גזים רבים ושונים ידועים כיום.אדם מקבל חלק מהם בשיטות מעבדה, מכימיקלים, חלקם נוצרים מעצמם כתוצאה מתגובות כתוצרי לוואי. ואילו גזים נולדים בטבע? הגזים העיקריים כאלה ממקור טבעי וטבעי הם ארבעה:
- גז טבעי, הנוסחה שלו היא CH4;
- חנקן, נ2;
- מימן, ח2;
- פחמן דו חמצני, CO2.
כמובן שיש כמה אחרים -חמצן, מימן גופרתי, אמוניה, גזים אינרטיים, פחמן חד חמצני. עם זאת, אלה המפורטים לעיל הם משמעותיים כמעט עבור אנשים ומשמשים אותם למטרות שונות, כולל כדלק.
מהו גז טבעי?
גז טבעי הוא גז שנותן לנוטֶבַע. כלומר, מי שתוכנו במעיים של כדור הארץ גבוה בהרבה ויותר מהכמות שמתקבלת בתעשייה כתוצאה מתגובות כימיות.
בדרך כלל מקובל לקרוא לגז טבעי מתאן, אך זה לא לגמרי נכון. אם אנו רואים את הרכב גז כזה בשברים, ניתן לראות את הרכב הרכיבים הבא שלו:
- מתאן (עד 96%);
- אתאן;
- פרופאן;
- גָז בּוטָאן;
- מימן;
- פחמן דו חמצני;
- חַנקָן;
- מימן גופרתי (כמויות זעירות, קטנות).
כך, מתברר שגז טבעי הוא תערובת של כמה גזים ממקור טבעי.
גז טבעי: נוסחה
מנקודת מבט כימית, גז טבעיהוא תערובת של פחמימנים בעלי מבנה פשוט ליניארי - מתאן, אתאן, פרופאן ובוטאן. אך מכיוון שהנפח הגדול יותר הוא עדיין מתאן, נהוג לבטא את הנוסחה הכללית של גז טבעי על ידי הנוסחה של מתאן ישירות. אז, מתברר כי הנוסחה הכימית של גז טבעי מתאן -Н4.
לשאר המרכיבים הנוסחאות האמפיריות הבאות בכימיה:
- אתאן - ג2ח6;
- פרופאן - ג3ח8;
- בוטאן - ג4ח10;
- פחמן דו חמצני - CO2;
- חנקן - N2;
- מימן - ח2;
- מימן גופרתי - H2C
תערובת של חומרים אלה היא גז טבעי.הנוסחה של התרכובת העיקרית שלה, מתאן, מראה שתכולת הפחמן שלה נמוכה מאוד. זה משפיע על התכונות הפיזיות שלו, כמו למשל היכולת להישרף עם להבה חסרת צבע, ללא עישון לחלוטין. בעוד שנציגים אחרים של הסדרה ההומולוגית שלה (מספר פחמימנים רוויים או אלקנים), כאשר הם נשרפים, יוצרים להבה מעושנת שחורה.
להיות בטבע
בטבע, גז זה נמצא עמוק מתחת לאדמה, מתחת לשכבות עבות וצפופות של סלעי משקע. ישנן שתי תיאוריות עיקריות על מקור הגז הטבעי בטבע.
- התיאוריה של תנועות סלע טקטוניות.תומכי תיאוריה זו מאמינים כי פחמימנים כלולים תמיד בפנים האדמה ועולים כתוצאה מתנועות טקטוניות והתכווצויות כלפי מעלה. למעלה, לחץ גבוה וטמפרטורות משתנות הופכים אותם באמצעות תגובות כימיות לשני מינרלים טבעיים - נפט וגז.
- התיאוריה הביוגנית מדברת על שיטה אחרת, בתוךכתוצאה ממנו נוצר גז טבעי. הנוסחה שלה משקפת את ההרכב האיכותי - פחמן ומימן, דבר המצביע על כך שישויות אורגניות חיות לקחו חלק בהיווצרותו, שגופותיהן נבנו בעיקר מיסודות אלה, כמו כל היצורים החיים על הפלנטה שלנו שעדיין קיימים. עם הזמן, שרידיהם המתים של בעלי חיים וצמחים שקעו תחתון ונמוך יותר לקרקעית האוקיאנוס, שם לא היה חמצן ולא חיידקים המסוגלים לפרק את המסה האורגנית הזו. כתוצאה מחמצון אנאירובי התפרקה הביומסה ולאורך מיליוני שנים נוצרו שני מקורות מינרלים - נפט וגז. במקרה זה, הבסיס של שניהם זהה - אלה פחמימנים וחומרים בעלי משקל מולקולרי נמוך בחלקם. הנוסחה הכימית של גז ושמן מוכיחה זאת. עם זאת, בהשפעת תנאים שונים נוצרים מוצרים שונים: לחץ וטמפרטורה גבוהים - גז, אינדיקטורים נמוכים - נפט.
כיום, הפיקדונות והמאגרים העיקריים של גז הם בידי מדינות כמו רוסיה, ארה"ב, קנדה, איראן, נורבגיה והולנד.
על פי מצב הצבירה שלו, לא תמיד ניתן להכיל גז טבעי רק במצב גז. ישנן מספר אפשרויות להתעבותו:
- הגז מומס במולקולות שמן.
- הגז מומס במולקולות מים.
- הגז יוצר לחות גז מוצק.
- בתנאים רגילים, תרכובת גזית.
לכל אחד מהתנאים הללו יש פיקדון משלו והוא בעל ערך רב לבני אדם.
נכנסים למעבדה ולתעשייה
בנוסף לאתרי ייצור גז טבעי,ישנן מספר דרכים להשיג זאת במעבדה. עם זאת, שיטות אלה משמשות כמובן רק לחלקים קטנים של המוצר, מכיוון שלא כלכלי לבצע סינתזת גז טבעי במעבדה.
שיטות מעבדה:
- הידרוליזה של תרכובת נמוכה מולקולרית - אלומיניום קרביד: AL4עם3 + 12H2O = 3CH4 + 4AL (OH)3.
- מנתרן אצטט בנוכחות אלקלי: CH3COOH + NaOH = CH4 + Na2שיתוף3.
- מגז סינתזה: CO + 3H2 = CH4 + ח2O.
- מחומרים פשוטים - מימן ופחמן - בטמפרטורה ולחץ גבוהים.
הנוסחה הכימית של הגז הטבעי משתקפת על ידי הנוסחה של מתאן, ולכן כל התגובות האופייניות לאלקנים אופייניות גם לגז זה.
בתעשייה, מתאן מתקבל על ידי מיצוי מפיקדונות טבעיים ועיבוד נוסף לפי שברים. כמו כן, יש לנקות את הגז שנוצר. אחרי הכל, הנוסחה של הגז הטבעי מתאן מראה רק חלק מאותם רכיבים שהוא מכיל. ולשימוש בחיי היומיום, אתה זקוק לגז נקי שאינו מכיל חומרים פרט למתאן. נעשה שימוש נרחב גם באתאן, פרופן, בוטאן וגזים אחרים.
תכונות פיסיקליות
הנוסחה של גז נותנת מושג אילו תכונות פיזיקליות היא צריכה להיות. שקול מהם המאפיינים הללו.
- חומר חסר צבע וחסר ריח.
- הצפיפות המשוערת נעה בין 0.7-1 ק"ג / מ '3.
- טמפרטורת הבעירה 6500C
- קל כפליים כמעט מאוויר.
- החום המשתחרר במהלך הבעירה של מטר מעוקב אחד של גז הוא 46 מיליון ג'אול.
- בריכוזים גבוהים (מעל 15%) באוויר, הגז הוא נפץ ביותר.
- כאשר הוא משמש כדלק, הוא מציג מספר אוקטן של 130.
גז נקי מתקבל רק לאחר העברתו דרך מתקני טיהור מיוחדים (מתקנים), המוקמים באתר הכרייה.
יישום
ישנם מספר תחומי יישום עיקריים של גז טבעי. ואכן, בנוסף למרכיב העיקרי שלו, שנוסחת הגז שלו היא CH4, משתמשים בכל שאר מרכיבי התערובת.
1. תחום חיי בית של אנשים.זה כולל גז לבישול, חימום בנייני מגורים, דלק לחדרי דוודים וכן הלאה. חומרים מיוחדים השייכים לקבוצת המרקפטנים מוסיפים לגז המשמש לבישול. זה נעשה כך שבמקרה של דליפת צינור או השמטה אחרת של גז, אנשים יכולים להריח אותו ולנקוט בפעולה. תערובת של גז ביתי (שהיא תערובת של פרופאן ובוטאן) נפוצה ביותר בריכוזים גבוהים. מרקפטנים, לעומת זאת, הופכים את הגז הטבעי לספציפי ולא נעים לריח. הנוסחה שלהם כוללת אלמנטים כמו גופרית וזרחן, מה שמעניק להם ספציפיות כזו.
2. ייצור כימי.בתחום זה, אחד החומרים הראשוניים העיקריים לתגובות רבות להכנת תרכובות חשובות הוא גז טבעי, הנוסחה שלו מראה באילו סינתזים הוא יכול לקחת חלק:
- הבסיס לייצור פלסטיק, שהם החומר המודרני הנפוץ ביותר כמעט בכל תחומי התעשייה;
- חומרי גלם לסינתזה של אתין, מימן ציאניד ואמוניה. המוצרים הרשומים עצמם משמשים עוד בייצור של סיבים סינתטיים רבים ובדים, דשנים ובידוד בבנייה;
- גומי, מתנול, חומצות אורגניות - נוצרות מתאן וחומרים אחרים. הם מוצאים יישום כמעט בכל תחומי חיי האדם;
- פוליאתילן ותרכובות סינתטיות רבות אחרות הושגו הודות למתאן.
3. השתמש כדלק.יתר על כן, לכל סוג של פעילות אנושית, החל מתדלוק הסוג המתאים של מנורות השולחן ועד להפעלת תחנות כוח תרמיות. סוג דלק זה נחשב נכון וסביבתי על רקע כל השיטות האלטרנטיביות. עם זאת, כאשר מתאן נשרף, הוא יוצר פחמן דו חמצני כמו כל חומר אורגני אחר. וידוע שהוא הגורם להשפעת החממה של כדור הארץ. לכן אנשים עומדים בפני המשימה למצוא מקור אנרגיה תרמי נקי ואיכותי עוד יותר.
עד כה, כל אלה הם המקורות העיקריים שהשתמש בגז טבעי. הנוסחה שלה, אם ניקח את כל הרכיבים המורכבים, מראה שהיא למעשה משאב מתחדש, רק שזה לוקח הרבה זמן. למדינתנו יש הרבה מזל עם עתודות גז, מכיוון שכמות משאבים טבעית כזו תמשך מאות רבות של שנים לא רק עבור רוסיה עצמה, אלא גם עבור מדינות רבות בעולם באמצעות ייצוא.
חַנקָן
זהו חלק בלתי נפרד מנפט וגזפיקדונות טבעיים. בנוסף, גז זה תופס את מרבית הנפח באוויר (78%), והוא מתרחש גם בצורה של תרכובות טבעיות של חנקה בליתוספירה.
כחומר פשוט, חנקן אינו משמש כמעט אורגניזמים חיים. הנוסחה שלו היא N2, או, במונחים של קשרים כימיים, N≡N.נוכחותו של קשר כה חזק מעידה על יציבות גבוהה ואינרטיות כימית של המולקולה בתנאים רגילים. זה מה שמסביר את האפשרות להתקיים כמות גדולה של גז זה בצורה חופשית באטמוספירה.
בצורה של חומר פשוט, חנקן מסוגלקבוע על ידי אורגניזמים מיוחדים - חיידקי גושים. לאחר מכן הם מעבדים גז זה לצורה מתאימה יותר לצמחים וכך מספקים תזונה מינרלית למערכות צמחי השורש.
ישנם מספר תרכובות בסיסיות שבצורתם קיים חנקן בטבע. הנוסחה שלהם היא כדלקמן:
- תחמוצות - NO2, ח2O, N2הו5;
- חומצה - HNO חנקתי2 וחנקן HNO3 (נוצר במהלך פריקות ברקים מתחמוצות באוויר);
- מלחץ - KNO3, NaNO3 וכו '
האדם משתמש בחנקן לא רק בצורת גז, אלא גם במצב נוזלי. יש לו את היכולת לעבור למצב נוזלי בטמפרטורות נמוכות מ -1700C, המאפשר להשתמש בו להקפאת רקמות צמחים ובעלי חיים, חומרים רבים. לכן נעשה שימוש נרחב ברפואה בחנקן נוזלי.
כמו כן, חנקן הוא הבסיס להשגת אחד כזהשל התרכובות העיקריות שלה - אמוניה. הייצור של חומר זה הוא בקנה מידה גדול, מכיוון שהוא נמצא בשימוש נרחב מאוד בחיי היומיום ובתעשייה (ייצור של גומיות, צבעים, פלסטיק, סיבים סינתטיים, חומצות אורגניות, ייצור צבע ולכה, חומרי נפץ וכו ').
פחמן דו חמצני
מה הנוסחה של החומר? פחמן דו חמצני כתוב כ- CO2... הקשר במולקולה הוא קוולנטי קוטבי חלש,כוחות כימיים חזקים כפולים בין פחמן לחמצן. זה מצביע על יציבות ואינרנטיות של המולקולה בתנאים רגילים. עובדה זו אושרה על ידי קיומו החופשי של פחמן דו חמצני באטמוספירה של כדור הארץ.
חומר זה מהווה חלק מכונן מגז טבעי ונפט, והוא מצטבר גם באטמוספירה העליונה של הפלנטה, מה שגורם לאפקט החממה כביכול.
נוצרת כמות עצומה של פחמן דו חמצניבמהלך הבעירה של כל סוג של דלק מאובנים. בין אם זה פחם, עץ, גז או דלק אחר, בעירה מוחלטת מובילה להיווצרות מים וחומר זה.
מכאן, מתברר כי הצטברותו באטמוספירה היא בלתי נמנעת. לכן, משימה חשובה של החברה המודרנית היא למצוא דלק חלופי שנותן מינימום של אפקט החממה.
מֵימָן
תרכובת קשורה נוספת המצויה במינרלים טבעיים היא מימן. גז, הנוסחה שלו היא H2... החומר הקל ביותר שהיה ידוע עד כה.
בשל תכונותיו המיוחדות, היא תופסתלטבלה המחזורית שני מיקומים - בין מתכות אלקליות והלוגנים. בעל אלקטרון אחד, הוא מסוגל גם לתת (תכונות מתכתיות, הפחתה) וגם לקבל (תכונות שאינן מתכתיות, מחמצן).
תחום השימוש העיקרי הוא דלק ידידותי לסביבה, שעבורו מדענים רואים את העתיד. סיבות:
- עתודות בלתי מוגבלות של גז זה;
- היווצרות מים רק כתוצאה מהבעירה.
עם זאת, הטכנולוגיה השלמה לפיתוח מימן כמקור אנרגיה מחייבת השלמת ניואנסים רבים נוספים.
נוסחאות לחישוב מסה, צפיפות ונפח גזים
בפיזיקה וכימיה, כמה בסיסייםשיטות לחישוב גזים. כך, למשל, אם אנחנו מדברים על אחד הפרמטרים הבסיסיים ביותר, כגון מסת הגז, הנוסחה לחישוב תהיה כדלקמן:
m = V * þ, כאשר þ הוא צפיפות החומר, ו- V הוא נפחו.
לדוגמא, אם עלינו לחשב את המסהגז טבעי בנפח של מטר מעוקב בתנאים רגילים, אז ניקח את הערך הממוצע הסטנדרטי של צפיפותו בחומרי הייחוס. זה יהיה שווה ל 0.68 ק"ג / מ '3... כעת, כשאנו יודעים את נפח הגז וצפיפותו, הנוסחה לחישוב היא בסדר. לאחר מכן:
מ '(CH4) = 0.68 ק"ג / מ '3 * 1 מטר3 = 0.68 ק"ג, שכן מ"ק מצטמצם.
הנוסחה לנפח הגז, לעומת זאת, מורכבת מהמדדים של מסה וצפיפות. כלומר, אנו יכולים לבטא ערך זה מהתצורה לעיל:
V = m / þ, אז בתנאים סטנדרטיים הנפח של 2 ק"ג מתאן יהיה: 2 / 0.68 = 2.914 מ '3.
כמו כן, במקרים מורכבים יותר (כאשר התנאים אינם סטנדרטיים), משוואת מנדלייב-קלפיירון משמשת לחישוב המסה והנפח של הגזים, שצורתם:
p * V = m / M * R * T, כאשר p הוא לחץ הגז, V הוא נפחו, m ו- M הם המסה והמסה הטוחנת, בהתאמה, R הוא קבוע הגז האוניברסלי השווה ל 8.314, T הוא הטמפרטורה בקלווין.
נוסחה זו לנפח הגז מאפשרת להשיגחישובים קרובים מאוד לערכו של גז אידיאלי, הקיים באופן היפותטי בלבד ומשמש למושג מופשט בפתרון בעיות בפיזיקה וכימיה. ניתן גם לחשב את הנפח באמצעות משוואת בויל-מריוטה, שנראית כמו:
V = pn* ויn* T / p * Tn כאשר הערכים עם אינדקס n הם הערכים בתנאים סטנדרטיים רגילים.
כדי להפוך את החישוב למדוייק ככל האפשר ותואם את המציאות, יש צורך לקחת בחשבון פרמטר כזה כמו צפיפות הגז. הנוסחה לחישוב פרמטר זה היא עדיין נקודה מרכזית. נהוג להשתמש בפשוטה הנפוצה ביותר, שנראית כמו:
þ = m0 * n, שם m0 הוא המסה של המולקולה (ק"ג), ו- n הוא הריכוז, יחידת המדידה היא 1 / מ '3.
עם זאת, במקרים מסוימים יש צורך להשתמש בחישובים אחרים, מורכבים ומלאים יותר עם כמה משתנים על מנת להשיג תוצאה מדויקת וקרובה לאידיאלית.
