Гомологи метана: строение, свойства и применение углеводородов

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:
C_nH_2n+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.

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.

1. Используются в качестве топлива - природный газ, бензин, дизельное топливо, керосин и др.
2. Применяются для получения полимерных материалов - полиэтилена, полипропилена.
3. Являются химическим сырьем для органического синтеза.
4. 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.