. Из ацетата натрия в присутствии щелочи: CH₃COOH + NaOH = CH₄ + Na₂CO_3.
3. Из синтез-газа: CO+ 3H₂ = CH₄ + H₂O.
4. Из простых веществ - водорода и углерода - при повышенной температуре и давлении.

Химическая формула природного газа отражается формулой метана, поэтому все реакции, характерные для алканов, характерны и для данного газа.

В промышленности метан получают добычей из природных месторождений и дальнейшей переработкой по фракциям. Также получаемый газ обязательно нуждается в очистке. Ведь формула природного газа метана показывает только часть тех составляющих, что он содержит. А для использования в быту нужен чистый газ, не содержащий других веществ, кроме метана. Отделяемый этан, пропан, бутан и другие газы также находят широкое применение.

Физические свойства

Формула газа дает представление о том, какими физическими свойствами он должен обладать. Рассмотрим, что же это за характеристики.

1. Бесцветное вещество, не имеющее запаха.
2. Приблизительная плотность варьируется в пределах 0,7-1 кг/м^3.
3. Температура горения 650⁰С.
4. Почти в два раза легче воздуха.
5. Теплота, выделяемая при сгорании одного кубического метра газа, равна 46 млн Джоулей.
6. В повышенных концентрациях (свыше 15%) в воздухе газ очень взрывоопасен.
7. При использовании в качестве топлива проявляет октановое число, равное 130.

Чистый газ получают только после прохождения его через специальные очистные станции (установки), которые воздвигаются на месте добычи ископаемого.

Применение

Существует несколько основных областей применения природного газа. Ведь помимо основной его составляющей, формула газа которой СН₄, используются и все другие компоненты смеси.

1. Бытовая сфера жизни людей. Сюда относится газ для приготовления пищи, отопления жилых зданий, топлива для котельных и так далее. В газ, который используется для приготовления пищи, добавляют специальные вещества, относящиеся к группе меркаптанов. Делается это для того, чтобы в случае протекания трубы или другого упущения газа люди могли почувствовать его запах и принять меры. Смесь бытового газа (а это смесь пропана и бутана) чрезвычайно взрывоопасна в больших концентрациях. Меркаптаны же делают специфическим и неприятным на запах природный газ. Формула их включает такие элементы, как сера и фосфор, что и придает им такую специфику.

2. Химическое производство. В данной сфере одним из главных начальных веществ для многих реакций получения важных соединений является природный газ, формула которого показывает, в каких синтезах он может принимать участие:

• основа при производстве пластмасс, которые являются самым распространенным современным материалом практически для всех сфер промышленности;
• сырье при синтезе этина, цианистого водорода и аммиака. Сами перечисленные продукты в дальнейшем идут на производстве многих синтетических волокон и тканей, удобрений и утеплителей в строительстве;
• каучук, метанол, органические кислоты - образуются из метана и других веществ. Находят применение практически во всех сферах человеческой жизни;
• полиэтилен и многие другие соединения синтетической природы получили благодаря именно метану.

3. Использование в качестве топлива. Причем для любого вида деятельности человека, начиная от заправки соответствующего типа настольных ламп и до работы тепловых электростанций. Данный вид топлива считается экологически правильным и целесообразным на фоне всех альтернативных способов. Однако при сгорании метан образует углекислый газ, как любое другое органическое вещество. А он, как известно, причина парникового эффекта Земли. Поэтому перед людьми стоит задача поиска еще более чистого и качественного источника тепловой энергии.

Пока это все основные источники, которые используют природный газ. Формула его, если брать все комплексные составляющие, показывает, что он практически возобновляемый ресурс, только время для этого нужно очень много. Нашей стране с запасами газа чрезвычайно повезло, ведь такого количество природного ископаемого хватит на много сотен лет не только самой России, но и многим странам мира через экспорт.

Азот

Является составной частью нефтяных и газовых природных месторождений. Кроме того, данный газ занимает большую часть объема в воздухе (78%), а также встречается в виде природных соединений селитр в литосфере.

Как простое вещество практически не используется живыми организмами азот. Формула его имеет вид N₂, или, с точки зрения химических связей, N≡N. Наличие такой крепкой связи говорит о высокой стабильности и химической инертности молекулы при обычных условиях. Именно это и объясняет возможность существования большого количества этого газа в свободном виде в атмосфере.

В виде простого вещества азот способен фиксироваться особыми организмами - клубеньковыми бактериями. Они затем перерабатывают в более подходящую форму для растений этот газ и таким образом осуществляют минеральное питание корневых растительных систем.

Есть несколько основных соединений, в виде которых существует в природе азот. Формула их следующая:

• оксиды - NO_2, N₂O, N₂O_5;
• кислоты - азотистая HNO₂ и азотная HNO₃ (образуются при грозовых разрядах из оксидов в атмосфере воздуха);
• селитры - KNO₃, NaNO₃ и так далее.

Человеком азот используется не только в виде газа, но и в жидком состоянии. Он обладает способностью переходить в жидкое состояние при температуре ниже -170⁰С, что позволяет применять его для замораживания растительных и животных тканей, многих материалов. Именно поэтому широкое применение жидкий азот находит в медицине.

Также азот является основой для получения одного из главных своих соединений - аммиака. Производство данного вещества многотоннажно, так как оно очень широко применяется в быту и промышленности (получение каучуков, красителей, пластмасс, синтетических волокон, органических кислот, лакокрасочное производство, взрывчатые вещества и так далее).

Диоксид углерода

Какова формула вещества? Углекислый газ записывается как СО₂. Связь в молекуле ковалентная слабополярная, двойные прочные химические силы между углеродом и кислородами. Это говорит о стабильности и инертности молекулы при обычных условиях. Данный факт подтверждается свободным существованием углекислого газа в атмосфере Земли.

Это вещество является составной частью природного газа и нефти, а также накапливается в верхних слоях атмосферы планеты, вызывая так называемый парниковый эффект.

Огромное количество углекислого газа формируется при сгорании любого вида органического топлива. Будь то уголь, дрова, газ или другое топливо, полное сгорание приводит к образованию воды и этого вещества.

Отсюда и получается, что накопление его в атмосфере неизбежно. Поэтому важной задачей современного общества является поиск альтернативного, дающего минимум парникового эффекта топлива.

Водород

Еще одно попутное соединение, встречающееся в составе природных полезных ископаемых, - это водород. Газ, формула которого - Н₂. Самое легкое вещество из всех известных на сегодняшний день.

Благодаря своим особым свойствам занимает в периодической системе два положения - среди щелочных металлов и галогенов. Имея один электрон, способен его как отдавать (металлические свойства, восстановительные), так и принимать (неметаллические свойства, окислительные).

Основная область использования - это экологически чистое топливо, за которым ученые видят будущее. Причины:

• неограниченное количество запасов этого газа;
• образование в результате горения только воды.

Однако полная технология освоения водорода как источника энергии требует доработки еще многих нюансов.

Формулы для расчетов массы, плотности и объема газов

В физике и химии применяются несколько основных способов для расчетов по газам. Так, например, если речь идет об одном из самых основных параметров, таких как масса газа, формула для расчета будет следующей:

m = V*þ, где þ - это плотность вещества, а V - его объем.

Например, если нам нужно рассчитать массу природного газа объемом 1 метр кубический при нормальных условиях, то мы берем стандартное среднее значение его плотности в справочных материалах. Оно будет равно 0,68 кг/м³. Теперь, когда мы знаем объем и плотность газа, формула для расчета вполне удовлетворяет требованиям. Тогда:

m (CH₄) = 0,68 кг/м³ * 1 м³ = 0,68 кг, так как метры кубические сокращаются.

Формула объема газа, напротив, складывается из показателей массы и плотности. То есть мы можем выразить это значение из приведенной выше конфигурации:

V = m/þ, тогда при стандартных условиях объем 2 кг метана будет равен: 2/0,68 = 2,914 м³.

Также в более сложных случаях (когда условия нестандартные) для расчета массы и объема газов используют уравнение Менделеева-Клапейрона, которое имеет вид:

p*V = m/M*R*T, где р - давление газа, V - его объем, m и M - масса и молярная масса соответственно, R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314, Т - температура в Кельвинах.

Такая формула объема газа позволяет получать расчеты весьма приближенные к значению идеального газа, который существует чисто гипотетически и используется для абстрактного понятия при решении задач в физике и химии. Также рассчитать объем можно по уравнению Бойля-Мариотта, которое имеет вид:

V=p_н*V_н*T/p*T_н , где значения с индексом н - это значения при нормальных стандартных условиях.

Чтобы расчет был максимально точный и соответствовал действительности, необходимо учитывать такой параметр, как плотность газа. Формула для вычисления этого параметра пока еще вопрос спорный. Принято пользоваться самой обычной простой, которая имеет вид:

þ = m₀ * n, где m₀ - масса молекулы (кг), а n - концентрация, единица измерения - 1/м³.

Однако в ряде случаев необходимо использовать другие, более сложные и полные расчеты с несколькими переменными для получения точного и близкого к идеальному результата.