Сегодня известно множество разнообразных газов. Какие-то из них человек получает лабораторными способами, из химических веществ, какие-то формируются сами в результате реакций в качестве побочных продуктов. А какие газы рождаются в природе? К основным таким газам естественного, природного происхождения относятся четыре:

• природный газ, формула которого СН 4 ;
• азот, N 2 ;
• водород, Н 2 ;
• углекислый газ, СО 2 .

Конечно, существуют и некоторые другие - кислород, сероводород, аммиак, монооксид углерода. Однако перечисленные выше являются практически значимыми для людей и используются ими в разных целях, в том числе как топливо.

Что такое природный газ?

Природным называется такой газ, который дает нам природа. То есть тот, содержание которого в недрах Земли гораздо выше и больше, чем то его количество, что получают в промышленности в результате химических реакций.

Общепринято называть природным газом метан, однако это не совсем так. Если рассмотреть состав такого газа по фракциям, то можно увидеть следующий его компонентный состав:

• метан (до 96%);
• этан;
• пропан;
• бутан;
• водород;
• углекислый газ;
• азот;
• сероводород (малые, следовые количества).

Таким образом, выходит, что природный газ - это смесь нескольких

Природный газ: формула

С химической точки зрения природный газ представляет собой смесь углеводородов линейного простого строения - метана, этана, пропана и бутана. Но так как больший объем составляет все же метан, то принято общую формулу природного газа выражать формулой непосредственно метана. Так, получается, что химическая формула природного газа метана -СН 4 .

Остальные компоненты имеют следующие эмпирические формулы в химии:

• этан - С 2 Н 6 ;
• пропан - С 3 Н 8 ;
• бутан - С 4 Н 10 ;
• углекислый газ - СО 2 ;
• азот - N 2 ;
• водород - Н 2 ;
• сероводород - H 2 S.

Смесь таких веществ и является природным газом. Формула основного его соединения метана показывает, что содержание углерода в нем очень мало. Это сказывается на его физических свойствах, например, таких как способность гореть бесцветным, совершенно некоптящим пламенем. В то время как другие представители его предельных углеводородов или алканов) при горении образуют черное коптящее пламя.

Нахождение в природе

В природе данный газ встречается глубоко под землей, под толстыми и плотными пластами осадочных пород. Существует две основные теории происхождения природного газа в природе.

1. Теория тектонических движений пород. Сторонники данной теории считают, что углеводороды содержатся в земных недрах всегда и поднимаются в результате тектонических движений и сокращений вверх. Наверху высокое давление и меняющаяся температура превращают их в результате химических реакций в два природных полезных ископаемых - нефть и газ.
2. Биогенная теория говорит о другом методе, в результате которого образовался природный газ. Формула его отражает качественный состав - углерод и водород, что говорит о том, что в его образовании принимали участие живые органические существа, тела которых были большей частью построены из этих элементов, как и все живое на нашей планете, существующее до сих пор. С течением времени отмершие останки животных и растений опускались все ниже на дно океана, туда, где не существовало ни кислорода, ни бактерий, способных разложить и переработать эту органическую массу. В результате анаэробного окисления произошел распад биомассы, и за миллионы лет сформировалось два источника полезных ископаемых - нефть и газ. При этом основа и того и другого одинакова - и частично низкомолекулярные вещества. Химическая формула газа и нефти это доказывает. Однако при воздействии разных условий формируются и разные продукты: высокое давление и температура - газ, низкие показатели - нефть.

На сегодняшний день основными месторождениями и запасами газа обладают такие страны, как Россия, США, Канада, Иран, Норвегия и Нидерланды.

По своему агрегатному состоянию природный газ не всегда может содержаться только в состоянии газа. Есть несколько вариантов его конденсации:

1. Газ растворен в молекулах нефти.
2. Газ растворен в молекулах воды.
3. Газ образует твердые газогидраты.
4. При обычных условиях - газообразное соединение.

Каждое из этих состояний имеет свое месторождение и является очень ценным для человека.

Получение в лаборатории и промышленности

Помимо природных мест образования газа, существует ряд способов получить его в лабораторных условиях. Однако эти способы, безусловно, используются только для небольших порций продукта, так как экономически осуществлять синтез природного газа в лаборатории не выгодно.

Лабораторные способы:

1. Гидролизом низкомолекулярного соединения - карбида алюминия: AL 4 C 3 + 12H 2 O = 3CH 4 + 4AL(OH) 3.
2. Из ацетата натрия в присутствии щелочи: CH 3 COOH + NaOH = CH 4 + Na 2 CO 3.
3. Из синтез-газа: CO+ 3H 2 = CH 4 + H 2 O.
4. Из простых веществ - водорода и углерода - при повышенной температуре и давлении.

Химическая формула природного газа отражается формулой метана, поэтому все и для данного газа.

В промышленности метан получают добычей из природных месторождений и дальнейшей переработкой по фракциям. Также получаемый газ обязательно нуждается в очистке. Ведь формула природного газа метана показывает только часть тех составляющих, что он содержит. А для использования в быту нужен чистый газ, не содержащий других веществ, кроме метана. Отделяемый этан, пропан, бутан и другие газы также находят широкое применение.

Физические свойства

Формула газа дает представление о том, какими физическими свойствами он должен обладать. Рассмотрим, что же это за характеристики.

1. Бесцветное вещество, не имеющее запаха.
2. Приблизительная плотность варьируется в пределах 0,7-1 кг/м 3.
3. Температура горения 650 0 С.
4. Почти в два раза легче воздуха.
5. Теплота, выделяемая при сгорании одного кубического метра газа, равна 46 млн Джоулей.
6. В повышенных концентрациях (свыше 15%) в воздухе газ очень взрывоопасен.
7. При использовании в качестве топлива проявляет октановое число, равное 130.

Чистый газ получают только после прохождения его через специальные очистные станции (установки), которые воздвигаются на месте добычи ископаемого.

Применение

Существует несколько основных областей применения природного газа. Ведь помимо основной его составляющей, формула газа которой СН 4 , используются и все другие компоненты смеси.

1. Бытовая сфера жизни людей. Сюда относится газ для приготовления пищи, отопления жилых зданий, топлива для котельных и так далее. В газ, который используется для приготовления пищи, добавляют специальные вещества, относящиеся к группе меркаптанов. Делается это для того, чтобы в случае протекания трубы или другого упущения газа люди могли почувствовать его запах и принять меры. Смесь бытового газа (а это смесь пропана и бутана) чрезвычайно взрывоопасна в больших концентрациях. Меркаптаны же делают специфическим и неприятным на запах природный газ. Формула их включает такие элементы, как сера и фосфор, что и придает им такую специфику.

2. Химическое производство. В данной сфере одним из главных начальных веществ для многих реакций получения важных соединений является природный газ, формула которого показывает, в каких синтезах он может принимать участие:

• основа при производстве пластмасс, которые являются самым распространенным современным материалом практически для всех сфер промышленности;
• сырье при синтезе этина, цианистого водорода и аммиака. Сами перечисленные продукты в дальнейшем идут на производстве многих синтетических волокон и тканей, удобрений и утеплителей в строительстве;
• каучук, метанол, органические кислоты - образуются из метана и других веществ. Находят применение практически во всех сферах человеческой жизни;
• полиэтилен и многие другие соединения синтетической природы получили благодаря именно метану.

3. Использование в качестве топлива. Причем для любого вида деятельности человека, начиная от заправки соответствующего типа настольных ламп и до работы тепловых электростанций. Данный вид топлива считается экологически правильным и целесообразным на фоне всех альтернативных способов. Однако при сгорании метан образует углекислый газ, как любое другое органическое вещество. А он, как известно, причина парникового эффекта Земли. Поэтому перед людьми стоит задача поиска еще более чистого и качественного источника тепловой энергии.

Пока это все основные источники, которые используют природный газ. Формула его, если брать все комплексные составляющие, показывает, что он практически возобновляемый ресурс, только время для этого нужно очень много. Нашей стране с запасами газа чрезвычайно повезло, ведь такого количество природного ископаемого хватит на много сотен лет не только самой России, но и многим странам мира через экспорт.

Азот

Является составной частью нефтяных и газовых природных месторождений. Кроме того, данный газ занимает большую часть объема в воздухе (78%), а также встречается в виде природных соединений селитр в литосфере.

Как простое вещество практически не используется живыми организмами азот. Формула его имеет вид N 2 , или, с точки зрения химических связей, N≡N. Наличие такой крепкой связи говорит о высокой стабильности и химической инертности молекулы при обычных условиях. Именно это и объясняет возможность существования большого количества этого газа в свободном виде в атмосфере.

В виде простого вещества азот способен фиксироваться особыми организмами - клубеньковыми бактериями. Они затем перерабатывают в более подходящую форму для растений этот газ и таким образом осуществляют минеральное питание корневых растительных систем.

Есть несколько основных соединений, в виде которых существует в природе азот. Формула их следующая:

• оксиды - NO 2, N 2 O, N 2 O 5;
• кислоты - азотистая HNO 2 и азотная HNO 3 (образуются при грозовых разрядах из оксидов в атмосфере воздуха);
• селитры - KNO 3 , NaNO 3 и так далее.

Человеком азот используется не только в но и в жидком состоянии. Он обладает способностью переходить в жидкое состояние при температуре ниже -170 0 С, что позволяет применять его для замораживания растительных и животных тканей, многих материалов. Именно поэтому широкое применение жидкий азот находит в медицине.

Также азот является основой для получения одного из главных своих соединений - аммиака. Производство данного вещества многотоннажно, так как оно очень широко применяется в быту и промышленности (получение каучуков, красителей, пластмасс, синтетических волокон, органических кислот, лакокрасочное производство, взрывчатые вещества и так далее).

Диоксид углерода

Какова формула вещества? Углекислый газ записывается как СО 2 . Связь в молекуле ковалентная слабополярная, двойные прочные химические силы между углеродом и кислородами. Это говорит о стабильности и инертности молекулы при обычных условиях. Данный факт подтверждается свободным существованием углекислого газа в атмосфере Земли.

Это вещество является составной частью природного газа и нефти, а также накапливается в верхних слоях атмосферы планеты, вызывая так называемый парниковый эффект.

Огромное количество углекислого газа формируется при сгорании любого вида органического топлива. Будь то уголь, дрова, газ или другое топливо, полное сгорание приводит к образованию воды и этого вещества.

Отсюда и получается, что накопление его в атмосфере неизбежно. Поэтому важной задачей современного общества является поиск альтернативного, дающего минимум парникового эффекта топлива.

Водород

Еще одно попутное соединение, встречающееся в составе природных полезных ископаемых, - это водород. Газ, формула которого - Н 2 . Самое легкое вещество из всех известных на сегодняшний день.

Благодаря своим особым свойствам занимает в периодической системе два положения - среди щелочных металлов и галогенов. Имея один электрон, способен его как отдавать (металлические свойства, восстановительные), так и принимать (неметаллические свойства, окислительные).

Основная область использования - это экологически чистое топливо, за которым ученые видят будущее. Причины:

• неограниченное количество запасов этого газа;
• образование в результате горения только воды.

Однако полная технология освоения водорода как источника энергии требует доработки еще многих нюансов.

Формулы для расчетов массы, плотности и объема газов

В физике и химии применяются несколько основных способов для расчетов по газам. Так, например, если речь идет об одном из самых основных параметров, таких как масса газа, формула для расчета будет следующей:

m = V*þ, где þ - это плотность вещества, а V - его объем.

Например, если нам нужно рассчитать массу природного газа объемом 1 метр кубический при нормальных условиях, то мы берем стандартное среднее значение его плотности в справочных материалах. Оно будет равно 0,68 кг/м 3 . Теперь, когда мы знаем объем и плотность газа, формула для расчета вполне удовлетворяет требованиям. Тогда:

m (CH 4) = 0,68 кг/м 3 * 1 м 3 = 0,68 кг, так как метры кубические сокращаются.

Формула объема газа, напротив, складывается из показателей массы и плотности. То есть мы можем выразить это значение из приведенной выше конфигурации:

V = m/þ, тогда при стандартных условиях объем 2 кг метана будет равен: 2/0,68 = 2,914 м 3 .

Также в более сложных случаях (когда условия нестандартные) для расчета массы и объема газов используют уравнение Менделеева-Клапейрона, которое имеет вид:

p*V = m/M*R*T, где р - давление газа, V - его объем, m и M - масса и молярная масса соответственно, R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314, Т - температура в Кельвинах.

Такая формула объема газа позволяет получать расчеты весьма приближенные к значению идеального газа, который существует чисто гипотетически и используется для абстрактного понятия при решении задач в физике и химии. Также рассчитать объем можно по уравнению Бойля-Мариотта, которое имеет вид:

V=p н *V н *T/p*T н, где значения с индексом н - это значения при нормальных стандартных условиях.

Чтобы расчет был максимально точный и соответствовал действительности, необходимо учитывать такой параметр, как Формула для вычисления этого параметра пока еще вопрос спорный. Принято пользоваться самой обычной простой, которая имеет вид:

þ = m 0 * n, где m 0 - масса молекулы (кг), а n - концентрация, единица измерения - 1/м 3 .

Однако в ряде случаев необходимо использовать другие, более сложные и полные расчеты с несколькими переменными для получения точного и близкого к идеальному результата.

Инструкция

При этом молярную массу M можно найти по таблице Д.И. Менделеева. У азота она равна 12 г/моль. Тогда:

V=0,05*12*8,31*333/30*12≈4,61.

Если известны объем при нормальных условиях, а объем при других условиях является искомым, примените законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

pV/T=pнVн/Tн.

В таком случае преобразуйте формулу следующим образом:

pV*Tн=pнVн*T.

Отсюда объем V равен:

V=pнVн*T/p*Tн.

Индекс н означает величину того или иного параметра при нормальных условиях.

Если рассматривать объем газа с точки зрения термодинамики, можно , что на газы могут действовать силы, за счет которых меняется объем. При этом давление газа постоянно, что для изобарных процессов. В ходе таких процессов объем изменяется с одной величины на другую. Их можно обозначить как V1 и V2. В условиях ряда задач описывается некоторый газ, находящийся под поршнем в сосуде. При расширении этого газа поршень передвигается на некоторое расстояние dl, в результате чего осуществляется работа:

Зная такие необходимые вам параметры, как давление газа, его массу и температуру, вы вычислите объем по формуле:

V = MRT / mP, где R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31, m – молярная масса газа.

Полезный совет

Переведите все величины в одну систему, иначе получится бессмыслица.

Зависимость температуры газа от изменения объема объясняется, прежде всего, изначальным физическим смыслом самого понятия температуры, которое связано с интенсивностью движения частиц газа.

.

Если это твердое тело, то частицы колеблются в узлах кристаллической решетки, а если это газ, то частицы свободно перемещаются в объеме вещества, соударяясь друг с другом. Температура вещества пропорциональна интенсивности движения. С точки зрения физики, это означает, что температура прямо пропорциональна кинетической энергии частиц вещества, которая, в свою очередь, определяется величиной скорости движения частиц и их массой.

Чем больше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия частиц. Этот факт отражается в формуле для кинетической энергии идеального газа, равной произведению , постоянной Больцмана и температуры.

Влияние объема на температуру

Представьте себе внутреннее строение газа. Газ можно считать идеальным, абсолютную упругость столкновений молекул друг с другом. Газ имеет определенную температуру, то есть определенную величину кинетической энергии частиц. Каждая частица ударяется не только с другой частицей, но и со стенкой сосуда, ограничивающего объем вещества.

Если объем газа увеличивается, то есть газ расширяется, то количество столкновений частиц со стенками сосуда и друг с другом уменьшается из-за увеличения свободного пробега каждой молекулы. Уменьшение количества столкновений ведет к спаду давления газа, однако общая средняя кинетическая не меняется, ибо процесс соударения частиц никак не влияет ее величину. Таким образом, при расширении идеального газа температура не изменяется. Данный процесс называется изотермическим, то есть процессом с постоянной температурой.

Обратите внимание, что данный эффект постоянства температуры при расширении газа основан на предположении его идеальности, а также на том, что при соударении частиц со стенками сосуда частицы не теряют энергию. Если же газ не , то при его расширении уменьшается количество столкновений, приводящих к потере энергии, спад температуры становится менее резким. Практически данная ситуации соответствует термостатированию вещества газа, при котором снижаются энергетические потери, вызывающие уменьшение температуры.

Видео по теме

Прежде чем решать задачи, следует занть формулы и правила того, как найти объем газа. Следует вспомнить закон Авогадро. А сам объем газа можно вычислить при помощи нескольких формул, выбрав из них подходящую. При подборе необходимой формулы, большое значение имеют условия среды, в частности температура и давление.

Закон Авогадро

В нем говорится, что при одинаковом давлении и одинаковой температуре, в одних и тех же объемах разных газов, будет содержаться одинаковое число молекул. Количество молекул газа, содержащихся в одном моле, это есть число Авогадро. Из этого закона следует, что: 1 Кмоль (киломоль) идеального газа, причем любого, при одинаковом давлении и температуре (760 мм рт.ст. и t = 0*С) всегда занимает один объем = 22,4136 м3.

Как определить объем газа

• Формулу V=n*Vm чаще всего можно встретить в задачах. Здесь объем газа в литрах - V, Vm – объем газа молярный (л/моль), который при нормальных условиях = 22,4 л/моль, а n – количество вещества в молях. Когда в условиях нет количества вещества, но при этом есть масса вещества, тогда поступаем таким образом: n=m/M. Здесь М – г/моль (молярная масса вещества), а масса вещества в граммах - m. В таблице Менделеева она написана под каждым элементом, как его атомная масса. Сложим все массы и получим искомую.
• Итак, как рассчитать объем газа. Вот задача: в соляной кислоте растворить 10 г алюминия. Вопрос: сколько водорода может выделиться при н. у.? Уравнение реакции выглядит так: 2Al+6HCl(изб.)=2AlCl3+3H2. В самом начале находим алюминий (количество), вступивший в реакцию по формуле: n(Al)=m(Al)/M(Al). Массу алюминия (молярную) возьмем из таблицы Менделеева M(Al)=27г/моль. Подставим: n(Al)=10/27=0,37моль. Из химического уравнения видно, 3 моли водорода образовались при растворении 2-х молей алюминия. Следует рассчитать, а сколько же водорода выделится из 0,4 моли алюминия: n(H2)=3*0,37/2=0,56моль. Подставим данные в формулу и найдем объем этого газа. V=n*Vm=0,56*22,4=12,54л.