Метан и его гомологи представляют собой важный класс органических соединений с разнообразными областями применения. Давайте разберемся, что из себя представляют эти удивительные вещества, каково их строение и свойства, где они встречаются в природе и как используются человеком.
Что такое гомологи
Гомологами называют ряд органических соединений, имеющих сходное химическое строение и близкие свойства. Каждый последующий член ряда гомологов отличается от предыдущего на одну метиленовую группу -CH2-. Так, гомологами метана являются этан, пропан, бутан и др.
Общая формула гомологов метана
Все гомологи метана относятся к классу предельных углеводородов, или алканов. Их общая молекулярная формула имеет вид:
CnH2n+2
Где n - число атомов углерода в молекуле.
Примеры гомологов метана
- Метан CH4
- Этан C2H6
- Пропан C3H8
- Бутан C4H10
И т.д. Теоретически число атомов углерода в молекуле гомолога метана может быть сколь угодно большим. Однако на практике встречаются углеводороды примерно до 100 атомов углерода.
Свойства гомологов метана
Все предельные углеводороды обладают схожими физическими и химическими свойствами, которые последовательно изменяются с увеличением длины углеродной цепи. Рассмотрим основные из них.
Агрегатное состояние
С увеличением молекулярной массы гомологи переходят из газообразного состояния в жидкое, а затем и твердое. Например:
- Метан, этан - газы
- Пентан и гексан - жидкости
- Высшие гомологи (С20 и более) - твердые вещества
Растворимость
Растворимость в воде падает с ростом углеродной цепи. Низшие члены ряда (С1-С4) хорошо растворяются, высшие - практически нерастворимы.
Температуры плавления и кипения
Чем длиннее цепь атомов углерода, тем выше температуры плавления и кипения вещества.
| Гомолог | Тпл, °C | Ткип, °C |
| Метан CH4 | -182 | -164 |
| Пентан C5H12 | -130 | 36 |
| Октан C8H18 | -57 | 126 |
Плотность
С увеличением молекулярной массы плотность гомологов возрастает.
Применение гомологов метана
Благодаря своим уникальным свойствам, предельные углеводороды нашли широкое применение в различных областях промышленности и техники.
- Используются в качестве топлива - природный газ, бензин, дизельное топливо, керосин и др.
- Применяются для получения полимерных материалов - полиэтилена, полипропилена.
- Являются химическим сырьем для органического синтеза.
- Используются в качестве растворителей и экстрагентов.
Короче говоря, мир современной цивилизации просто невозможно представить без этих удивительных и полезных соединений - гомологов метана!
Добыча гомологов метана
Основным источником промышленного получения алканов являются месторождения нефти и природного газа. При добыче и переработке углеводородного сырья из него выделяют отдельные фракции, обогащенные тем или иным гомологом.
Попутный нефтяной газ
Наиболее легкие углеводороды - метан, этан, пропан, бутан - сосредоточены в попутном нефтяном газе. Их доля может достигать 90%. Эту газовую смесь сжижают для транспортировки и используют как энергоноситель и химическое сырье.
Нефть
В составе нефти преобладают жидкие алканы - пентан, гексан и их изомеры. Их выделяют в виде бензиновых и дизельных фракций, являющихся основой автомобильного топлива.
Природный битум
Тяжелые высокомолекулярные углеводороды концентрируются в природных битумах, гудронах и асфальтах. Их используют для дорожного строительства, производства мастик.
Химический синтез алканов
Кроме добычи из природных источников, алканы можно получать искусственно в химических реакциях из других органических и неорганических веществ.
Восстановление непредельных углеводородов
Пропилен водородируется в пропан, бутадиен - в бутан. Процесс катализируется никелем, платиной, палладием при высоком давлении водорода.
Алкилирование алканов
Реакция замещения атома водорода в молекуле алкана на углеводородный радикал. Позволяет увеличивать длину цепи гомолога:
CH4 + C2H5Cl → C2H5CH3 + HCl
Синтез Фишера-Тропша
Получение жидких углеводородов из синтез-газа (смеси CO и H2). Работает при температуре 200-350°C и давлении в 20-40 атмосфер.
Проблемы загрязнения окружающей среды
Несмотря на широчайшее применение алканов в современной промышленности, их производство и использование в качестве топлива приводит к серьезному загрязнению окружающей среды.
Выбросы при добыче
При добыче, транспортировке и переработке углеводородного сырья в атмосферу попадают тонны парниковых газов, в первую очередь - метана.
Выхлопы автотранспорта
Сжигание бензина и дизтоплива приводит к образованию угарного газа, оксидов азота, сажи и углекислого газа.
Разливы нефти
Аварийные утечки жидких углеводородов наносят непоправимый вред морским и наземным экосистемам.
Таким образом, вопрос экологической безопасности производства и потребления нефтехимической продукции стоит сейчас очень остро и требует скорейшего решения.
