Наполеон энергетики: как самый простой углеводород стал незаменимым топливом и сырьем

Содержание

Природный газ

Общий
Другие имена	Болотный газ, Болотный газ
Молекулярная формула	CH₄
Появление	Чистый газ, голубое пламя
Характеристики
Плотность и фаза	0,717 кг / м3, газ
Температура плавления	−182,5 ° C (90,6 K) при 1 атм. 25 ° C (298 K) при 1,5 ГПа
Точка кипения	-161,6 ° С (111,55 К)
Тройная точка	90,7 К, 0,117 бар
Опасности
Паспорт безопасности	Внешний паспорт безопасности материала
Классификация ЕС	Легковоспламеняющиеся (F +)
NFPA 704	4 1 0
R-фразы	R12
S-фразы	S2, S9, S16, S33
точка возгорания	−188 ° С
температура самовоспламенения	537 ° С
Максимальное горение температура:	2148 ° С
Пределы взрываемости	5–15%
Родственные соединения
Родственные алканы	ЭтанПропан
Родственные соединения	МетанолХлорметан
Если не указано иное, данные приведены для материалы в их стандартном состоянии (при 25 ° C, 100 кПа)
См. Метан для более полного списка.

Природный газ в широком смысле — это газообразный материал, состоящий в основном из метана и происходящий из одного из трех основных типов источников: глубоко залегающие ископаемые виды топлива; неископаемый органический материал, разлагаемый анаэробными бактериями; и уголь, преобразованный с помощью химического процесса.

«Ископаемый» газ, часто называемый «природным газом» или просто «газом», находится на месторождениях природного газа, а также в нефтяных месторождениях и угольных пластах. «Биогаз» создается метаногенными микробами в болотах, болотах, свалках, сточных водах, желудках жвачных животных, таких как коровы, и отложениях на морском дне, где в определенных областях газ соединяется с холодной водой под высоким давлением, образуя лед, похожий на лед. клатраты метана. Природный газ из любого источника является мощным парниковым газом, если он попадает в атмосферу.

Прежде чем ископаемый природный газ можно будет использовать в качестве топлива, он должен пройти обширную переработку для удаления почти всех материалов, кроме метана. Одним из таких материалов является ценный невозобновляемый газообразный гелий. После очистки от примесей ископаемый газ становится экологически чистым и эффективным источником тепла, используемым в широком спектре применений, включая выработку электроэнергии на центральных электростанциях, обогрев помещений для зданий, от домов до фабрик и офисов, а также технологический нагрев для различных применений: от приготовления пищи в домашних условиях и сушки одежды до промышленного плавления стекла, предварительного нагрева металлов, обработки пищевых продуктов, сжигания отходов и сушки бумажной массы. Очищенный природный газ также становится ценным источником строительных блоков метана (CH4), которые можно легко преобразовать в аммиак (NH4) для производства удобрений или метанол (CH3OH) для производства промышленных химикатов.

Природный газ в виде сжатого природного газа (КПГ) или сжиженного природного газа (СПГ) используется в качестве основного автомобильного топлива в таких странах, как Аргентина, Бразилия, Пакистан, Италия и Индия. В США использование природного газа в качестве автомобильного топлива ограничивается в первую очередь транспортными средствами, такими как автобусы.

Планируемый трубопровод Иран-Пакистан-Индия, по которому иранский природный газ будет поставляться в Пакистан и Индию, был назван трубопроводом мира, поскольку он поможет укрепить взаимозависимость в этом нестабильном регионе.

Возможные будущие источники

Будущие источники метана, основного компонента природного газа, включают свалочный газ, биогаз и гидрат метана. Биогаз, и особенно свалочный газ, уже используется в некоторых областях, но его использование может быть значительно расширено. Свалочный газ — это тип биогаза, но под биогазом обычно понимают газ, произведенный из органических материалов, не смешанных с другими отходами.

Свалочный газ образуется при разложении отходов на свалках. Если газ не удалить, давление может стать настолько высоким, что он достигнет поверхности, что приведет к повреждению конструкции полигона, появлению неприятного запаха, отмиранию растительности и опасности взрыва. Газ можно выбрасывать в атмосферу, сжигать на факеле или сжигать для производства электричества или тепла.

После удаления водяного пара около половины свалочного газа составляет метан. Почти все остальное — это углекислый газ, но есть также небольшие количества азота, кислорода и водорода. Обычно присутствуют следовые количества сероводорода и силоксанов, но их концентрация широко варьируется. Свалочный газ нельзя распределять по трубопроводам природного газа, если он не очищен до такого же качества. Обычно более экономично сжигать газ на месте или на небольшом расстоянии от полигона, используя специальный трубопровод. Водяной пар часто удаляется, даже если газ сжигается на месте. Другие неметановые компоненты также могут быть удалены, чтобы соответствовать стандартам выбросов, предотвратить загрязнение оборудования или по экологическим соображениям. Совместное сжигание свалочного газа с природным газом улучшает сгорание, что снижает выбросы.

Биогаз обычно производится из сельскохозяйственных отходов, таких как непригодные для продажи части растений и навоз. Биогаз также можно производить путем отделения органических материалов от отходов, которые в противном случае попадают на свалки, что более эффективно, чем просто улавливание производимого им свалочного газа. Использование материалов, которые в противном случае не приносили бы дохода или даже стоили денег, чтобы избавиться от них, улучшает прибыльность и энергетический баланс производства биогаза.

Анаэробные лагуны используются для производства биогаза из навоза, а биогазовые реакторы могут использоваться для навоза или частей растений. Как и свалочный газ, биогаз состоит в основном из метана и углекислого газа с небольшими количествами азота, кислорода и водорода. Однако, за исключением пестицидов, уровень загрязнителей обычно ниже.

Предполагаемый источник огромного количества метана — гидрат метана, обнаруженный под осадками в океанах. По состоянию на 2009 год не было разработано никаких технологий для его экономического восстановления, но в этом направлении был достигнут значительный прогресс.

Европейские категории качества природного газа

Категории качества природного газа различаются по химическому составу в зависимости от региона добычи.

Основную часть природного газа составляет метан.

В состав природного газа в большом количестве могут входить различные углеводороды (алканы) — этан, пропан, бутан и пентан. Другими, удаляемыми компонентами являются сероводород и диоксид углерода.

В зависимости от содержания метана выделяются две основные группыприродного газа:

Природный газ группы H (Н–газ, т.е. высококалорийный газ) в связи с высоким содержанием метана (от 87% до 99%) является самым высококачественным. Российский природный газ относится к группе Н и отличается высокой теплотворной способностью. Ввиду высокого содержания метана (~ 98%) он является самым высококачественным природным газом мира.
Природный газ группы L (L–газ, т.е. низкокалорийный газ) — это природный газ с менее высоким содержанием метана — от 80% до 87%. Если требования по качеству не выполняются (11,1 кВт-ч/куб.м ), то часто газ нельзя поставлять непосредственно конечному потребителю без дополнительной переработки.

Благодаря высокому качеству российского природного газа он нашел универсальное применение во всех областях экономики. Применение таких энергоносителей, как природный газ сопровождается внедрением инновационных достижений и позволяет сократить выбросы CO₂. Роль природного газа как благоприятного для окружающей среды энергоносителя, отвечающего современным экологическим требованиям и в условиях роста потребления энергии в Германии и Европе, имеет растущее значение на энергетическом рынке.

Смесь пропан-бутан

Пропан-бутановые смеси, в том числе автомобильные, являются наиболее известными и востребованными газовыми составами. Сжиженные углеводородные газы (СУГ) добывают при добычи нефти путем разделения непосредственно нефти и попутного нефтяного газа (ПНГ), далее специальных установках из ПНГ выделяют Пропан (С3Н8) и Бутан (С4Н10), из которых подготавливают топливную смесь.

Пропан-бутановая смесь более тяжелая по сравнению с воздухом, поэтому при утечке газ «стелется» по земле и накапливается в помещении, что токсично и взрывоопасно. Именно фактор безопасности следует рассматривать, как один из основополагающих, при выборе вида газомоторного топлива.

Плотность метана. Свойства газов метанового ряда CnH2n+2

В таблице указана плотность метана при различных температурах, включая плотность этого газа при нормальных условиях (при 0°С). Также приведены его теплофизические свойства и характеристики других газов метанового ряда.

Представлены следующие теплофизические свойства газов метанового ряда: коэффициент теплопроводности λ, динамическая вязкость η, число Прандтля Pr, кинематическая вязкость ν, массовая удельная теплоемкость C_p, отношение теплоемкостей (показатель адиабаты) k, коэффициент температуропроводности a и плотность газов метанового ряда ρ. Свойства газов даны при нормальном атмосферном давлении в зависимости от температуры — в интервале от 0 до 600°С.

К газам метанового ряда относятся углеводороды с брутто-формулой C_nH_2n+2 такие, как: метан CH₄, этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀, пентан C₅H₁₂, гексан C₆H₁₄, гептан C₇H₁₆, октан C₈H₁₈. Их еще называют гомологический ряд метана.

Плотность газов метанового ряда при увеличении их температуры снижается из-за теплового расширения газа. Такой характер зависимости плотности от температуры свойственен и многим другим газам. Следует также отметить, что плотность газов метанового ряда растет по мере увеличения количества атомов углерода и водорода в молекуле газа (числа n в формуле C_nH_2n+2).

Наиболее легким газом из рассмотренных в таблице является метан — плотность метана при нормальных условиях равна 0,7168 кг/м 3 . Метан при нагревании расширяется и становиться менее плотным. Так, например при температуре 0°С и 600°С, плотность метана отличается приблизительно в 3 раза.

Теплопроводность газов метанового ряда снижается при увеличении числа n в формуле C_nH_2n+2. При нормальных условиях она изменяется в диапазоне от 0,0098 до 0,0307 Вт/(м·град). По данным в таблице следует, что наибольшей теплопроводностью обладает такой газ, как метан — его коэффициент теплопроводности, например при 0°С, равен 0,0307 Вт/(м·град).

Наименьшая теплопроводность (0,0098 Вт/(м·град) при 0°С) свойственна газу октану. Следует отметить, что при нагревании газов метанового ряда их теплопроводность увеличивается.

Удельная массовая теплоемкость газов, входящих в гомологический ряд метана при нагревании увеличивается. Также увеличивают свои значения такие их свойства, как вязкость и температуропроводность.

Характеристики метана:

Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28.01.2021 № 2

“Об утверждении санитарных правил и норм СанПиН 1.2.3685-21 “Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания”

Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ)

загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских

и сельских поселений

	N п/п	Наименование вещества	Регистрационный номер CAS	Формула	Величина ОБУВ, мг/м3
	1	2	3	4	5
798.	Метан	74-82-8	CH₄	50

Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ

в воздухе рабочей зоны

Номер вещества	Наименование вещества	Регистрационный номер CAS	Формула	Величина ПДК, мг/м3	Преимущественное агрегатное состояние в воздухе в условиях производства	Класс опасности	Особенности действия на организм
1249	Метан	74-82-8	CH₄	7000	п	4

Химический состав природного газа

Что касается основных веществ, входящих в состав природного газа, то ими являются метан (CH 4), углекислый газ (CO 2) и азот в виде молекул (N 2). Из этих веществ и элементов состоит практически любой природный газ, будь то рудничный или болотный. Что же касается состава природного газа в процентах, то основным веществом, входящим в состав природного газа безусловно является метан. Его доля составляет от 90 до 98% — в зависимости от месторождения газа. Также в состав природного газа входят такие вещества, как бутан, пропан, этан (углеводороды, называемые также гомологами метана, поскольку состоят из одних и тех же химических элементов, различаясь только по количеству атомов углерода и водорода и, соответственно, по структуре молекул). Из неуглеводородных составляющих природного газа отметим, помимо уже описанных азота и диоксида углерода (углекислого газа), водород (H 2), гелий (He) и сероводород (H 2 S).

Природный газ

Метан добывают на месторождениях путем бурения скважин в газоносных слоях земной коры, залегающих на глубине от одного до нескольких километров. Транспортировка осуществляется по газопроводам в сжатом от 6 до 70 атм (компримированном) состоянии.

Газ подвергается многоэтапной очистке от примесей – на выходе из скважины, в наземных сепараторах, в компрессорных станциях, что позволяет получить продукт высокой степени чистоты.

Значительно низкие затраты на добычу, переработку и транспортировку природного газа заставляют специалистов рассматривать метан как топливо ближайшего будущего – дешевое, экономичное и безопасное.

Вследствие того, что метан легче воздуха практически в два раза, при утечках он мгновенно улетучивается в атмосферу и, как следствие, в открытых пространствах не представляет опасности для человека.

Углекислый газ и сероводород

Углекислый газ и сероводород в газовой смеси появляются в основном за счет окисления углеводородов в приповерхностных условиях при помощи кислорода и с участием аэробных бактерий.

На больших глубинах при соприкосновении углеводородов с природными сульфатными пластовыми водами образуются как углекислый газ, так и сероводород.

Со своей стороны сероводород легко вступает в окислительные реакции, особенно под воздействием серных бактерий и тогда выделяется чистая сера.

Таким образом, сероводород, сера и углекислый газ постоянно сопровождают углеводородные газы.

Содержание СО₂ в газах колеблется от долей до нескольких процентов, но известны залежи природного газа с содержанием углекислоты до 80 – 90 %.

Содержание сероводорода в газах также от долей процента до 1 – 2 %, но есть газы с высоким его содержанием. Примерами могут служить Оренбургское месторождение (до 5 %), Карачаганакское (до 7 – 10 %), Астраханское (до 25 %). На том же Астраханском месторождении и доля углекислого газа достигает 20 %.

Применение метана[]

Метан используется в качестве топлива для печей, водонагревателей, автомобилей, турбин и др. Для хранения метана может использоваться активированный уголь.

Как основной компонент природного газа метан используется для производства электроэнергии при сжигании его в газовых турбинах или парогенераторах. По сравнению с другими видами углеводородного топлива метан производит меньше углекислого газа на единицу выделенного тепла. Теплота сгорания метана около 891 кДж/моль и ниже, чем у любого другого углеводорода. Тем не менее, он производит больше тепла на единицу массы (55,7 кДж/г), чем любое другое органическое вещество из-за относительно большого содержания водорода, что вносит вклад водорода около 55 % в теплоту сгорания, но составляет только 25 % молекулярной массы метана.

Во многих городах метан подаётся в дома для отопления и приготовления пищи. При этом его обычно называют природным газом, содержание энергии в котором составляет 39 мДж/м3. Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой преимущественно метан (CH₄), сжижаемый для удобства хранения и/или транспортировки.

Жидкий метан, в сочетании с жидким кислородом, рассматривается в качестве перспективного ракетного топлива и используется в таких двигателях, как РД-0162, BE-4 и Raptor. Метан имеет преимущества перед керосином в том, что он:

даёт бо́льший удельный импульс;
оставляет меньше продуктов сгорания на внутренних частях ракетных двигателей;
позволяет легче освободить полости двигателя от остатков топлива.

Это уменьшает сложность повторного использования ракет.

Метан используется в качестве сырья в органическом синтезе, в том числе для производства метанола.

Примеры решения задач

Задание	Вычислите плотность по водороду смеси 25 л фтора и 175 л хлора.
Решение	Найдем объемные доли веществ в смеси:

φ (F₂) = 25 / (25 + 175) = 25 / 200 = 0,125.

φ (Cl₂) = 175 / (25 + 175) = 175 / 200 = 0,875.

Объемные доли газов будут совпадать с молярными, т.е. с долями количеств веществ, это следствие из закона Авогадро. Найдем условную молекулярную массу смеси:

M_r conditional (mixture) = 0,125 × 38 + 0,875 ×71 = 4,75 + 62,125 = 66,875.

Найдем относительную плотность смеси по водороду:

Ответ Плотность по водороду смеси, состоящей из фтора и хлора равна 33,44.

Задание

Рассчитайте плотности газов хлороводорода HCl и пропана C₃H₈ по воздуху.

Решение

Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.

Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух – это смесь газов.

Состав

Химический состав природного газа представлен метаном (CH4) — его содержание достигает 98 %. Допускается присутствие более тяжелых углеводородов, к которым относятся:

бутан (C4H10);
пропан (C3H8);
этан (C2H6);
неуглеводородные вещества: водород (H2), гелий (Не), азот (N2).

Физические свойства вещества:

бесцветное, без запаха (в чистом виде);
плотность — 0,7 кг/м3 (в сухом газообразном виде) либо 400 кг/м3 (в жидком виде);
температура возгорания — 650 градусов.

Природный газ, находящийся в виде пластовых залежей в недрах Земли, имеет газовое состояние в виде отдельных скоплений. В нефти или воде пребывает в растворенном состоянии.

Химический состав

Основным компонентом природного газа является метан (CH₄), самая короткая и легкая молекула углеводорода. Природный газ в качестве ископаемого топлива также содержит более тяжелые газообразные углеводороды, такие как этан (C₂ЧАС₆), пропан (C₃ЧАС₈) и бутан (C₄ЧАС₁₀), а также серосодержащих газов в различных количествах. Ископаемый природный газ также содержит в различных количествах и является основным рыночным источником гелия, невозобновляемого и ценного ресурса. В основном из-за факторов стоимости и целесообразности, только небольшая часть гелия, содержащегося в природном газе, фактически извлекается из газа. Большая часть природного газа, добываемого с Земли, никогда не обрабатывается для отделения гелия, так что гелий в конечном итоге уходит в атмосферу без использования.

Составная часть	вес. %
Метан (CH₄)	80-95
Этан (C₂ЧАС₆)	5-15
Пропан (C₃ЧАС₈) и бутан (C₄ЧАС₁₀)	5

Также могут присутствовать азот, гелий, диоксид углерода и следовые количества сероводорода, воды и отдушек. Ртуть также присутствует в небольших количествах в природном газе, добываемом на некоторых месторождениях. Точный состав природного газа зависит от газового месторождения.

Сероорганические соединения и сероводород являются обычными загрязнителями, которые необходимо удалить перед большинством применений. Газ со значительным количеством примесей серы, например, сероводорода, называется кислый газ и часто называют «кислым газом». Обработанный природный газ, доступный конечным потребителям, не имеет вкуса и запаха, однако перед тем, как газ будет передан конечным пользователям, он одорируется путем добавления небольших количеств тиолов, чтобы облегчить обнаружение утечек. Обработанный природный газ сам по себе безвреден для человеческого организма, однако природный газ является простым удушающим веществом и может убить, если вытесняет воздух до такой степени, что содержание кислорода не поддерживает жизнь.

Природный газ также может быть опасным для жизни и имущества в результате взрыва. Природный газ легче воздуха, поэтому имеет тенденцию рассеиваться в атмосфере. Но когда природный газ ограничен, например, в доме, концентрация газа может достигать взрывоопасных смесей и в случае воспламенения может привести к взрывам, которые могут разрушить здания. Метан имеет нижний предел взрываемости 5 процентов в воздухе и верхний предел взрываемости 15 процентов.

Взрывоопасность сжатого природного газа, используемого в транспортных средствах, практически отсутствует из-за ускользающего газа и необходимости поддерживать концентрацию от 5 до 15 процентов, чтобы вызвать взрывы.

Краткое описание химических свойств и плотность метана

Метан – первый представитель гомологического ряда предельных углеводородов – алканов. Он способен вступать в реакции радикального замещения (галогенирование, нитрование , сульфохлорирование , сульфоокисление и т.д.), однако ему не свойственна высокая реакционная способность.

Реакция галогенирования метана протекает по цепному механизму и обязательно на свету:

Метан, как и другие органические соединения сгорает на воздухе сине-голубоватым пламенем, выделяя при этом значительное количество теплоты:

Метан используется как сырье для получения целого ряда органических веществ, например метанола, уксусной кислоты, ацетальдегида:

Метан в природе

В естественных условиях метан имеет несколько источников:

природный газ и попутные нефтяные газы, в составе которых метан является главным компонентом;
рудничный газ, поступающий из угольных пластов и образующий с воздухом взрывоопасную смесь;
вулканические газы;
продукты обмена веществ некоторых анаэробных микроорганизмов, перерабатывающих клетчатку и обитающих в болотах, стоячих водоемах, в пищеварительном тракте жвачных животных.

Метан способен в больших количествах накапливаться в газогидратной форме в многолетней мерзлоте и на океанском дне. В составе метангидрата молекула внедряется в полости внутри кристаллической решетки водяного льда. Соединения с такой структурой называют клатратами. При таянии льда газ высвобождается и поступает в атмосферу.

За пределами Земли метан в большом количестве обнаружен на спутнике Сатурна Титане, в атмосферах планет-гигантов и Марса.

Применение метана в качестве газомоторного топлива

Метан – это прежде всего экологически чистое топливо, а СПГ – самая эффективная форма метана, позволяющая доставлять газ на большие расстояния, легко получать в случае необходимости КПГ либо газообразный метан.

Особенно продуктивно применение сжиженного метана для транспорта высокой мощности, испытывающего потребность в большом объеме топлива «на борту» транспортного средства – речь идет о железнодорожной, водной и морской, карьерной и дорожно-строительной технике, магистральных тягачах, междугородних грузовых или пассажирских перевозках на дальние расстояния, где природный газ (СПГ) не имеет равных по эффективности.

Важно отметить, что температура испарения метана составляет -161°С. Это в разы ниже, чем температура эксплуатации сжиженного углеводородного газа

Например, бутан замерзает уже при отрицательной температуре, что делает его применение затруднительным в зимних условиях Казахстана.

Источники

Природный газ в качестве ископаемого топлива коммерчески добывается на нефтяных месторождениях и месторождениях природного газа. Газ, добываемый из нефтяных скважин, называется попутным газом или попутным газом. Двумя крупнейшими месторождениями природного газа, вероятно, являются газовое месторождение Южный Парс в Иране и Уренгойское газовое месторождение в России с запасами порядка 10.13 кубические метры. Катар также имеет 25 триллионов кубометров природного газа (5 процентов доказанных мировых запасов), которых хватит на 250 лет при нынешнем уровне добычи.

Городской газ — это смесь метана и других газов, которую можно использовать так же, как и природный газ, и можно получить путем химической обработки угля. Это историческая технология, которая до сих пор используется как «лучшее решение» в некоторых местных условиях, хотя газификация угля обычно невыгодна при нынешних ценах на газ, что зависит от инфраструктурных соображений. Метаногенные археи ответственны за все биологические источники метана, некоторые из которых находятся в симбиотических отношениях с другими формами жизни, включая термитов, жвачных животных и возделываемые культуры. Метан, выбрасываемый непосредственно в атмосферу, будет считаться загрязнителем, однако метан в атмосфере окисляется, образуя диоксид углерода и воду.

Метан в энергетике

Главная особенность метана с точки зрения энергетики — это высокая теплота сгорания на единицу массы. При сжигании килограмма метана в котле или газовой печи выделяется 50,1 мегаджоуля тепла, при сжигании древесного угля — 31, дров — 15. Из горючих веществ по этому показателю с метаном конкурируют лишь ацетилен (50,4 МДж/кг), вещество нестабильное и взрывоопасное, и водород (141 МДж/кг), который теоретически эффективен, но на практике его производство, хранение и транспортировка требуют больших затрат.

Метан также ценен для энергетики благодаря низкому уровню выбросов в атмосферу. Если сжечь природный газ и уголь с одинаковой выработкой тепла, то в первом случае в воздух попадет почти в пять раз меньше диоксида азота (NO₂) и монооксида углерода (CO), чем во втором, на 43% меньше углекислого газа, а выбросов пыли и золы практически не будет.

Россия обладает огромными запасами природного газа: только известные составляют более 44 триллионов кубометров. Эта цифра с каждым годом растет за счет геологоразведочных работ. В 2022 году прирост разведанных запасов в нашей стране составил 675 миллиардов кубометров, при этом добыча в том же 2022 году составила 573 миллиарда кубометров.

Богатые запасы, эффективность в качестве топлива и экологичность обусловили лидерство природного газа как первичного источника энергии в энергобалансе России — в 2021 году его доля составила около 55%. Кроме того, он все более популярен у автомобилистов. Сегодня автопроизводители выпускают, в том числе, машины на метановых или двухтопливных двигателях. В распоряжении россиян почти 500 газовых заправок.

Общее понятие о строении метана

Определяющая метан формула имеет вид , то есть молекула его образована одним атомом углерода с валентностью IV и четырьмя водородными атомами. На понимании того, как строится эта молекула, основано дальнейшее изучение всех органических соединений.

Электроны в атоме углерода

В основном состоянии углерод характеризуется конфигурацией электронного облака и валентностью II, поскольку обладает лишь двумя неспаренными внешними электронами:

При сообщении некоторой энергии происходит возбуждение атома, 2s2-электроны распариваются и один из них занимает вакантную орбиталь на 2p-подуровне. В результате атом получает четыре неспаренных электрона и валентность IV:

Углерод во всех органических соединениях четырехвалентен.

Подуровни 2s и 2p стремятся к выравниванию энергий своих электронов, что ведет к перераспределению электронных плотностей их облаков и к изменению их формы. Образуются гибридные 2sp-облака (орбитали). Их количество зависит от того, сколько орбиталей участвует в гибридизации.

Если в нее вступают наряду с 2s все три 2p-орбитали, говорят о гибридизации типа sp3. В этом случае образуются четыре одинаковых гибридных электронных облака. Оси их вследствие взаимного отталкивания располагаются в пространстве таким образом, что атом приобретает форму тетраэдра. Молекулы метана и прочих алканов образованы только sp3-гибридизованным углеродом.

Молекула метана

Углеродный атом в sp3-гибридизованном состоянии вступает в четыре равноправных ковалентных простых σ-связи с водородом. Каждая из них формируется путем перекрывания одной из четырех углеродных 2sp3-орбиталей с 1s1-орбиталью водорода по линии, проходящей через ядра атомов. Ориентация σ-связей соответствует осям гибридных орбиталей, поэтому молекула имеет тетраэдрическую форму.

Строение молекулы удобно отображать с помощью структурной и электронной формул:

В молекулах метана и его гомологов углерод связывается с наибольшим возможным числом атомов водорода, поэтому углеводороды ряда алканов называют предельными.