كيف يتكون الميثان في الطبيعة. معلومات عامة عن الميثان وخصائصه وطرق استخدامه

الغاز الطبيعي عبارة عن هيدروكربونات غازية تتشكل في أحشاء الأرض. ويصنف على أنه معدن، وتستخدم مكوناته كوقود.

خصائص وتكوين الغاز الطبيعي

تصنيف الغازات الطبيعية

لا يوجد سوى 3 مجموعات:

• أولها يكاد يتخلص من محتوى الهيدروكربونات التي تحتوي على أكثر من مركبين كربونيين، ما يسمى بالغازات الجافة، التي يتم الحصول عليها حصرا في الحقول المخصصة لإنتاج الغاز فقط.
• والثاني هو الغازات المنتجة في وقت واحد مع المواد الخام الأولية. وهي غازات جافة مسالة وبنزين غازي ممزوج ببعضهما البعض.
• أما المجموعة الثالثة فتشمل الغازات التي تتكون من الغاز الجاف وكمية كبيرة من الهيدروكربونات الثقيلة، حيث يتم عزل البنزين والنفتا والكيروسين. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي التركيب على كمية صغيرة من المواد الأخرى. يتم استخراج هذه المواد من حقول مكثفات الغاز.

خصائص المواد المكونة

الأعضاء الأربعة الأولى من السلسلة المتماثلة في الظروف العادية هي غازات قابلة للاشتعال عديمة اللون والرائحة، قابلة للانفجار وقابلة للاشتعال:

الميثان

المادة الأولى في سلسلة الألكانات هي الأكثر مقاومة لدرجات الحرارة. وهو قابل للذوبان قليلا في الماء وأخف من الهواء. يتميز احتراق غاز الميثان في الهواء بظهور لهب أزرق. أقوى انفجار يحدث عندما يمتزج حجم واحد من الميثان مع عشرة أحجام من الهواء. وفي النسب الحجمية الأخرى، يحدث الانفجار أيضًا، ولكن بقوة أقل. بالإضافة إلى ذلك، قد يعاني الشخص من ضرر لا يمكن إصلاحه إذا استنشق تركيزات عالية من الغاز.

يمكن أن يكون الميثان في حالة ركام صلبة على شكل هيدرات غازية.

طلب:

يتم استخدامه كوقود صناعي والمواد الخام. يستخدم الميثان لإنتاج عدد من المنتجات المهمة - الهيدروجين والفريون وحمض الفورميك والنيتروميثان والعديد من المواد الأخرى. لإنتاج كلوريد الميثيل ومركباته المتماثلة، تتم معالجة الميثان بالكلور. ينتج عن الاحتراق غير الكامل للميثان كربون مشتت بدقة:

CH4 + O2 = C + 2H2O

ويظهر الفورمالديهايد من خلال تفاعل الأكسدة، وعند التفاعل مع الكبريت يظهر ثاني كبريتيد الكربون.

CH4 + H2O -> CO+ 3H2

يستخدم لربط الهيدروكربونات والكحوليات والألدهيدات والمواد الأخرى. يستخدم الميثان بنشاط كوقود للمركبات.

الإيثان

الهيدروكربون المحدد، C2H6، هو مادة عديمة اللون في الحالة الغازية وتنتج القليل من الضوء عند حرقها. وهو يذوب في الكحول بنسبة 3:2، كما يقولون "مثل في مثل"، ولكنه يكاد لا يذوب في الماء. عند درجات حرارة أعلى من 600 درجة مئوية، وفي غياب مسرع التفاعل، يتحلل الإيثان إلى إيثيلين وهيدروجين:

CH4 + H2O -> CO+ 3H2

لا يستخدم الإيثان في صناعة الوقود، والغرض الرئيسي من استخدامه في الصناعة هو إنتاج الإيثيلين.

البروبان

هذا الغاز قليل الذوبان في الماء وهو وقود يستخدم على نطاق واسع. ينتج الكثير من الحرارة عند حرقه وهو عملي للاستخدام. البروبان هو منتج ثانوي لعملية التكسير في صناعة النفط.

البيوتان

وهو قليل السمية، ورائحة محددة، وله خصائص مسكرة، واستنشاق البيوتان يسبب الاختناق وعدم انتظام ضربات القلب، ويؤثر سلبا على الجهاز العصبي. يظهر أثناء تكسير غاز البترول المصاحب.

طلب:

المزايا التي لا يمكن إنكارها للبروبان هي التكلفة المنخفضة وسهولة النقل. ويستخدم خليط البروبان والبيوتان كوقود في المناطق المأهولة بالسكان والتي لا يتوفر فيها الغاز الطبيعي، عند معالجة المواد منخفضة الذوبان ذات السماكة الصغيرة، بدلاً من الأسيتيلين. غالبًا ما يستخدم البروبان في شراء المواد الخام ومعالجة الخردة المعدنية. في الحياة اليومية، تشمل مجالات الضرورة التدفئة والطهي على مواقد الغاز.

بالإضافة إلى الألكانات المشبعة، يشمل الغاز الطبيعي:

نتروجين

ويتكون النيتروجين من نظيرين 14A و15A، ويستخدم للحفاظ على الضغط في الآبار أثناء الحفر. للحصول على النيتروجين، يتم تسييل الهواء وفصله بالتقطير، ويشكل هذا العنصر 78% من تركيبة الهواء. وهي تستخدم بشكل رئيسي لإنتاج الأمونيا، والتي يتم الحصول منها على حمض النيتريك والأسمدة والمتفجرات.

ثاني أكسيد الكربون

مركب يتغير عند الضغط الجوي من الحالة الصلبة (الثلج الجاف) إلى الحالة الغازية. يتم إطلاقه أثناء تنفس الكائنات الحية، ويوجد أيضًا في الينابيع المعدنية والهواء. ثاني أكسيد الكربون هو مادة مضافة للغذاء تستخدم في أسطوانات طفايات الحريق وبنادق الهواء.

كبريتيد الهيدروجين

غاز شديد السمية - وهو أكثر المركبات المحتوية على الكبريت نشاطاً، ولذلك فهو خطير جداً على الإنسان بسبب تأثيره المباشر على الجهاز العصبي. وهو غاز عديم اللون في الظروف العادية، ويتميز بطعم حلو ورائحة كريهة تشبه رائحة البيض الفاسد. وهو قابل للذوبان بدرجة عالية في الإيثانول، على عكس الماء. ويتم الحصول منه على الكبريت وحمض الكبريتيك والكبريتيت.

هيليوم

وهو منتج فريد يتراكم ببطء في القشرة الأرضية، ويتم الحصول عليه عن طريق غازات التجميد العميق التي تحتوي على الهيليوم. في الحالة الغازية، فهو غاز خامل ليس له تعبير خارجي. الهيليوم في حالة سائلة، وهو أيضًا عديم الرائحة وعديم اللون، ولكنه يمكن أن يصيب الأنسجة الحية. الهيليوم غير سام ولا يمكن أن ينفجر أو يشتعل، ولكن بتركيزات عالية في الهواء يسبب الاختناق. يتم استخدامه عند العمل بالمعادن وكحشو للبالونات والمناطيد.

الأرجون

نبيلة، غير قابلة للاشتعال، غير سامة، بدون طعم أو لون. يتم إنتاجه كمرافق لفصل الهواء إلى غاز الأكسجين والنيتروجين. يستخدم لإزاحة الماء والأكسجين لإطالة العمر الافتراضي للطعام، كما أنه يستخدم في لحام المعادن وقطعها.

الميثان هو غاز عضوي، عديم الرائحة وعديم اللون. CH 4 هي صيغتها الكيميائية، وكتلة المادة أقل من كتلة الهواء. يستمر الذوبان في الماء ببطء. وبالحديث عن الطبيعة العضوية للميثان، فهذا يعني أن ما يقرب من 95% من حالات حدوثه تكون ذات طبيعة طبيعية. على سبيل المثال، يتم إطلاقه أثناء تحلل حطام النبات. لذلك، ليس من المستغرب أن تتم دراسة العديد من خصائصه حتى قبل العصر الجديد، عندما لاحظ الناس فقاعات الهواء على سطح المسطحات المائية الراكدة. كانت هذه الفقاعات عبارة عن غاز الميثان الذي تم إطلاقه أثناء تحلل النباتات في قاع المستنقع.

تشمل المصادر الطبيعية الأخرى للغاز ما يلي:

• الثروة الحيوانية. تطلق البكتيريا التي تعيش في معدتها غاز الميثان أثناء عملياتها الحياتية، وتشكل حصته 20% من إجمالي غاز الغلاف الجوي.
• النباتات. الميثان هو مادة متكاملة يتم إطلاقها أثناء عملية التمثيل الضوئي.
• الحشرات. النمل الأبيض هو أكثر بواعث الميثان نشاطًا.
• مناجم. تحت سطح الأرض، يحدث التحلل البطيء للفحم باستمرار، حيث يتم تشكيل غاز الميثان.
• آبار النفط. محتوى هذا الغاز في النفط هائل بكل بساطة.
• البراكين. من المحتمل أن الميثان يتشكل هناك أيضًا بسبب حقيقة أن المواد العضوية التي تعود إلى عصور ما قبل التاريخ تتحلل بنشاط.
• محيط. توجد في أعماق الماء شقوق يمكن أن يتسرب من خلالها غاز الميثان.
• حرق الغابات.
• صناعة. وعلى الرغم من النشاط الواضح لهذه المؤسسات، فإن حصتها من الانبعاثات في الكتلة الإجمالية لا تكاد تذكر.

تؤكد جميع الأمثلة المذكورة أعلاه بوضوح حقيقة أن غاز الميثان كان موجودًا باستمرار في الغلاف الجوي، ولا يرتبط ظهوره ببداية النشاط البشري النشط. ولهذا السبب فإن وجود الميثان على كوكب ما يعد علامة على احتمال وجود حياة عليه أو أنه كان موجودًا هناك من قبل.

إلا أن «طبيعة» هذا الغاز لا تعني أنه لا يسبب لنا أي ضرر. أبخرتها، خاصة بتركيزات مرتفعة، قادرة تمامًا على التسبب في وفاة الإنسان. في المراحل الأولى من تطور صناعة التعدين، تم تسجيل انفجارات أو تسمم شديد لعمال المناجم بالميثان. إذا كنت تتابع المعلومات في وسائل الإعلام، فإن هذه الأحداث تحدث أيضًا في العالم الحديث. لتقليل احتمالية التسمم بالميثان، من الضروري عند أول بادرة منه تقديم طلب لإجراء تحليل احترافي للهواء في الغرفة، حيث سيكون من الممكن تحديد التركيز بدقة.

الميثان في العالم الحديث

يستخدم الغاز على نطاق واسع في العالم الحديث:

• غالبًا ما تعمل محركات الاحتراق الداخلي بغاز الميثان.
• يتيح الغاز إنتاج العديد من الأدوية، بما في ذلك المطهرات والحبوب المنومة.
• والميثان هو أساس الفورمالديهايد والميثانول، الذي تصنع منه الأسمدة والعديد من المواد الأخرى.
• بدون غاز الميثان، من المستحيل صنع طفايات الحريق والمذيبات.
• حمض الهيدروسيانيك ليس مجرد سم، بل له أيضًا تطبيقات عملية واسعة، وتعتمد عملية إنتاجه على أكسدة خليط الميثان والأمونيا.

الميثان وخطورته على جسم الإنسان

تكمن خطورة غاز الميثان في العوامل التالية:

• خطر الانفجار. وهذه الخاصية هي التي أعطته اسم "الغاز المتفجر". تراكم غاز الميثان، أصغر شرارة - كل هذا يمكن أن يؤدي إلى انفجار مدمر. لذلك في الأماكن التي يتم فيها تسجيل تراكمات أو انبعاثات لهذا الغاز، يجب عدم التدخين أو استخدام مصادر اللهب المكشوفة. ولكن في بعض الأحيان، حتى تدابير السلامة هذه لا تكون كافية؛ إذ يستمر الغاز في حصد أرواح البشر.
• لقد ذكرنا بالفعل الخاصية التي من خلالها يمكن أن يتراكم غاز الميثان في المناجم. ويوجد بشكل رئيسي في الفراغات الموجودة بين طبقات الصخور الكبيرة، وكذلك الفراغات التي أنشأها عمال المناجم أثناء عملية التعدين. كلما كان التعدين أكثر نشاطا، كلما زادت كثافة انبعاثات غاز الميثان، وبالتالي فإن عمال المناجم هم الذين يموتون في أغلب الأحيان من هذا الغاز.
• وليست الانفجارات هي الخطر الوحيد، بل يمكن أن يسبب غاز الميثان أيضًا حالات تسمم شديدة. ويؤدي استنشاق كميات كبيرة منه إلى نقص الأكسجين في الدم، و"طنين" في الأذنين، وإحساس برأس "حديد الزهر". زيادة التركيز تؤدي إلى تسارع ضربات القلب، ويشعر الشخص بالضعف العام، ويعاني من الغثيان، وقد يتحول لون الجلد إلى اللون الأحمر. وأخطر العواقب هي الإغماء والشحوب والتشنجات وحتى الموت.
• ولسوء الحظ، فإن الميثان في شكله النقي ليس له رائحة، وبالتالي يصعب اكتشافه. رائحة "الميثان" التي يمكننا شمها هي نتيجة العطور الخاصة التي تجعل استخدامه أكثر أمانًا وأكثر تحكمًا.
• وفي المناجم، بالطبع، لا تتم إضافة أي عطور إلى الميثان. منذ القدم، استخدم الناس طرقًا خاصة للكشف عن وجوده في الهواء. على سبيل المثال، أخذ عمال المناجم الأوائل طائر الكناري معهم. إذا توقف الطائر عن الغناء أو حتى مات، فمن الضروري إخراج نفسه من الذبح بشكل عاجل.
• في الخمسينيات من القرن الماضي، بدأوا في استخدام الأجهزة الخاصة التي مكنت من تحديد نسبة الميثان في خليط الهواء بدقة. ومع ذلك، قال العمال ذوو الخبرة أن الكناري هو وسيلة أفضل من الأجهزة الجديدة. وبطبيعة الحال، أصبحت الأجهزة الحديثة أكثر حساسية وأصغر حجما؛ وفي بعض الأحيان يتم تركيبها مباشرة في خوذات عمال المناجم، تماما مثل المصابيح. يتم أيضًا تركيب أجهزة استشعار ثابتة في المناجم، حيث تنقل المعلومات باستمرار إلى المتخصصين. الزيادات الخطيرة تؤدي إلى انقطاع التيار الكهربائي على الفور وإجلاء الموظفين. في الوقت الحاضر، يتم أيضًا استخدام منشآت خاصة يمكنها تحديد موقع تفجير غبار الفحم في المراحل المبكرة. قبل أن تبدأ نوبة العمل، يتم تقليل كمية غاز الميثان في المنجم إلى مستويات آمنة للغاية.

اتضح أن خطر غاز الميثان على البشر يأتي من جهتين في وقت واحد. الميل إلى الانفجار والتأثير السام وغياب الرائحة واللون - كل هذا يجعل "الغاز المتفجر" خطيرًا بشكل لا يصدق. وحتى لا نواجه أسوأ جوانبه، يجدر طلب إجراء تقييم بيئي مسبقاً، يمكنه تحديد مستوى تركيز غاز الميثان في الهواء.

يتم تجميع الصيغة الجزيئية والهيكلية والإلكترونية للميثان على أساس نظرية بتلروف حول بنية المواد العضوية. قبل أن نبدأ في كتابة هذه الصيغ، دعونا نبدأ بوصف موجز لهذا الهيدروكربون.

مميزات غاز الميثان

وهذه المادة متفجرة، وتسمى أيضًا غاز "المستنقع". الرائحة المحددة لهذا الهيدروكربون المشبع معروفة للجميع. أثناء عملية الاحتراق، لا يتبقى منه أي مكونات كيميائية لها تأثير سلبي على جسم الإنسان. الميثان مشارك نشط في تكوين ظاهرة الاحتباس الحراري.

الخصائص الفيزيائية

اكتشف العلماء الممثل الأول لسلسلة الألكانات المتماثلة في الغلاف الجوي لتيتان والمريخ. ونظرا لارتباط غاز الميثان بوجود الكائنات الحية، فقد ظهرت فرضية حول وجود الحياة على هذه الكواكب. في زحل والمشتري ونبتون وأورانوس، ظهر الميثان كمنتج للمعالجة الكيميائية للمواد ذات الأصل غير العضوي. على سطح كوكبنا محتواه ضئيل.

الخصائص العامة

الميثان ليس له لون، وهو أخف وزنًا من الهواء تقريبًا، كما أنه ضعيف الذوبان في الماء. وفي تركيبة الغاز الطبيعي تصل كميته إلى 98 بالمائة. يحتوي على ما بين 30 إلى 90 بالمائة من الميثان. وإلى حد كبير، فإن الميثان له أصل بيولوجي.

تنبعث ذوات الحوافر من الماعز والأبقار العاشبة كمية كبيرة من غاز الميثان عند معالجة البكتيريا في معدتها. ومن المصادر المهمة لسلسلة الألكانات المتماثلة نسلط الضوء على المستنقعات والنمل الأبيض وترشيح الغاز الطبيعي وعملية التمثيل الضوئي لدى النبات. وإذا تم الكشف عن آثار لغاز الميثان على كوكب ما، فيمكننا الحديث عن وجود حياة بيولوجية عليه.

طرق الحصول على

تؤكد الصيغة الهيكلية الموسعة للميثان أن جزيئه يحتوي فقط على روابط مفردة مشبعة تشكلها السحب الهجينة. ومن بين الخيارات المختبرية لإنتاج هذا الهيدروكربون، نلاحظ اندماج خلات الصوديوم مع القلويات الصلبة، وكذلك تفاعل كربيد الألومنيوم مع الماء.

يحترق الميثان بلهب مزرق، ويطلق حوالي 39 ميجا جول لكل متر مكعب. تشكل هذه المادة مخاليط متفجرة مع الهواء. والأخطر هو غاز الميثان الذي ينبعث أثناء التعدين تحت الأرض للرواسب المعدنية في المناجم الجبلية. هناك خطر كبير لانفجار غاز الميثان في مصانع تحضير الفحم وفحم حجري، وكذلك في مصانع الفرز.

العمل الفسيولوجي

إذا كانت نسبة الميثان في الهواء تتراوح بين 5 و16 بالمائة، فإن التعرض للأكسجين يمكن أن يتسبب في اشتعال الميثان. إذا كانت هناك زيادة كبيرة في هذه المادة الكيميائية في الخليط، فإن احتمال حدوث انفجار يزيد.

وإذا كان تركيز هذا الألكان في الهواء 43 بالمئة فإنه يسبب الاختناق.

أثناء الانفجار، تتراوح سرعة الانتشار من 500 إلى 700 متر في الثانية. بعد أن يتلامس الميثان مع مصدر الحرارة، تحدث عملية اشتعال الألكان مع بعض التأخير.

على هذه الخاصية يعتمد إنتاج المعدات الكهربائية المقاومة للانفجار والمكونات المتفجرة الآمنة.

وبما أن الميثان هو الأكثر استقرارا حراريا، فإنه يستخدم على نطاق واسع في شكل وقود صناعي ومنزلي، ويستخدم أيضا كمادة خام قيمة للتخليق الكيميائي. تميز الصيغة الهيكلية لثلاثي إيثيل الميثان السمات الهيكلية لممثلي هذه الفئة من الهيدروكربونات.

أثناء تفاعله الكيميائي مع الكلور عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية، من الممكن تكوين العديد من منتجات التفاعل. اعتمادًا على كمية المادة الأولية، من الممكن الحصول على الكلوروميثان أو الكلوروفورم أو رابع كلوريد الكربون أثناء الاستبدال.

في حالة الاحتراق غير الكامل للميثان، يتكون السخام. في حالة الأكسدة الحفزية، يتم تشكيل الفورمالديهايد. المنتج النهائي للتفاعل مع الكبريت هو ثاني كبريتيد الكربون.

ملامح هيكل الميثان

وما هي صيغتها الهيكلية؟ الميثان عبارة عن هيدروكربون مشبع بالصيغة العامة C n H 2n+2. دعونا ننظر في ملامح تكوين الجزيء لشرح كيفية تكوين الصيغة الهيكلية.

يتكون الميثان من ذرة كربون واحدة وأربع ذرات هيدروجين مرتبطة ببعضها البعض بواسطة رابطة كيميائية قطبية تساهمية. دعونا نشرح الصيغ الهيكلية المبنية على بنية ذرة الكربون.

نوع التهجين

يتميز التركيب المكاني للميثان بهيكل رباعي السطوح. نظرًا لأن الكربون يحتوي على أربعة إلكترونات تكافؤ في مستواه الخارجي، فعندما يتم تسخين الذرة، ينتقل الإلكترون من المدار الثاني s إلى p. ونتيجة لذلك، يحتوي الكربون على أربعة إلكترونات غير متزاوجة ("حرة") في آخر مستوى للطاقة. وتعتمد الصيغة الهيكلية الكاملة للميثان على تكوين أربع سحب هجينة، موجهة في الفضاء بزاوية 109 درجة 28 دقيقة، لتشكل هيكلا رباعي السطوح. بعد ذلك، تتداخل قمم السحب الهجينة مع سحب غير هجينة من ذرات الهيدروجين.

تتوافق الصيغة الهيكلية الكاملة والمختصرة للميثان تمامًا مع نظرية بتليروف. تتشكل رابطة بسيطة (مفردة) بين الكربون والهيدروجين، وبالتالي فإن تفاعلات الإضافة ليست نموذجية لهذه المادة الكيميائية.

يتم عرض الصيغة الهيكلية النهائية أدناه. الميثان هو الممثل الأول لفئة الهيدروكربونات المشبعة، وله الخصائص النموذجية للألكان المشبع. تؤكد الصيغة التركيبية والإلكترونية للميثان نوع تهجين ذرة الكربون في هذه المادة العضوية.

من دورة الكيمياء المدرسية

تتم دراسة هذه الفئة من الهيدروكربونات، والتي يمثلها "غاز المستنقعات"، في دورة الصف العاشر في المدرسة الثانوية. على سبيل المثال، يُعرض على الأطفال المهمة التالية: "اكتب الصيغ البنائية للميثان". من الضروري أن نفهم أنه بالنسبة لهذه المادة، لا يمكن وصف سوى التكوين الهيكلي التفصيلي وفقًا لنظرية بتليروف.

سوف تتطابق صيغته المختصرة مع الصيغة الجزيئية المكتوبة بالرمز CH4. وفقا للمعايير التعليمية الفيدرالية الجديدة، التي تم تقديمها فيما يتعلق بإعادة تنظيم التعليم الروسي، في دورة الكيمياء الأساسية، تتم مراجعة جميع القضايا المتعلقة بخصائص فئات المواد العضوية.

التوليف الصناعي

واستنادا إلى غاز الميثان، تم تطوير العمليات الصناعية لمكون كيميائي مهم مثل الأسيتيلين. كان أساس التكسير الحراري والكهربائي هو بالتحديد صيغته الهيكلية. الميثان أثناء الأكسدة الحفزية مع الأمونيا يشكل حمض الهيدروسيانيك.

يتم استخدام هذه المادة العضوية لإنتاج غاز التوليف. عند التفاعل مع بخار الماء يتم الحصول على خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين، وهو المادة الخام لإنتاج مركبات الكربونيل المشبعة.

ومما له أهمية خاصة التفاعل مع حمض النيتريك، الذي ينتج عنه نيتروميثان.

تطبيق في شكل وقود السيارات

ونظرا لنقص المصادر الطبيعية للهيدروكربونات، فضلا عن استنزاف قاعدة المواد الأولية، فإن مسألة البحث عن مصادر جديدة (بديلة) للحصول على الوقود لها أهمية خاصة. أحد هذه الخيارات هو الذي يحتوي على الميثان.

وبالنظر إلى الفرق في الكثافة بين وقود البنزين والممثل الأول لفئة الألكانات، هناك ميزات معينة لاستخدامه كمصدر للطاقة لمحركات السيارات. ومن أجل تجنب الحاجة إلى نقل كميات هائلة من غاز الميثان، يتم زيادة كثافته عن طريق الضغط (عند ضغط يبلغ حوالي 250 ضغط جوي). يتم تخزين الميثان في حالة سائلة في أسطوانات مثبتة في السيارات.

التأثير على الغلاف الجوي

لقد سبق أن نوقش أعلاه أن الميثان له تأثير على ظاهرة الاحتباس الحراري. إذا تم أخذ درجة تأثير أول أكسيد الكربون (4) على المناخ بشكل تقليدي على أنها واحدة، فإن حصة "غاز المستنقعات" فيه تبلغ 23 وحدة. وعلى مدى القرنين الماضيين، لاحظ العلماء زيادة في المحتوى الكمي للميثان في الغلاف الجوي للأرض.

وفي الوقت الحالي، تقدر الكمية التقريبية للميثان بـ 1.8 جزء في المليون. وعلى الرغم من أن هذا الرقم أقل بـ 200 مرة من وجود ثاني أكسيد الكربون، إلا أن هناك حديث بين العلماء حول الخطر المحتمل للاحتفاظ بالحرارة المنبعثة من الكوكب.

نظرًا للقيمة الحرارية الممتازة لـ "غاز المستنقعات"، فهو لا يستخدم فقط كمادة أولية للتخليق الكيميائي، ولكن أيضًا كمصدر للطاقة.

على سبيل المثال، تعمل مجموعة متنوعة من غلايات الغاز وسخانات المياه المصممة لأنظمة التدفئة الفردية في المنازل الخاصة والبيوت الريفية على غاز الميثان.

يعد خيار التدفئة المستقلة هذا مفيدًا جدًا لأصحاب المنازل ولا يرتبط بالحوادث التي تحدث بشكل منهجي في أنظمة التدفئة المركزية. بفضل غلاية الغاز التي تعمل على هذا النوع من الوقود، فإن 15-20 دقيقة كافية لتدفئة كوخ من طابقين بالكامل.

خاتمة

الميثان، الذي تم ذكر صيغه الهيكلية والجزيئية أعلاه، هو مصدر طبيعي للطاقة. ونظرًا لاحتوائه على ذرة كربون وذرات هيدروجين فقط، فإن علماء البيئة يدركون السلامة البيئية لهذا الهيدروكربون المشبع.

في ظل الظروف القياسية (درجة حرارة الهواء 20 درجة مئوية، الضغط 101325 باسكال) تكون هذه المادة غازية وغير سامة وغير قابلة للذوبان في الماء.

عندما تنخفض درجة حرارة الهواء إلى -161 درجة، يتم ضغط غاز الميثان، والذي يستخدم على نطاق واسع في الصناعة.

يؤثر الميثان على صحة الإنسان. وهي ليست مادة سامة، ولكنها تعتبر من الغازات الخانقة. بل إن هناك معايير قصوى (حدود التركيز القصوى) لمحتوى هذه المادة الكيميائية في الغلاف الجوي.

على سبيل المثال، لا يُسمح بالعمل في المناجم إلا في الحالات التي لا تتجاوز فيها الكمية 300 ملليجرام لكل متر مكعب. من خلال تحليل السمات الهيكلية لهذه المادة العضوية، يمكننا أن نستنتج أن خواصها الكيميائية والفيزيائية تشبه جميع الممثلين الآخرين لفئة الهيدروكربونات المشبعة (المشبعة).

قمنا بتحليل الصيغ الهيكلية والبنية المكانية للميثان. الذي يبدأ بـ "غاز المستنقع" له الصيغة الجزيئية العامة C n H 2n+2 .

الخصائص الفيزيائية والكيميائية للميثان.

الشوائب الخطرة في الهواء الألغام

تشمل الشوائب السامة في هواء المنجم أول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكبريت وكبريتيد الهيدروجين.

أول أكسيد الكربون (CO) –غاز عديم اللون والطعم والرائحة، وزنه النوعي 0.97. يحترق وينفجر بتركيزات من 12.5 إلى 75%. درجة حرارة الاشتعال بتركيز 30% 630-810 درجة مئوية شديدة السمية. التركيز القاتل – 0.4%. التركيز المسموح به في أعمال المناجم هو 0.0017%. المساعدة الرئيسية للتسمم هي التنفس الاصطناعي بالهواء النقي.

وتشمل مصادر أول أكسيد الكربون عمليات التفجير، ومحركات الاحتراق الداخلي، وحرائق المناجم، وانفجارات غاز الميثان وغبار الفحم.

أكاسيد النيتروجين (NO)- لها لون بني ورائحة نفاذة مميزة. سامة جداً، تسبب تهيج الأغشية المخاطية في الجهاز التنفسي والعينين، وذمة رئوية. التركيز المميت للاستنشاق قصير المدى هو 0.025%. يجب ألا يتجاوز الحد الأقصى لمحتوى أكاسيد النيتروجين في هواء المنجم 0.00025٪ (من حيث ثاني أكسيد النيتروجين - NO 2). لثاني أكسيد النيتروجين – 0.0001%.

ثاني أكسيد الكبريت (SO 2)- عديم اللون، ذو رائحة مزعجة قوية وطعم حامض. 2.3 مرة أثقل من الهواء. شديد السمية: يهيج الأغشية المخاطية للجهاز التنفسي والعينين، ويسبب التهاب القصبات الهوائية، وتورم الحنجرة والشعب الهوائية.

يتكون ثاني أكسيد الكبريت أثناء التفجير (في الصخور الكبريتية)، والحرائق، وينطلق من الصخور.

الحد الأقصى للمحتوى في الهواء الخاص بي هو 0.00038%. تركيز 0.05٪ يهدد الحياة.

كبريتيد الهيدروجين (H2S)- غاز عديم اللون ذو طعم حلو ورائحة البيض الفاسد. الثقل النوعي – 1.19. يحترق كبريتيد الهيدروجين وينفجر بتركيز 6%. سامة للغاية، تهيج الأغشية المخاطية في الجهاز التنفسي والعينين. التركيز القاتل – 0.1%. الإسعافات الأولية للتسمم هي التنفس الاصطناعي بتيار جديد، واستنشاق الكلور (باستخدام منديل مبلل بالمبيض).

يتم إطلاق كبريتيد الهيدروجين من الصخور والينابيع المعدنية. ويتكون أثناء تحلل المواد العضوية وحرائق المناجم وعمليات التفجير.

كبريتيد الهيدروجين شديد الذوبان في الماء. يجب أن يؤخذ ذلك في الاعتبار عندما ينتقل الناس من خلال الأعمال المهجورة.

يجب ألا يتجاوز المحتوى المسموح به من H 2 S في هواء المنجم 0.00071٪.

محاضرة 2

الميثان وخصائصه

الميثان هو الجزء الرئيسي والأكثر شيوعًا في مصباح النار. في الأدبيات وفي الممارسة العملية، غالبًا ما يتم التعرف على غاز الميثان بغاز مصباح النار. في تهوية المناجم، يحظى هذا الغاز بأكبر قدر من الاهتمام بسبب خصائصه المتفجرة.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية للميثان.

الميثان (CH 4)– غاز ليس له لون ولا طعم ولا رائحة. الكثافة – 0.0057. الميثان خامل، ولكن، يحل محل الأكسجين (يحدث الإزاحة في النسبة التالية: 5 وحدات من حجم الميثان تحل محل 1 وحدة من حجم الأكسجين، أي 5: 1)، يمكن أن تشكل خطرا على الناس. يشتعل عند درجة حرارة 650-750 درجة مئوية. ويشكل الميثان مخاليط قابلة للاشتعال والانفجار مع الهواء. عند احتوائه في الهواء بنسبة تصل إلى 5-6% فإنه يحترق عند مصدر حراري، ومن 5-6% إلى 14-16% ينفجر، وما فوق 14-16% لا ينفجر. أعظم قوة انفجار هي بتركيز 9.5%.

ومن خواص الميثان تأخير الوميض بعد ملامسته لمصدر الإشعال. يتم استدعاء وقت تأخير الفلاش استقرائيةفترة. إن وجود هذه الفترة يخلق الظروف الملائمة لمنع تفشي المرض أثناء عمليات التفجير باستخدام المتفجرات الآمنة (HE).

يبلغ ضغط الغاز في موقع الانفجار حوالي 9 مرات أعلى من الضغط الأولي لخليط الغاز والهواء قبل الانفجار. هذا يمكن أن يسبب ضغطًا يصل إلى 30 فيوأعلى. تساهم العوائق المختلفة في العمل (الانقباضات والنتوءات وما إلى ذلك) في زيادة الضغط وزيادة سرعة انتشار موجة الانفجار في أعمال المنجم.

يظهر الجدول كثافة الميثان عند درجات حرارة مختلفةبما في ذلك كثافة هذا الغاز في الظروف العادية (عند 0 درجة مئوية). كما يتم إعطاء خصائصه الفيزيائية الحرارية وخصائص غازات الميثان الأخرى.

يتم عرض ما يلي الخصائص الفيزيائية الحرارية لغازات الميثان:معامل التوصيل الحراري λ , η رقم براندتل العلاقات العامة، اللزوجة الحركية ν ، السعة الحرارية النوعية للكتلة ج ص، نسبة السعة الحرارية (الأس الأديابي) كمعامل الانتشار الحراري أوكثافة غازات الميثان ρ . يتم إعطاء خصائص الغازات عند الضغط الجوي العادي اعتمادًا على درجة الحرارة - في المدى من 0 إلى 600 درجة مئوية.

وتشمل غازات الميثان الهيدروكربونات مع الصيغة الإجمالية C n H 2n+2مثل: الميثان CH 4، الإيثان C 2 H 6، البيوتان C 4 H 10، البنتان C 5 H 12، الهكسان C 6 H 14، الهيبتان C 7 H 16، الأوكتان C 8 H 18. وتسمى أيضًا سلسلة الميثان المتماثلة.

كثافة غازات الميثانومع زيادة درجة حرارتها، تنخفض بسبب التمدد الحراري للغاز. تعتبر طبيعة اعتماد الكثافة على درجة الحرارة نموذجية أيضًا. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن كثافة غازات الميثان تزداد كلما زاد عدد ذرات الكربون والهيدروجين في جزيء الغاز (أعدادها n في الصيغة C n H 2n+2).

أخف غاز في الجدول هو الميثان - تبلغ كثافة الميثان في الظروف العادية 0.7168 كجم/م3. يتمدد الميثان عند تسخينه ويصبح أقل كثافة. لذلك، على سبيل المثال، عند درجات الحرارة 0 درجة مئوية و600 درجة مئوية، تختلف كثافة الميثان بنحو 3 مرات.

الموصلية الحرارية لغازات الميثانيتناقص مع زيادة العدد n في الصيغة C n H 2n+2. في ظل الظروف العادية، فإنه يتراوح بين 0.0098 إلى 0.0307 واط/(م درجة). ووفقا للبيانات الواردة في الجدول فإنه يتبع ذلك تتمتع الغازات مثل الميثان بأعلى الموصلية الحرارية.— معامل التوصيل الحراري، على سبيل المثال عند 0 درجة مئوية، يساوي 0.0307 واط/(م درجة).

أدنى موصلية حرارية (0.0098 واط/(م درجة) عند 0 درجة مئوية) هي سمة من سمات غاز الأوكتان. وتجدر الإشارة إلى أنه عند تسخين غازات الميثان، تزداد موصليتها الحرارية.

تزداد السعة الحرارية الجماعية المحددة للغازات الموجودة في سلسلة الميثان المتماثلة عند تسخينها.خصائصها مثل اللزوجة والانتشار الحراري تزيد أيضًا من قيمتها.