Что такое ch4 химия

2. Реакции разложения метана (д егидрирование, пиролиз)

Если процесс нагревания метана проводить очень быстро (примерно 0,01 с), то происходит межмолекулярное дегидрирование и образуется ацетилен:

Пиролиз метана – промышленный способ получения ацетилена.

3. Окисление метана

Алканы – малополярные соединения, поэтому при обычных условиях они не окисляются даже сильными окислителями (перманганат калия, хромат или дихромат калия и др.).

3.1. Полное окисление – горение

Алканы горят с образованием углекислого газа и воды. Реакция горения алканов сопровождается выделением большого количества теплоты.

Уравнение сгорания алканов в общем виде:

При горении алканов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.

Промышленное значение имеет реакция окисления метана кислородом до простого вещества – углерода:

Эта реакция используется для получения сажи.

3.2. Каталитическое окисление

Продукт реакции – так называемый «синтез-газ».

Получение метана

1. Взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца)

2. Водный или кислотный гидролиз карбида алюминия

Этот способ получения используется в лаборатории для получения метана.

3. Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (реакция Дюма)

Реакция Дюма — это взаимодействие солей карбоновых кислот с щелочами при сплавлении.

R–COONa + NaOH → R–H + Na₂CO₃

Декарбоксилирование — это отщепление (элиминирование) молекулы углекислого газа из карбоксильной группы (-COOH) или органической кислоты или карбоксилатной группы (-COOMe) соли органической кислоты.

4. Синтез Фишера-Тропша

Из синтез-газа (смесь угарного газа и водорода) при определенных условиях (катализатор, температура и давление) можно получить различные углеводороды:

Это промышленный процесс получения алканов.

Синтезом Фишера-Тропша можно получить метан:

5. Получение метана в промышленности

Источник

Метан, получение, свойства, химические реакции

Метан, получение, свойства, химические реакции.

Метан, CH₄ – простейший по составу предельный углеводород, органическое вещество класса алканов. В природе содержится в природном газе, добываемом из газовых и газоконденсатных месторождений, в попутном нефтяном газе, в рудничном и болотном газах. Растворен в нефти, в пластовых и поверхностных водах. В твердом состоянии встречается в виде газогидратов.

Метан, формула, газ, характеристики:

Химическая формула метана CH₄, рациональная формула CH₄. Изомеров не имеет.

Является одним из парниковых газов. Его вклад в парниковый эффект составляет 4-9 %.

Помимо газообразного состояния в природе встречается еще и в твердом состоянии на дне морей, океанов и в зоне вечной мерзлоты в виде метаногидратов ( гидратов природного газа ), именуемых «горючий лёд».

Пожаро- и взрывоопасен.

Почти не растворяется в воде и других полярных растворителях. Зато растворяется в некоторых неполярных органических веществах (метанол, ацетон, бензол, тетрахлорметан, диэтиловый эфир и другие).

Метан по токсикологической характеристике относится к веществам 4-го класса опасности (малоопасным веществам) по ГОСТ 12.1.007.

Физические свойства метана:

* при температуре выше критической температуры газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении.

Химические свойства метана:

Химические свойства метана аналогичны свойствам других представителей ряда алканов. Поэтому для него характерны следующие химические реакции:

CH₄ + H₂O → CО + 3H₂ (kat = Ni/Al₂O₃ при t o = 800-900 о С или без катализатора при t o = 1400-1600 о С).

Образующийся в результате реакции синтез-газ может быть использован для последующих синтезов метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Реакция носит цепной характер. Молекула брома или йода под действием света распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы метана, отрывая у них атом водорода, в результате этого образуется свободный метил CH₃·, который сталкиваются с молекулами брома (йода), разрушая их и образуя новые радикалы йода или брома :

Br₂ → Br·+ Br· (hv); – инициирование реакции галогенирования;

CH₄ + Br· → CH₃· + HBr; – рост цепи реакции галогенирования;

CH₃· + Br· → CH₃Br; – обрыв цепи реакции галогенирования.

Галогенирование — это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование метана проходит поэтапно – за один этап замещается не более одного атома водорода.

При избытке кислорода:

Горит голубоватым пламенем.

CH₄ → C + 2H₂ (при t o > 1000 о С).

В реакциях каталитического окисления метана могут образовываться спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.

2CH₄ + O₂ → 2CН₃OH (при t o = 200 о С, kat); – образуется метанол;

CH₄ + O₂ → НCНO + H₂O (при t o = 200 о С, kat); – образуется формальдегид;

2CH₄ + 3O₂ → 2НCOОН + H₂O (при t o = 200 о С, kat); – образуется муравьиная кислота.

Получение метана в промышленности и в лаборатории. Химические реакции – уравнения получения метана:

Метан в промышленных и лабораторных условиях получается в результате следующих химических реакций:

CО + 3H₂ → CH₄ (kat = Ni, t o = 200-300 о С);

Применение и использование метана:

– как топливо для автомобилей, судов, газовых плит, печей, паяльных ламп, зажигалок и пр. бытовых приборов;

– как сырье в химической промышленности для проведения реакций органического синтеза.

Источник

Молекула метана: строение, физические и химические свойства

В последнее время довольно много программ передач на телевидении и статей в интернете посвящено теме глобального потепления на Земле. Ученые связывают этот факт с двумя парниковыми газами: диоксидом углерода и метаном. О характеристиках первого соединения в большей или меньшей степени знает каждый человек. Свойства молекулы метана рассматривают в общем курсе химии.

Самый простой в ряду алканов

Именно так следует охарактеризовать молекулу метана. Состоит она всего из пяти атомов:

Атом углерода имеет на внешнем электронном уровне четыре неспаренных электрона. Конфигурация внешних электронных оболочек для него записывается в виде символов 2s2 2p2. Здесь цифры перед латинскими буквами говорят о периоде, в котором расположен элемент в периодической системе Менделеева. Числа после букв s и p указывают на количество электронов, находящихся на соответствующих энергетических оболочках. Из этой конфигурации видно, что валентность углерода равна IV, то есть ему необходимы 4 дополнительных электрона, чтобы достроить оболочки и получить энергетически более стабильную конфигурацию.

Водород H — это самый простой элемент в периодической таблице. Он состоит всего из одного протона и электрона (существуют изотопы водорода, содержащие также нейтроны в ядре, например, дейтерий и тритий). Поэтому электронная конфигурация для него записывается просто 1s1.

Атом водорода имеет валентность I.

Легко догадаться, что углероду C необходимо четыре H, чтобы образовать стабильное молекулярное соединение CH4.

Геометрия строения и ковалентная связь

Молекула CH4 имеет не произвольное, а вполне конкретное геометрическое строение. В пространстве она представляет собой объемную фигуру тетраэдр. В геометрии она называется правильной треугольной пирамидой. Ее вершины образованы атомами водорода, каждый из которых соединен с углеродом, расположенным в центре тетраэдра. Центральный угол, образованный связями H-C-H, составляет 109,5 градуса. Это геометрическое строение обеспечивает физическую прочность молекулы.

Физические характеристики

Этот газ относится к одним из самых легковоспламеняющихся и взрывоопасных. Если в воздушной смеси находится 5−15 объемных процентов метана, то достаточно незначительной искры, которая приведет к взрыву. Самовозгорание газа происходит, если его нагреть до температуры выше 537 C.

Химические свойства

Поскольку химическая связь молекулы CH4 является достаточно прочной, необходимо для ее вступления в реакцию затратить некоторую энергию активации. Этот порог может быть снижен благодаря использованию различных катализаторов.

Основной реакцией метана, которая характеризует его химические свойства, является взаимодействие с кислородом. В упрощенном виде ее записывают так:

CH4 + 2*O2 = CO2 + 2*H2O.

В действительности же ее протекание связано с рядом этапов:

Все эти этапы горения молекулы метана происходят в течение нескольких миллисекунд.

Еще одним видом типичных реакций с метаном является взаимодействие с сильными окислителями галогенами. Например, с хлором происходит следующая реакция:

CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl.

В результате ее образуется хлорметан и пары соляной кислоты. Подобные реакции можно написать для фтора, брома и йода.

Основные источники на Земле

Существует несколько основных источников CH4 на нашей планете. Среди них важное значение имеют следующие:

По общим оценкам, приблизительно 60% всего метана, который попадает в атмосферу планеты, связано с антропогенной деятельностью.

Парниковый газ

Несмотря на небольшое содержание метана в воздухе, для него характерна еще одна неблагоприятная в плане парникового эффекта особенность. В короткие периоды времени (порядка 10 лет) его способность задерживать тепло от поверхности планеты является ярко выраженной и характеризуется величиной 63 вместо 23.

В последние столетия из-за быстрого развития различных отраслей хозяйства и промышленности концентрация метана в воздухе значительно увеличилась (на 150% в период с 1750 по 1998 год). В последние два десятилетия эта цифра возросла в 1000 раз! Так, в 1998 году существовало всего 1,7 молекул метана на один миллиард молекул воздуха, в 2018 году этот показатель уже составил 1858.

Наступившее глобальное потепление может привести к выделению гигантских количеств этого газа из естественных экосистем, расположенных на дне океанов, что приведет к усугублению ситуации с климатом в мире.

Таким образом, молекула метана является самой простой в ряду алканов, ее структурное строение представляет собой тетраэдр. В виде газа CH4 является взрывоопасным и легко воспламеняющимся. В последнее время разрабатываются новые технологии, которые призваны сократить количество выбрасываемого в воздух метана из-за его сильного парникового эффекта.

Источник

Метан

Характеристики и физические свойства метана

Рис. 1. Строение молекулы метана.

Получение метана

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

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

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:

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

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

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:

Применение метана

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

Примеры решения задач

Найдем количество вещества метана:

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

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