Hoy en día se conocen muchos gases diferentes.Una persona recibe algunos de ellos por métodos de laboratorio, a partir de productos químicos, algunos se forman por sí mismos como resultado de reacciones como subproductos. ¿Y qué gases nacen en la naturaleza? Los principales gases de origen natural son cuatro:
- gas natural, cuya fórmula es CH4;
- nitrógeno, N2;
- hidrógeno, H2;
- dióxido de carbono, CO2.
Por supuesto que hay otros ...oxígeno, sulfuro de hidrógeno, amoníaco, gases inertes, monóxido de carbono. Sin embargo, los enumerados anteriormente son prácticamente importantes para las personas y los utilizan para diversos fines, incluso como combustible.
¿Qué es el gas natural?
El gas natural es un gas que nos danaturaleza. Es decir, aquel cuyo contenido en las entrañas de la Tierra es mucho mayor y mayor que la cantidad que se obtiene en la industria como resultado de reacciones químicas.
En general, se acepta llamar al gas natural metano, pero esto no es del todo cierto. Si consideramos la composición de dicho gas por fracciones, entonces puede ver su siguiente composición de componentes:
- metano (hasta 96%);
- etano
- propano;
- butano;
- hidrógeno;
- dióxido de carbono;
- nitrógeno;
- sulfuro de hidrógeno (pequeñas cantidades traza).
Así, resulta que el gas natural es una mezcla de varios gases de origen natural.
Gas natural: fórmula
Desde un punto de vista químico, el gas naturales una mezcla de hidrocarburos simples lineales: metano, etano, propano y butano. Pero como el mayor volumen sigue siendo metano, se acostumbra expresar la fórmula general del gas natural por la fórmula del metano directamente. Entonces, resulta que la fórmula química del gas natural metano -СН4.
El resto de componentes tienen las siguientes fórmulas empíricas en química:
- etano - C2H6;
- propano - C3H8;
- butano - C4H10;
- dióxido de carbono - CO2;
- nitrógeno - N2;
- hidrógeno - H2;
- sulfuro de hidrógeno - H2S.
Una mezcla de estas sustancias es gas natural.La fórmula de su principal compuesto, el metano, muestra que su contenido de carbono es muy bajo. Esto afecta sus propiedades físicas, como la capacidad de arder con una llama incolora, completamente no humeante. Mientras que otros representantes de su serie homóloga (varios hidrocarburos saturados o alcanos), cuando se queman, forman una llama ahumada negra.
Estar en la naturaleza
En la naturaleza, este gas se encuentra en las profundidades del subsuelo, bajo capas gruesas y densas de rocas sedimentarias. Hay dos teorías principales sobre el origen del gas natural en la naturaleza.
- La teoría de los movimientos de rocas tectónicas.Los defensores de esta teoría creen que los hidrocarburos siempre están contenidos en el interior de la Tierra y se elevan como resultado de movimientos tectónicos y contracciones ascendentes. Arriba, la alta presión y las temperaturas cambiantes los transforman a través de reacciones químicas en dos minerales naturales: petróleo y gas.
- La teoría biogénica habla de un método diferente, encomo resultado de lo cual se formó gas natural. Su fórmula refleja la composición cualitativa - carbono e hidrógeno, lo que sugiere que en su formación participaron seres orgánicos vivos, cuyos cuerpos fueron construidos en su mayoría a partir de estos elementos, como todos los seres vivos de nuestro planeta que aún existen. Con el tiempo, los restos muertos de animales y plantas se hundieron cada vez más hasta el fondo del océano, donde no había oxígeno ni bacterias que pudieran descomponer y procesar esta masa orgánica. Como resultado de la oxidación anaeróbica, la biomasa se desintegró y, durante millones de años, se formaron dos fuentes de minerales: petróleo y gas. En este caso, la base de ambos es la misma: se trata de hidrocarburos y sustancias de peso molecular parcialmente bajo. La fórmula química del gas y el petróleo lo demuestra. Sin embargo, bajo la influencia de diferentes condiciones, se forman diferentes productos: alta presión y temperatura - gas, indicadores bajos - aceite.
Hoy, los principales depósitos y reservas de gas están en manos de países como Rusia, Estados Unidos, Canadá, Irán, Noruega y los Países Bajos.
Según su estado de agregación, el gas natural no siempre puede estar contenido solo en estado gaseoso. Hay varias opciones para su condensación:
- El gas se disuelve en moléculas de aceite.
- El gas se disuelve en moléculas de agua.
- El gas forma hidratos de gas sólido.
- En condiciones normales, un compuesto gaseoso.
Cada uno de estos estados tiene su propio depósito y es muy valioso para los humanos.
Entrar en el laboratorio y la industria
Además de los sitios de producción de gas natural,Hay varias formas de obtenerlo en el laboratorio. Sin embargo, estos métodos, por supuesto, se utilizan solo para pequeñas porciones del producto, ya que no es económico realizar la síntesis de gas natural en un laboratorio.
Métodos de laboratorio:
- Hidrólisis de un compuesto de bajo peso molecular - carburo de aluminio: AL4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4AL (OH)3.
- A partir de acetato de sodio en presencia de álcali: CH3COOH + NaOH = CH4 + Na2CO3.
- Del gas de síntesis: CO + 3H2 = CH4 + H2O.
- A partir de sustancias simples, hidrógeno y carbono, a temperatura y presión elevadas.
La fórmula química del gas natural se refleja en la fórmula del metano, por lo que todas las reacciones características de los alcanos también son características de este gas.
En la industria, el metano se obtiene por extracción dedepósitos naturales y su posterior procesamiento por fracciones. Además, el gas resultante debe limpiarse. Después de todo, la fórmula del metano de gas natural muestra solo una parte de los componentes que contiene. Y para uso doméstico, necesita un gas limpio que no contenga ninguna otra sustancia que no sea metano. También se utilizan ampliamente etano, propano, butano y otros gases separados.
Propiedades físicas
La fórmula de un gas da una idea de las propiedades físicas que debería tener. Considere cuáles son estas características.
- Sustancia incolora e inodoro.
- La densidad aproximada varía entre 0,7-1 kg / m3.
- Temperatura de combustión 6500C.
- Casi dos veces más ligero que el aire.
- El calor liberado durante la combustión de un metro cúbico de gas es de 46 millones de julios.
- En altas concentraciones (más del 15%) en el aire, el gas es altamente explosivo.
- Cuando se usa como combustible, exhibe un octanaje de 130.
El gas puro se obtiene solo después de pasarlo por plantas de tratamiento especial (instalaciones), que se erigen en el sitio de la minería.
Solicitud
Hay varias áreas principales de aplicación del gas natural. De hecho, además de su componente principal, cuya fórmula de gas es CH4, se utilizan todos los demás componentes de la mezcla.
1. Ámbito familiar de la vida de las personas.Esto incluye gas para cocinar, calentar edificios residenciales, combustible para salas de calderas, etc. Al gas utilizado para cocinar se añaden sustancias especiales pertenecientes al grupo de los mercaptanos. Esto se hace para que, en caso de una fuga en una tubería u otra omisión de gas, las personas puedan olerlo y tomar medidas. Una mezcla de gas doméstico (que es una mezcla de propano y butano) es extremadamente explosiva en altas concentraciones. Los mercaptanos, por otro lado, hacen que el gas natural sea específico y desagradable de oler. Su fórmula incluye elementos como azufre y fósforo, lo que les confiere tal especificidad.
2. Producción química.En esta área, una de las principales sustancias iniciales de muchas reacciones para la preparación de compuestos importantes es el gas natural, cuya fórmula muestra en qué síntesis puede participar:
- la base para la producción de plásticos, que son el material moderno más común para casi todas las industrias;
- materias primas para la síntesis de etino, cianuro de hidrógeno y amoniaco. Los propios productos enumerados se utilizan posteriormente en la producción de muchas fibras y tejidos sintéticos, fertilizantes y aislantes en la construcción;
- caucho, metanol, ácidos orgánicos: formados a partir de metano y otras sustancias. Encuentran aplicación en casi todas las esferas de la vida humana;
- El polietileno y muchos otros compuestos sintéticos se obtuvieron gracias al metano.
3. Utilizar como combustible.Además, para cualquier tipo de actividad humana, desde el repostaje del correspondiente tipo de lámparas de sobremesa hasta el funcionamiento de centrales térmicas. Este tipo de combustible se considera ambientalmente correcto y razonable en el contexto de todos los métodos alternativos. Sin embargo, cuando el metano se quema, forma dióxido de carbono como cualquier otra sustancia orgánica. Y se sabe que es la causa del efecto invernadero de la Tierra. Por lo tanto, las personas se enfrentan a la tarea de encontrar una fuente de energía térmica aún más limpia y de mayor calidad.
Hasta ahora, estas son las principales fuentes queutilizar gas natural. Su fórmula, si tomamos todos los componentes complejos, demuestra que es prácticamente un recurso renovable, solo que lleva mucho tiempo. Nuestro país tiene mucha suerte con las reservas de gas, porque esta cantidad de recursos naturales durará muchos cientos de años no solo para la propia Rusia, sino también para muchos países del mundo a través de la exportación.
Nitrógeno
Es una parte integral del petróleo y el gas.depósitos naturales. Además, este gas ocupa la mayor parte del volumen en el aire (78%), y también se presenta en forma de compuestos naturales de nitrato en la litosfera.
Como sustancia simple, los organismos vivos prácticamente no utilizan el nitrógeno. Su fórmula es N2o, en términos de enlaces químicos, N≡N.La presencia de un enlace tan fuerte indica una alta estabilidad e inercia química de la molécula en condiciones normales. Esto es lo que explica la posibilidad de que exista una gran cantidad de este gas en forma libre en la atmósfera.
En forma de sustancia simple, el nitrógeno es capaz defijado por organismos especiales - bacterias nódulos. Luego procesan este gas en una forma más adecuada para las plantas y, por lo tanto, proporcionan nutrición mineral a los sistemas de raíces de las plantas.
Hay varios compuestos básicos en forma de nitrógeno en la naturaleza. Su fórmula es la siguiente:
- óxidos - NO2, H2EN2Oh5;
- ácido - nitroso HNO2 y nitrógeno HNO3 (formado durante descargas de rayos a partir de óxidos en el aire);
- salitre - KNO3, NaNO3 y así sucesivamente.
El hombre usa nitrógeno no solo en forma de gas, sino también en estado líquido. Tiene la capacidad de entrar en estado líquido a temperaturas inferiores a -1700C, que permite utilizarlo para congelar tejidos vegetales y animales, muchos materiales. Es por eso que el nitrógeno líquido se usa ampliamente en medicina.
Además, el nitrógeno es la base para obtener unade sus principales compuestos - amoniaco. La producción de esta sustancia es a gran escala, ya que es muy utilizada en la vida cotidiana y en la industria (producción de cauchos, tintes, plásticos, fibras sintéticas, ácidos orgánicos, producción de pinturas y barnices, explosivos, etc.).
Dióxido de carbono
¿Cuál es la fórmula de la sustancia? El dióxido de carbono se escribe CO2... El enlace en la molécula es covalente débilmente polar,fuerzas químicas fuertes dobles entre el carbono y el oxígeno. Esto indica la estabilidad e inercia de la molécula en condiciones normales. Este hecho está confirmado por la libre existencia de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre.
Esta sustancia es parte integral del gas natural y el petróleo, y también se acumula en las capas superiores de la atmósfera del planeta, provocando el llamado efecto invernadero.
Se forma una gran cantidad de dióxido de carbono.durante la combustión de cualquier tipo de combustible fósil. Ya sea carbón, madera, gas u otro combustible, la combustión completa conduce a la formación de agua y esta sustancia.
Por tanto, resulta que su acumulación en la atmósfera es inevitable. Por lo tanto, una tarea importante de la sociedad moderna es encontrar un combustible alternativo que proporcione un mínimo de efecto invernadero.
Hidrógeno
Otro compuesto asociado que se encuentra en los minerales naturales es el hidrógeno. Gas, cuya fórmula es H2... La sustancia más ligera conocida hasta la fecha.
Por sus propiedades especiales, ocupala tabla periódica tiene dos posiciones: entre metales alcalinos y halógenos. Al tener un electrón, es capaz de dar (propiedades metálicas, reducir) y aceptar (propiedades no metálicas, oxidar).
El área de uso principal es el combustible ecológico, para el que los científicos ven el futuro. Causas:
- reservas ilimitadas de este gas;
- la formación de solo agua como resultado de la combustión.
Sin embargo, la tecnología completa para el desarrollo del hidrógeno como fuente de energía requiere la realización de muchos más matices.
Fórmulas para calcular masa, densidad y volumen de gases
En física y química, hay variosmétodos para calcular gases. Entonces, por ejemplo, si estamos hablando de uno de los parámetros más básicos, como es la masa de gas, la fórmula para el cálculo será la siguiente:
m = V * þ, donde þ es la densidad de la sustancia y V es su volumen.
Por ejemplo, si necesitamos calcular la masagas natural con un volumen de 1 metro cúbico en condiciones normales, luego tomamos el valor promedio estándar de su densidad en los materiales de referencia. Será igual a 0,68 kg / m3... Ahora que conocemos el volumen y la densidad del gas, la fórmula para el cálculo está bien. Luego:
m (CH4) = 0,68 kg / m3 * 1 m3 = 0,68 kg, ya que se reducen los metros cúbicos.
La fórmula para el volumen de gas, por otro lado, consiste en los indicadores de masa y densidad. Es decir, podemos expresar este valor a partir de la configuración anterior:
V = m / þ, entonces bajo condiciones estándar el volumen de 2 kg de metano será: 2 / 0.68 = 2.914 m3.
Además, en casos más complejos (cuando las condiciones no son estándar), se utiliza la ecuación de Mendeleev-Clapeyron para calcular la masa y el volumen de los gases, que tiene la forma:
p * V = m / M * R * T, donde p es la presión del gas, V es su volumen, my M son la masa y la masa molar, respectivamente, R es la constante universal del gas igual a 8.314, T es la temperatura en Kelvin.
Esta fórmula para el volumen de gas permite obtenerLos cálculos están muy cerca del valor de un gas ideal, que existe puramente hipotéticamente y se utiliza para un concepto abstracto en la resolución de problemas de física y química. También puede calcular el volumen usando la ecuación de Boyle-Mariotte, que se ve así:
V = pn* Vn* T / p * Tn donde los valores con índice n son los valores en condiciones estándar normales.
Para que el cálculo sea lo más preciso posible ycorrespondía a la realidad, es necesario tener en cuenta un parámetro como la densidad del gas. La fórmula para calcular este parámetro aún es discutible. Se acostumbra utilizar el sencillo más común, que se ve así:
þ = m0 * n, donde m0 es la masa de la molécula (kg), yn es la concentración, la unidad de medida es 1 / m3.
Sin embargo, en algunos casos es necesario utilizar otros cálculos más complejos y completos con varias variables para obtener un resultado preciso y cercano al ideal.
