Метан главный компонент. Метан — химические свойства

При котором кристаллическая решетка металла разрушается и он переходит из твердого фазового состояния в жидкое.

Температура плавления металлов - показатель температуры нагреваемого металла, при достижении которой начинается процесс (плавления). Сам процесс обратный кристаллизации и неразрывно связан с ней. Для того чтобы расплавить металл? его необходимо нагреть, используя внешний источник тепла до температуры плавления, а затем продолжить подвод теплоты для преодоления энергии фазового перехода. Дело в том, что само значение температуры плавления металлов указывает на температуру, при которой материал будет находиться в фазовом равновесии, на границе между жидкостью и твердым телом. При такой температуре чистый металл может существовать одновременно как в твердом, так и в жидком состоянии. Для осуществления процесса плавления необходимо перегреть металл немного больше равновесной температуры, чтобы обеспечить положительный термодинамический потенциал. Дать своеобразный толчок процессу.

Температура плавления металлов постоянна только для чистых веществ. Наличие примесей будет смещать равновесный потенциал в ту или иную сторону. Это происходит потому, что металл с примесями формирует иную кристаллическую решетку, и силы взаимодействия атомов в них будут отличаться от тех, которые присутствуют в чистых материалах.В зависимости от величины температуры плавления, металлы делят на легкоплавкие (до 600°С, такие как галлий, ртуть) , среднеплавкие (600-1600°С, медь, алюминий) и тугоплавкие (>1600°С, вольфрам, молибден).

В современном мире чистые металлы используют редко в силу того, что они имеют ограниченный диапазон физических свойств. Промышленность давно и плотно использует различные комбинации металлов - сплавы, разновидностей и характеристик которых гораздо больше. Температура плавления металлов, входящих в состав различных сплавов, будет также отличаться от температуры плавления их сплава. Разные концентрации веществ обуславливают порядок их плавления или кристаллизации. Но существуют равновесные концентрации, при которых металлы, входящие в состав сплава, затвердевают или плавятся одновременно, то есть ведут себя как однородный материал. Такие сплавы называются эвтектическими.

Знать температуру плавления очень важно при работе с металлом, эта величина необходима как в производстве, для расчета параметров сплавов, так и при эксплуатации металлических изделий, когда температура фазового перехода материала, из которого изделие изготовлено, определяет ограничения при его использовании. Для удобства эти данные сведены в единую плавления металлов - сводный результат физических исследований характеристик различных металлов. Существуют также подобные таблицы и для сплавов. Температура плавления металлов также существенно зависит и от давления, поэтому данные таблицы актуальны для конкретного значения давления (обычно это нормальные условия, когда давление равно 101.325 кПа). Чем выше давление, тем выше температура плавления, и наоборот.

От температуры плавления металла зависит способ его плавки, материал футеровки плавильной печи или тигля и линейной формы. Температура плавления и плотность всех основных металлов приведены в табл.1.1.

Плотность металлов измеряется массой в единице объема. Значение плотности используют в расчетах массы расплава или отливок по геометрическим размерам или их объемы, если известна масса.

Из приведенных в табл.1 металлов самым легким является литий, а к наиболее тяжелым - вольфрам и золото, имеющие плотность более 19 г/см 3 . Температура плавления металлов охватывает промежуток от - 39 о С у ртути до 3400 о С у вольфрама.

Металлы, имеющие температуру плавления ниже 500 - 600 о С, называют легкоплавкими. В табл. 1.1 к легкоплавким относятся цинк и все другие металлы, расположенные до него. Принято также выделять тугоплавкие металлы, относя к ним те, которые обладают более высокой температурой плавления, чем железо, то есть по табл.1 это титан и далее до вольфрама.

Из табл. 1.1 видно, что по плотности металлы при комнатной температуре также имеют очень широкий промежуток значений.

Температура плавления и плотность металлов

В технике принято выделять группу легких металлов, служащих основой конструкционных металлических материалов. К легким металлам относят те, у которых плотность не превышает 5 г/см 3 , то есть в эту группу входят титан, алюминий, магний, бериллий, литий.

Температуру плавления сплава рассчитывают с учетом концентрации, атомной массы и понижения температуры плавления основного металла:

Например, температура плавления чистого железа снижается в присутствии 1-го массового %: Cu - 1 о С; V, Mo, M n - 2 o C; Al - 3,5 o C; Si - 12 o C; Ti - 18 o C; P - 28 o C; S - 30 o C; C - 73 o C; B - 90 o C.

С повышением температуры от комнатной до температуры плавления плотность большинства металлов уменьшается на 3-5 % вследствие того, что переход металла в жидкое состояние сопровождается увеличением объема. Исключение составляют гелий, висмут, сурьма, германий и кремний, которые при плавлении уменьшаются в объеме при соответствующем повышении плотности расплава.

Изменение плотности сплава при переходе из жидкого состояния в твердое предопределяет объемную усадку. В отливках из сплавов с положительным значением Д с усадка проявляется в виде усадочных раковин и мелких пор, а с отрицательным значением Д с - в виде наростов (выдавленных на поверхность отливки расплав).

Наряду с плотностью (с ), для описания свойств металлов используется обратная величина - удельный объем V = 1/с см 3 /г . С повышением температуры плотность всех металлов в твердом состоянии уменьшается, удельный объем соответственно увеличивается. Увеличение удельного объема твердого металла, не испытывающего полиморфных превращений, при нагреве на Дt может быть довольно точно описано линейной зависимостью. , где - температурный коэффициент объемного расширения. Как известно из физики, температурный коэффициент линейного расширения в данном температурном интервале.

Переход металла в жидкое состояние сопровождается в основном увеличением объема и соответствующим уменьшением плотности. В табл. 1 это выражено через изменение удельных объемов, удельные объемы жидкого и твердого металла при температуре плавления. Можно показать, что

Незначительное изменение объема металлов при плавлении свидетельствует о том, что расстояние между атомами в жидком металле мало отличается от межатомных расстояний в кристаллической решетке.

Повышение температуры жидкого металла вызывает постепенное изменение его свойств и приводит к постепенным структурным перестройкам, которые выражаются в понижении координационного числа и постепенном исчезновении ближнего порядка в расположении атомов. Вызываемое повышением температуры увеличение удельного объема расплава может быть приближенно описано линейной зависимостью. Температурный коэффициент объемного расширения жидкого металла существенно больше, чем такой же коэффициент твердого металла. Обычно.

Сплавы как в твердом, так и в жидком состоянии в общем случае не являются совершенными растворами, и сплавление двух и более металлов всегда сопряжено с изменением объема. Как правило, отмечается уменьшение объема сплава в сравнении с суммарным объемом чистых компонентов с учетом их содержания в сплаве. Однако для технических расчетов можно пренебречь уменьшением объема при сплавлении. В этом случае удельный объем сплава может быть определен по правилу аддитивности, то есть по значениям удельных объемов чистых компонентов с учетом их содержания в сплаве. Таким образом, удельный объем сплава, который состоит из компонентов, содержащихся в процентах по массе в количестве, соответственно равен

Здесь - удельные объемы чистых компонентов при той же температуре, для которой вычисляется удельный объем сплава. Важно иметь в виду, что указанное правило аддитивности в том виде, как оно написано выше, справедливо именно для удельного объема сплава. Если заменить удельные объемы плотностями, то получается значительно более сложное выражение, поэтому целесообразнее пользоваться именно удельными объемами.

В научных исследованиях часто используется величина, называемая атомным объемом или объемом грамм-атома металла или сплава. Эту величину находят делением атомной массы на плотность. Для металлов атомный объем имеет пределы 5 - 20 см 3 , чаще 8 - 12 см 3 .

Плотность зависит от природы вещества (сплава), от комплекса индивидуальных свойств элементов, входящих в его состав, и вида их взаимодействия. Одно и то же вещество (металл) может иметь разную плотность в зависимости от кристаллического строения, типа кристаллической решетки. Например, Fe б = 768 и Fe г = 7,76; С алм = 3,51, С граф = 2,23; б кварц = 2,65, в кварц = 2,51 и др.

Важно учитывать различие понятий «плотность» и «удельный вес» материала.

Плотность - это отношение массы вещества к занимаемому объему:

где m - масса, г(кг); V - объем, см 3 (м 3); с - плотность, г/см 3 (кг/м 3).

Удельный вес определяют как отношение веса вещества к занимаемому объему:

где P - вес, г (кг); г - удельный вес, см 3 (м 3).

Вес находят по отношению:

где g - ускорение свободного падения; k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, входящих в формулу величин.

И, следовательно

В одной и той же системе единиц плотность и удельный вес не совпадают численно. Например, для дистиллированной воды в различных системах единиц с и г имеют разные значения (табл. 1.2).

Совпадение численных значений плотности и удельного веса, взятых из разных систем единиц измерения, является иногда причиной замены одной величины другой.

Масса тела - неизменная величина и является мерой гравитационных и инерционных свойств вещества, а вес - величина переменная, зависящая от ускорения свободного падения в точке наблюдения. Поэтому удельный вес не может являться справочной величиной.

Отношение масс двух тел в одной и той же точке наблюдения равно от- ношению весов этих тел:

Поэтому при взвешивании находят массу тела в сопоставлении ее с массой гирь. В результате взвешивания определяют массу материала.

На практике плотность определяют для выявления изменений в конечном металле по сравнению с исходным необработанным. Поэтому имеет значение не сам факт установления плотности, а факт разницы плотностей, или что еще более показательно - отношение плотностей:

Методы определения плотности классифицируются по групповым признакам: весовым, объемным, иммерсионным.

К весовым методам относятся гидростатическое взвешивание, микрометрический метод, ареометрический метод постоянного объема и массы и др. Это наиболее распространенные и точные методы.

К объемным - определение объема образца путем линейных измерений (образец правильной формы) с помощью газовых или жидкостных волюмометров. Объемные методы (по геометрическим размерам) дают возможность сделать точные вычисления при больших объемах образцов.

Уравновешивание плотности в жидкости называют иммерсионным методом. К нему также относится метод термоградиентной трубки и др.

Кроме перечисленных, используют еще и механические, радиационные, рефрактометрические, аналитические и другие методы определения плотности по косвенным показателям.

Чтобы расплавленный металл хорошо заполнял форму, поверхностное натяжение и вязкость его не должны препятствовать поступательному движению расплава до тех пор, пока она не будет полностью заполнена. Вязкость, поверхностное натяжение и диффузия влияют на процессы рафинирования, легирования, модифицирования сплавов.

Химические свойства метана ничем не отличаются от свойств, присущих всем . В школьном курсе химии метан изучают одним из первых веществ органики, так как он является одним из простейших представителей алканов.

Формула метана и способы его получения

Метан в больших количествах содержится в атмосфере. Мы не обращаем внимания на нахождение этого газа в воздухе, ведь на нашем организме это никак не отражается, а вот канарейки очень чувствительны к метану.

Когда-то они даже помогали шахтерам спускаться под землю. Когда процентное содержание метана изменялась, птицы переставали петь. Это служило сигналом для человека, что он спустился слишком глубоко и нужно подниматься наверх.

Образуется метан в результате распада остатков живых организмов. Не случайно с английского methane переводится, как болотный газ, ведь он может быть обнаружен в заболоченных водоемах и каменноугольных шахтах.

Основным источником газа в агропромышленном комплексе является рогатый скот. Да, метан они выводят из организма вместе с остальными продуктами жизнедеятельности. Кстати, увеличение числа рогатого скота на планете может привести к разрушению озонового слоя, ведь метан с кислородом образуют взрывоопасную смесь.

Метан в промышленности можно получить с помощью нагревания углерода и водорода или синтеза водяного газа, все реакции протекают в присутствии катализатора, чаще всего никеля.

В США разработана целая система по добыче метана, она способна извлечь до 80% газа из природного угля. На сегодняшний день мировые запасы метана оцениваются экспертами в 260 триллионов метров кубических! Даже запасы природного газа значительно меньше.

В лаборатории метан получают путем взаимодействия карбида алюминия (неорганическое соединение алюминия с углеродом) и воды. Также с помощью , вступающего в реакцию с ацетатом натрия, более известного как пищевая добавка Е262.

Физические свойства метана

Характеристика:

Бесцветный газ, без запаха.
Взрывоопасен.
Нерастворим в воде.
Температура кипения: -162 o C, замерзания: -183°C.
Молярная масса: 16,044 г/моль.
Плотность: 0,656 кг/м³.

Химические свойства метана

Говоря о химических свойствах, выделяют те реакции, в которые вступает метан. Ниже они приведены вместе с формулами.

Горение метана

Как все органические вещества, метан горит. Можно заметить, что при горении образуется голубоватое пламя.

СН 4 + 2O 2 → СO 2 + 2Н 2 O

Называется такая реакция – реакцией горения или полного окисления.

Замещение

Метан также реагирует с галогенами. Это химические элементы 17 группы в периодической таблице Менделеева. К ним относятся: фтор, хлор, бром, йод и астат. Реакция с галогенами называется – реакцией замещения или галогенирования. Такая реакция проходит только в присутствии света.

Хлорирование и бромирование

Если в качестве галогена используется хлор, то реакция будет называться – реакцией хлорирования. Если в качестве галогена выступает бром, то – бромирование, и так далее.

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + НСl

CH 4 + Br 2 → CH 3 Br + НBr

Хлорирование. Низшие алканы могут прохлорировать полностью.

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + НСl

CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Сl 2 + НСl

CH 2 Сl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + НСl

CHCl 3 + Cl 2 → CСl 4 + НСl

Точно так же метан может полностью вступать в реакцию бромирования.

CH 4 + Br 2 → CH 3 Br + Н Br

CH 3 Br + Br 2 → CH 2 Br 2 + НBr

CH 2 Br 2 + Br 2 → CHBr 3 + НBr

CHBr 3 + Br 2 → CBr 4 + НBr

С йодом такой реакции уже нет, а с фтором наоборот сопровождается быстрым взрывом.

Разложение

Так же этому углеводороду свойственна реакция разложения. Полное разложение:

СН 4 → С + 2H₂

И неполное разложение:

2СН 4 → С 2 Н 2 + 3Н 2

Реакция с кислотами

Метан реагирует с концентрированной серной кислотой. Реакция носит название сульфирования и происходит при небольшом нагревании.

2СН 4 + Н 2 SО 4 → СН 3 SО 3 Н + Н 2 О

Окисление

Как уже было сказано, СH 4 может полностью окисляться, но при недостатке кислорода возможно неполное окисление.

2СН 4 + 3O 2 → 2CO + 4Н 2 O

СН 4 + О 2 → С + 2Н 2 O

Помимо прочего для этого газа характерно каталитическое окисление. Оно происходит в присутствии катализатора. При разном соотношении моль вещества получаются разные конечные продукты реакции. В основном это:

спирты: 2СН 4 + O 2 → 2СO 3 OН
альдегиды: СН 4 + O 2 → НСОН + Н 2 O
: 2СН 4 + 3O 2 → 2НСОOН + 2Н 2 O

Реакция протекает при температуре 1500°C. Данная реакция также носит название – крекинг – термическое разложение.

Нитрование метана

Существует также реакция нитрования или реакция Коновалова, названная в честь ученого, который доказал, что с предельными углеводородами действует разбавленная азотная кислота. Продукты реакции получили название – нитросоединения.

CH 4 + НNО 3 → СН 3 NO 2 + H 2 O

Реакция проводится при температуре 140-150°C.

Дегидрирование метана

Кроме того, для метана характерна реакция дегидрирования (разложения) – отцепление атомов водорода и получения ацетилена, в данном случае.

2CН 4 → C 2 H 2 + 3Н 2

Применение метана

Метан, как и остальные предельные углеводороды, широко используется в повседневной жизни. Его применяют в производстве бензина, авиационного и дизельного топлива.

Используют в качестве базы для получения различного органического сырья на предприятиях. Также метан широко используется в медицине и косметологии.

Метан применяют для получения синтетического каучука, красок и шин.

Атлеты используют так называемый жидкий метан для быстрого набора массы за короткий промежуток времени.

А при хлорировании метана образуется вещество, которое в дальнейшем используется для обезжиривания поверхностей или как компонент в средствах для снятия лака. Некоторое время продукт взаимодействия метана и хлора использовали в качестве наркоза.

Метан (болотный газ; СН 4) - это простейший предельный углеводород. Бесцветный, не имеющий запаха газ, t° плавления -182,48°. Метан легко загорается; смесь метана с воздухом взрывоопасна.

Метан является основным компонентом природного газа (60-99%), рудничного газа (35-40%), а также различных продуктов анаэробного разложения органических веществ, например болотного газа, газов полей орошения. В больших количествах метан образуется при коксовании каменного угля, гидрировании угля и в других промышленных производствах.

Метан используется как топливо при газификации, а также для промышленного синтеза углеводородов большого мол. веса. При неполном сгорании или каталитическом окислении метана образует метанол (см. Метиловый спирт), (см.), ацетилен (см.). Метан используют также в производстве сажи, хлористого метила, хлорбромбензола, нитрометана, и других продуктов.

Метан обнаруживается в кишечных газах (в результате метанового брожения), в крови животных и человека.

Метан является наиболее инертным соединением из группы парафиновых углеводородов. Физиологический метан индифферентен и может вызывать отравления лишь в очень высокой концентрации (из-за малой растворимости метана в воде и крови). Вместе с тем токсическое действие метана проявляется и при более низких концентрациях метана в воздухе. Так, при содержании в воздухе 25-30% метана появляются первые признаки (учащение пульса, увеличение объема дыхания, нарушение координации тонких мышечных движений и т. д.). Более высокие концентрации метана в воздухе вызывают у человека головную боль. В полной мере токсическое действие метана проявляется лишь при повышенном давлении (2-3 атм).

Первая помощь при остром отравлении: удаление пострадавшего из вредной атмосферы. Грелки. При отсутствии дыхания немедленно (до прихода врача) искусственное дыхание, которое прекращается только после появления признаков трупного окоченения.

Хроническое действие метана. У работающих на или производствах, где в воздухе присутствуют метан и другие углеводороды ряда метана, описаны заметные сдвиги со стороны (положительный глазо-сердечный рефлекс, резко выраженная атропиновая проба, ). Тем не менее хроническое действие метана не вызывает тяжелых органических изменений, хотя некоторые исследователи связывают возникновение у шахтеров нистагма с длительным воздействием метана.

Профилактика отравлений метаном. В подземных выработках не допускается содержание метана выше 0,75 об.%. При повышении содержания метана рабочие должны быть непременно удалены, а помещения - проветрены. Главной мерой предупреждения скоплений метана в шахтах является наличие хорошей вентиляции. При индивидуальной защите необходимо применение шлемов с принудительной подачей воздуха или дыхательных аппаратов, снабженных запасом воздуха.

Природный газ используется газовыми колонками, котлами для отопления загородных домов, коттеджей, дач. Автономное отопление газом, выгодная альтернатива, так как не страшны аварии на центральных тепломагистралях. Котлы газовые эффективно отопят двухэтажный коттедж всего за 15-30 минут.
В системе центрального отопления природный газ подается в котельные и теплоцентрали, где так же используется для выработки тепла, горячего-водоснабжения и получения электроэнергии в газотурбинных установках. Полученное тепло (вода для отопления) и горячая вода подается по центральным магистралям в дома потребителей.

Молекула метана

Какими свойствами обладает природный, что нужно о нем знать?

Природный газ и его свойства.

Основной составляющей природного газа является метан. Метан относится к углеводородным газам, то есть содержит молекулы углерода и водорода. Формула углеводородов следующая:

CnH 2 n+2, метана CH 4 .

В природном газе метана до 97%, в остальные 3-4% входит сероводород (H 2 S), кислород O 2 и т.п. Нахождение этих составляющих снижает тепловые свойства метана.

Характеристики метана

Метан представляет собой бесцветный, нетоксичный, без запаха и вкуса газ. Удельный вес метана равен 0,717 килограмм на нормальный метр кубический (0,717 кг/нм3). Нормальными условиями являются температура воздуха = 0С (273,2 К) и давление 101325 кПа. Стандартными условиями являются температура воздуха = 20С и давление 101325 кПа.

При температуре 111 К (-161 С) и атмосферном давлении метан превращается в жидкость и уменьшается в объеме в 600 раз!

Высшая теплота сгорания метана составляет 9510 ккал/нм 3 . Низшая теплота сгорания метана равна 8570 ккал/нм3 (35880 кДж). Это явление обосновано тем, что часть теплоты теряется на преобразование воды в пар (скрытая теплота парообразования).

Влияние метана на здоровье человека

Метан является удушающим газом, не отравляющим. Допустимое содержание газа, где могут работать монтажные бригады, строители должно быть не более 300 миллиграмм на метр кубический.

Метан вытесняет кислород в воздухе, то есть кислород будет менее 21%. При этом человек начинает уставать и становиться "пьяным"; (наркологический эффект). При нахождении в загазованной среде человек испытывает кислородное голодание и ведет себя неадекватно.

Если Вы почувствовали газ в помещении, где человеку плохо, то нужно срочно вывести его на свежий воздух.

Метан в смеси с воздухом в диапазоне его содержания от 5 до 15% образует взрывоопасную смесь.

Химические свойства метана

В составе метана 75% по массе приходится на долю углерода и 25% на водород. Сгорание метана в воздухе протекает по следующему уравнению (идеальная формула химического процесса):

CH 4 +2O 2 +7,52N 2 =CO 2 +2H 2 O+7,52N 2 +Q ,

где O 2 кислород; N 2 азот; CO 2 углекислый газ; H 2 O вода; Q теплота, выделяемая при горении.

Воздух содержит 21% кислорода и 79% азота и его количество для горения равно теоретически необходимому. Однако на практике добиться процесса идеального горения удается не всегда.