Jak powstaje metan w przyrodzie. Ogólne informacje o metanie, jego charakterystyce i sposobach wykorzystania

Gaz ziemny to gazowe węglowodory powstające w wnętrznościach ziemi. Zaliczany jest do minerałów, a jego składniki wykorzystywane są jako paliwo.

Właściwości i skład gazu ziemnego

Klasyfikacja gazów ziemnych

Są tylko 3 grupy:

• Pierwszy z nich polega na niemal całkowitym wyeliminowaniu zawartości węglowodorów zawierających więcej niż dwa związki węgla, tzw. gazy suche, pozyskiwane wyłącznie na polach przeznaczonych wyłącznie do wydobywania gazu.
• Drugi to gazy produkowane jednocześnie z surowcami pierwotnymi. Są to suche, skroplone gazy i benzyna gazowa zmieszane ze sobą.
• Trzecia grupa obejmuje gazy składające się z suchego gazu i znacznej ilości ciężkich węglowodorów, z których wyodrębnia się benzynę, benzynę ciężką i naftę. Ponadto kompozycja zawiera niewielką ilość innych substancji. Substancje te wydobywane są ze złóż kondensatu gazowego.

Właściwości substancji składowych

Pierwszych czterech członków serii homologicznej w normalnych warunkach to gazy łatwopalne, które są bezbarwne i bezwonne, wybuchowe i łatwopalne:

Metan

Pierwsza substancja z szeregu alkanów jest najbardziej odporna na temperatury. Jest słabo rozpuszczalny w wodzie i lżejszy od powietrza. Spalanie metanu w powietrzu charakteryzuje się pojawieniem się niebieskiego płomienia. Najpotężniejsza eksplozja ma miejsce, gdy jedna objętość metanu zostanie zmieszana z dziesięcioma objętościami powietrza. Przy innych stosunkach objętościowych następuje również eksplozja, ale z mniejszą siłą. Ponadto wdychanie gazów o dużym stężeniu może spowodować nieodwracalne szkody.

Metan może występować w postaci stałego agregatu w postaci hydratów gazu.

Aplikacja:

Wykorzystywany jest jako paliwo i surowiec przemysłowy. Metan wykorzystywany jest do produkcji szeregu ważnych produktów – wodoru, freonów, kwasu mrówkowego, nitrometanu i wielu innych substancji. W celu wytworzenia chlorku metylu i jego związków homologicznych metan jest chlorowany. Niecałkowite spalanie metanu powoduje powstanie drobno rozproszonego węgla:

CH4 + O2 = C + 2H2O

Formaldehyd pojawia się w reakcji utleniania, a podczas reakcji z siarką pojawia się dwusiarczek węgla.

CH4 + H2O -> CO+ 3H2

Stosowany do wiązania węglowodorów, alkoholi, aldehydów i innych substancji. Metan jest aktywnie wykorzystywany jako paliwo do pojazdów.

Etan

Ograniczający węglowodór, C2H6, jest bezbarwną substancją w stanie gazowym, która podczas spalania wytwarza niewiele światła. Rozpuszcza się w alkoholu w proporcji 3:2, jak mówią „jak w podobnym”, ale jest prawie nierozpuszczalny w wodzie. W temperaturach powyżej 600°C, przy braku przyspieszacza reakcji, etan rozkłada się na etylen i wodór:

CH4 + H2O -> CO+ 3H2

Etan nie jest stosowany w przemyśle paliwowym, głównym celem jego wykorzystania w przemyśle jest produkcja etylenu.

Propan

Gaz ten jest słabo rozpuszczalny w wodzie i jest szeroko stosowanym paliwem. Podczas spalania wytwarza dużo ciepła i jest praktyczny w użyciu. Propan jest produktem ubocznym procesu krakingu w przemyśle naftowym.

Butan

Ma niską toksyczność, specyficzny zapach, ma właściwości odurzające, wdychanie butanu powoduje uduszenie i zaburzenia rytmu serca oraz negatywnie wpływa na układ nerwowy. Pojawia się podczas krakingu towarzyszącego gazu ziemnego.

Aplikacja:

Niezaprzeczalnymi zaletami propanu są jego niski koszt i łatwość transportu. Na obszarach zaludnionych, do których nie jest dostarczany gaz ziemny, podczas przetwarzania materiałów niskotopliwych o małej grubości, zamiast acetylenu, jako paliwo stosowana jest mieszanina propanu i butanu. Propan jest często stosowany w pozyskiwaniu surowców i przetwarzaniu złomu. W życiu codziennym obszary konieczności obejmują ogrzewanie pomieszczeń i gotowanie na kuchenkach gazowych.

Oprócz nasyconych alkanów gaz ziemny obejmuje:

Azot

Azot składa się z dwóch izotopów 14A i 15A i służy do utrzymania ciśnienia w studniach podczas wiercenia. Aby otrzymać azot, powietrze skrapla się i oddziela przez destylację; pierwiastek ten stanowi 78% składu powietrza. Stosowany jest głównie do produkcji amoniaku, z którego otrzymuje się kwas azotowy, nawozy i materiały wybuchowe.

Dwutlenek węgla

Związek zmieniający się pod ciśnieniem atmosferycznym ze stanu stałego (suchy lód) w stan gazowy. Jest uwalniany podczas oddychania istot żywych, występuje także w źródłach mineralnych i powietrzu. Dwutlenek węgla to dodatek do żywności stosowany w butlach gaśnic i wiatrówkach.

Siarkowodór

Gaz bardzo toksyczny – najbardziej aktywny ze związków zawierających siarkę, a przez to bardzo niebezpieczny dla człowieka ze względu na swoje bezpośrednie działanie na układ nerwowy. W normalnych warunkach bezbarwny gaz, charakteryzujący się słodkawym smakiem i obrzydliwym zapachem zgniłych jaj. W przeciwieństwie do wody jest dobrze rozpuszczalny w etanolu. Otrzymuje się z niego siarkę, kwas siarkowy i siarczyny.

Hel

Jest to unikalny produkt, który powoli kumuluje się w skorupie ziemskiej i jest uzyskiwany poprzez głęboko zamarzające gazy zawierające hel. W stanie gazowym jest gazem obojętnym, który nie ma ekspresji zewnętrznej. Hel występuje w stanie ciekłym, jest również bezwonny i bezbarwny, ale może infekować żywe tkanki. Hel jest nietoksyczny i nie może eksplodować ani zapalić się, ale w dużych stężeniach w powietrzu powoduje uduszenie. Stosowany jest przy obróbce metali oraz jako wypełniacz do balonów i sterowców.

Argon

Szlachetny, niepalny, nietoksyczny, bez smaku i koloru. Jest produkowany jako eskorta do rozdzielania powietrza na tlen i gazowy azot. Służy do wypierania wody i tlenu w celu przedłużenia okresu przydatności do spożycia żywności, jest również stosowany do spawania i cięcia metali.

Metan to gaz organiczny, bezwonny i bezbarwny. CH 4 to jego wzór chemiczny, a masa substancji jest mniejsza niż masa powietrza. Rozpuszczanie w wodzie przebiega powoli. Mówiąc o organicznej naturze metanu, oznacza to, że prawie 95% przypadków jego występowania ma charakter naturalny. Na przykład jest uwalniany podczas rozkładu resztek roślinnych. Nic więc dziwnego, że wiele jego cech badano jeszcze przed Nową Erą, kiedy ludzie obserwowali pęcherzyki powietrza na powierzchni stojących zbiorników wodnych. Pęcherzyki te były właśnie metanem uwolnionym podczas rozkładu roślin na dnie bagna.

Inne naturalne źródła gazu to:

• Żywy inwentarz. Bakterie żyjące w ich żołądkach podczas swoich procesów życiowych wydzielają metan, którego udział stanowi 20% całego gazu atmosferycznego.
• Rośliny. Metan jest integralną substancją uwalnianą podczas fotosyntezy.
• Owady. Termity są najbardziej aktywnymi emitentami metanu.
• Kopalnie. Pod powierzchnią ziemi stale zachodzi powolny rozkład węgla, podczas którego tworzy się metan.
• Studnie naftowe. Zawartość tego gazu w ropie jest po prostu ogromna.
• Wulkany. Prawdopodobnie metan powstaje tam również na skutek aktywnego rozkładu prehistorycznej materii organicznej.
• Ocean. Głęboko pod wodą znajdują się pęknięcia, przez które może wyciekać metan.
• Płonący las.
• Przemysł. Pomimo widocznej aktywności tych przedsiębiorstw, ich udział emisji w masie całkowitej jest znikomy.

Wszystkie powyższe przykłady jednoznacznie potwierdzają fakt, że metan znajdował się w atmosferze stale, a jego pojawienie się nie wiąże się z początkiem aktywnej działalności człowieka. Dlatego obecność metanu na planecie jest oznaką, że może na niej istnieć życie lub że kiedyś tam było.

„Naturalność” tego gazu nie oznacza jednak, że nie wyrządza nam on żadnej krzywdy. Jego opary, zwłaszcza w podwyższonych stężeniach, mogą spowodować śmierć człowieka. W początkowej fazie rozwoju górnictwa często notowano eksplozje lub poważne zatrucia górników metanem. Jeśli śledzić informacje pojawiające się w mediach, wydarzenia te mają miejsce również we współczesnym świecie. Aby zminimalizować prawdopodobieństwo zatrucia metanem, należy już przy pierwszych jego oznakach złożyć zamówienie na profesjonalną analizę powietrza w pomieszczeniu, za pomocą której możliwe będzie dokładne określenie jego stężenia.

Metan we współczesnym świecie

Gaz jest szeroko stosowany we współczesnym świecie:

• Silniki spalinowe dość często pracują na metanie.
• Z gazu można wyprodukować wiele leków, w tym środki antyseptyczne i nasenne.
• Metan jest podstawą formaldehydu i metanolu, z których powstają nawozy i wiele innych substancji.
• Bez metanu nie da się wyprodukować gaśnic i rozpuszczalników.
• Kwas cyjanowodorowy to nie tylko trucizna, ma także szerokie zastosowanie praktyczne, a proces jego produkcji opiera się na utlenianiu mieszaniny metanu i amoniaku.

Metan i jego zagrożenie dla organizmu człowieka

Niebezpieczeństwo metanu wynika z następujących czynników:

• Niebezpieczeństwo wybuchu. To właśnie ta właściwość nadała mu nazwę „gazu wybuchowego”. Nagromadzenie metanu, najmniejsza iskra – wszystko to może doprowadzić do niszczycielskiej eksplozji. Dlatego w miejscach, w których odnotowuje się nagromadzenie lub emisję tego gazu, nie należy palić tytoniu ani używać źródeł otwartego ognia. Czasami jednak nawet te środki bezpieczeństwa nie wystarczą; gaz w dalszym ciągu powoduje śmierć ludzi.
• Wspomnieliśmy już o właściwości, według której metan może gromadzić się w kopalniach. Występuje głównie w pustkach pomiędzy dużymi warstwami skał, a także w pustkach powstałych przez górników w procesie wydobywczym. Im aktywniejsze jest wydobycie, tym intensywniejsza jest emisja metanu, dlatego też to właśnie górnicy najczęściej umierają z powodu tego gazu.
• Wybuchy to nie jedyne niebezpieczeństwo, metan może również spowodować poważne zatrucie. Wdychanie jego dużych ilości powoduje brak tlenu we krwi, „dzwonienie” w uszach i uczucie „żeliwnej” głowy. Zwiększona koncentracja powoduje, że serce bije szybciej, człowiek odczuwa ogólne osłabienie, cierpi na nudności, a skóra może zaczerwienić się. Najpoważniejszymi konsekwencjami są omdlenia, bladość, drgawki, a nawet śmierć.
• Niestety metan w czystej postaci nie ma zapachu i dlatego jest trudny do wykrycia. Aromat „metanu”, który możemy wyczuć, to zasługa specjalnych substancji zapachowych, które sprawiają, że jego używanie jest bezpieczniejsze i bardziej kontrolowane.
• W kopalniach do metanu oczywiście nie dodaje się substancji zapachowych. Od czasów starożytnych ludzie stosowali specjalne metody wykrywania jego obecności w powietrzu. Pierwsi górnicy zabrali ze sobą np. kanarka. Jeśli ptak przestanie śpiewać lub nawet umrze, należy pilnie wycofać się z uboju.
• W latach 50. ubiegłego wieku zaczęto stosować specjalne urządzenia, które umożliwiły dokładne określenie zawartości metanu w mieszaninie powietrza. Jednak doświadczeni pracownicy stwierdzili, że kanarek jest jeszcze lepszą metodą niż nowomodne urządzenia. Oczywiście nowoczesne urządzenia są bardziej czułe i kompaktowe, czasami montuje się je bezpośrednio w hełmach górników, podobnie jak lampy. W kopalniach instalowane są także czujniki stacjonarne, które na bieżąco przekazują informacje specjalistom. Niebezpieczne podwyżki wymuszają natychmiastowe przerwy w dostawie prądu i ewakuację personelu. Obecnie wykorzystuje się także specjalne instalacje, które potrafią już na najwcześniejszym etapie zlokalizować detonację pyłu węglowego. Przed rozpoczęciem zmiany roboczej ilość metanu w kopalni zostaje zredukowana do wyjątkowo bezpiecznego poziomu.

Okazuje się, że zagrożenie metanem dla człowieka płynie z dwóch stron jednocześnie. Skłonność do detonacji, trujący efekt, brak zapachu i koloru – wszystko to sprawia, że ​​„gaz wybuchowy” jest niezwykle niebezpieczny. Aby nie spotkać się z jego najgorszymi stronami, warto wcześniej zamówić ocenę oddziaływania na środowisko, która pozwoli określić poziom stężenia metanu w powietrzu.

Molekularny, strukturalny i elektroniczny wzór metanu opracowano na podstawie teorii Butlerowa o strukturze substancji organicznych. Zanim zaczniemy pisać takie wzory, zacznijmy od krótkiego opisu tego węglowodoru.

Cechy metanu

Substancja ta jest wybuchowa, nazywana jest także gazem bagiennym. Specyficzny zapach tego nasyconego węglowodoru jest znany każdemu. Podczas procesu spalania nie pozostają z niego żadne składniki chemiczne mające negatywny wpływ na organizm ludzki. Metan jest aktywnym uczestnikiem powstawania efektu cieplarnianego.

Właściwości fizyczne

Pierwszy przedstawiciel homologicznej serii alkanów został odkryty przez naukowców w atmosferze Tytana i Marsa. Biorąc pod uwagę fakt, że metan jest związany z istnieniem organizmów żywych, pojawiła się hipoteza o istnieniu życia na tych planetach. Na Saturnie, Jowiszu, Neptunie i Uranie metan pojawił się jako produkt chemicznej obróbki substancji pochodzenia nieorganicznego. Na powierzchni naszej planety jego zawartość jest znikoma.

ogólna charakterystyka

Metan nie ma koloru, jest prawie dwukrotnie lżejszy od powietrza i słabo rozpuszczalny w wodzie. W składzie gazu ziemnego jego ilość sięga 98 proc. Zawiera od 30 do 90 procent metanu. Metan w dużej mierze ma pochodzenie biologiczne.

Kopytne zwierzęta roślinożerne, kozy i krowy, podczas przetwarzania bakterii w żołądkach wydzielają dość znaczną ilość metanu. Wśród ważnych źródeł homologicznej serii alkanów wyróżniamy bagna, termity, filtrację gazu ziemnego i proces fotosyntezy roślin. Jeśli na planecie zostaną wykryte ślady metanu, możemy mówić o istnieniu na niej życia biologicznego.

Metody uzyskiwania

Rozszerzony wzór strukturalny metanu potwierdza, że ​​w jego cząsteczce znajdują się wyłącznie nasycone wiązania pojedyncze utworzone przez chmury hybrydowe. Wśród laboratoryjnych opcji produkcji tego węglowodoru zauważamy stopienie octanu sodu ze stałą zasadą, a także interakcję węglika glinu z wodą.

Metan pali się niebieskawym płomieniem, uwalniając około 39 MJ na metr sześcienny. Substancja tworzy mieszaniny wybuchowe z powietrzem. Najbardziej niebezpieczny jest metan powstający podczas podziemnej eksploatacji złóż kopalin w kopalniach górskich. W zakładach przeróbki węgla, brykietach i sortowniach istnieje duże ryzyko wybuchu metanu.

Działanie fizjologiczne

Jeśli zawartość metanu w powietrzu wynosi od 5 do 16 procent, ekspozycja na tlen może spowodować zapalenie metanu. Jeśli nastąpi znaczny wzrost tej substancji chemicznej w mieszaninie, wzrasta prawdopodobieństwo wybuchu.

Jeśli stężenie tego alkanu w powietrzu wynosi 43 procent, powoduje to uduszenie.

Podczas eksplozji prędkość propagacji wynosi od 500 do 700 metrów na sekundę. Po zetknięciu metanu ze źródłem ciepła proces zapłonu alkanu następuje z pewnym opóźnieniem.

Na tej właściwości opiera się produkcja przeciwwybuchowego sprzętu elektrycznego i bezpiecznych komponentów wybuchowych.

Ponieważ metan jest najbardziej stabilny termicznie, jest szeroko stosowany w postaci paliwa przemysłowego i domowego, a także wykorzystywany jest jako cenny surowiec do syntez chemicznych. Wzór strukturalny trietylometanu charakteryzuje cechy strukturalne przedstawicieli tej klasy węglowodorów.

Podczas chemicznej interakcji z chlorem pod wpływem promieniowania ultrafioletowego możliwe jest utworzenie kilku produktów reakcji. W zależności od ilości substancji wyjściowej podczas podstawienia można otrzymać chlorometan, chloroform lub czterochlorek węgla.

W przypadku niepełnego spalania metanu tworzy się sadza. W przypadku utleniania katalitycznego powstaje formaldehyd. Końcowym produktem interakcji z siarką jest dwusiarczek węgla.

Cechy struktury metanu

Jaki jest jego wzór strukturalny? Metan jest nasyconym węglowodorem o ogólnym wzorze C n H 2n+2. Rozważmy cechy powstawania cząsteczki, aby wyjaśnić, w jaki sposób powstaje wzór strukturalny.

Metan składa się z jednego atomu węgla i czterech atomów wodoru połączonych ze sobą kowalencyjnym polarnym wiązaniem chemicznym. Wyjaśnijmy wzory strukturalne w oparciu o strukturę atomu węgla.

Rodzaj hybrydyzacji

Strukturę przestrzenną metanu charakteryzuje struktura czworościenna. Ponieważ węgiel ma cztery elektrony walencyjne na swoim zewnętrznym poziomie, po podgrzaniu atomu elektron przechodzi z orbitalu drugiego s do p. W rezultacie węgiel ma cztery niesparowane („wolne”) elektrony na swoim ostatnim poziomie energetycznym. Pełny wzór strukturalny metanu opiera się na powstaniu czterech chmur hybrydowych, które są zorientowane w przestrzeni pod kątem 109 stopni i 28 minut, tworząc strukturę czworościanową. Następnie wierzchołki chmur hybrydowych pokrywają się z niehybrydowymi chmurami atomów wodoru.

Pełny i skrócony wzór strukturalny metanu w pełni odpowiada teorii Butlerowa. Pomiędzy węglem i wodorem powstaje proste (pojedyncze) wiązanie, dlatego reakcje addycji nie są typowe dla tej substancji chemicznej.

Ostateczny wzór strukturalny przedstawiono poniżej. Metan jest pierwszym przedstawicielem klasy węglowodorów nasyconych, ma typowe właściwości nasyconego alkanu. Strukturalny i elektronowy wzór metanu potwierdza rodzaj hybrydyzacji atomu węgla w tej substancji organicznej.

Ze szkolnego kursu chemii

Ta klasa węglowodorów, której przedstawicielem jest „gaz bagienny”, uczy się w 10. klasie szkoły średniej. Na przykład dzieciom proponuje się następujące zadanie: „Napisz wzory strukturalne metanu”. Należy zrozumieć, że dla tej substancji można opisać jedynie szczegółową konfigurację strukturalną zgodnie z teorią Butlerowa.

Jego skrócony wzór będzie pokrywał się ze wzorem molekularnym zapisanym jako CH4. Zgodnie z nowymi federalnymi standardami edukacyjnymi, które zostały wprowadzone w związku z reorganizacją rosyjskiego szkolnictwa, na podstawowym kursie chemii omawiane są wszystkie zagadnienia związane z charakterystyką klas substancji organicznych.

Synteza przemysłowa

W oparciu o metan opracowano procesy przemysłowe dla tak ważnego składnika chemicznego, jakim jest acetylen. Podstawą krakingu termicznego i elektrycznego był właśnie jego wzór strukturalny. Metan podczas katalitycznego utleniania amoniakiem tworzy kwas cyjanowodorowy.

Ta substancja organiczna wykorzystywana jest do produkcji gazu syntezowego. W wyniku oddziaływania z parą wodną otrzymuje się mieszaninę tlenku węgla i wodoru, która jest surowcem do produkcji nasyconych związków karbonylowych.

Szczególne znaczenie ma interakcja z kwasem azotowym, w wyniku której powstaje nitrometan.

Zastosowanie w postaci paliwa samochodowego

W związku z niedoborem naturalnych źródeł węglowodorów, a także wyczerpywaniem się bazy surowcowej, szczególnego znaczenia nabiera problematyka poszukiwania nowych (alternatywnych) źródeł pozyskiwania paliw. Jedną z tych opcji jest ta zawierająca metan.

Biorąc pod uwagę różnicę w gęstości benzyny i pierwszego przedstawiciela klasy alkanów, istnieją pewne cechy jego zastosowania jako źródła energii do silników samochodowych. Aby uniknąć konieczności transportu ogromnych ilości metanu, zwiększa się jego gęstość poprzez sprężanie (pod ciśnieniem około 250 atmosfer). Metan magazynowany jest w stanie skroplonym w butlach instalowanych w samochodach.

Wpływ na atmosferę

O tym, że metan ma wpływ na efekt cieplarniany, mówiono już powyżej. Jeśli stopień wpływu tlenku węgla (4) na klimat przyjmiemy konwencjonalnie jako jeden, wówczas udział w nim „gazu bagiennego” wynosi 23 jednostki. W ciągu ostatnich dwóch stuleci naukowcy zaobserwowali wzrost ilościowej zawartości metanu w atmosferze ziemskiej.

Obecnie przybliżoną ilość CH4 szacuje się na 1,8 ppm. Pomimo tego, że liczba ta jest 200 razy mniejsza niż obecność dwutlenku węgla, wśród naukowców toczy się dyskusja na temat możliwego ryzyka zatrzymania ciepła emitowanego przez planetę.

Ze względu na doskonałą kaloryczność „gazu bagiennego” wykorzystywany jest nie tylko jako surowiec do syntez chemicznych, ale także jako źródło energii.

Na przykład różnorodne kotły gazowe i podgrzewacze wody przeznaczone do indywidualnych systemów grzewczych w domach prywatnych i domkach wiejskich działają na metanie.

Ta opcja autonomicznego ogrzewania jest bardzo korzystna dla właścicieli domów i nie wiąże się z awariami, które systematycznie zdarzają się w scentralizowanych systemach grzewczych. Dzięki kotłowi gazowemu działającemu na tego rodzaju paliwie wystarczy 15-20 minut, aby całkowicie ogrzać dwupiętrowy domek.

Wniosek

Metan, którego wzory strukturalne i molekularne podano powyżej, jest naturalnym źródłem energii. Ze względu na to, że zawiera tylko atom węgla i atomy wodoru, ekolodzy uznają bezpieczeństwo ekologiczne tego nasyconego węglowodoru.

W normalnych warunkach (temperatura powietrza 20 stopni Celsjusza, ciśnienie 101325 Pa) substancja ta jest gazowa, nietoksyczna, nierozpuszczalna w wodzie.

Kiedy temperatura powietrza spada do -161 stopni, następuje sprężanie metanu, co ma szerokie zastosowanie w przemyśle.

Metan wpływa na zdrowie człowieka. Nie jest substancją trującą, ale uważany jest za gaz duszący. Istnieją nawet maksymalne normy (maksymalne dopuszczalne stężenia) dotyczące zawartości tej substancji chemicznej w atmosferze.

Na przykład praca w kopalniach jest dozwolona tylko w przypadkach, gdy jej ilość nie przekracza 300 miligramów na metr sześcienny. Analizując cechy strukturalne tej substancji organicznej, możemy stwierdzić, że jej właściwości chemiczne i fizyczne są podobne do wszystkich innych przedstawicieli klasy nasyconych (nasyconych) węglowodorów.

Przeanalizowaliśmy wzory strukturalne i strukturę przestrzenną metanu. który zaczyna się od „gazu bagiennego” ma ogólny wzór cząsteczkowy C n H 2n+2 .

Właściwości fizykochemiczne metanu.

Niebezpieczne zanieczyszczenia w powietrzu kopalnianym

Do toksycznych zanieczyszczeń powietrza kopalnianego zalicza się tlenek węgla, tlenki azotu, dwutlenek siarki i siarkowodór.

Tlenek węgla (CO) – bezbarwny, pozbawiony smaku i zapachu gaz o ciężarze właściwym 0,97. Płonie i eksploduje w stężeniach od 12,5 do 75%. Temperatura samozapłonu przy stężeniu 30% 630-810 0 C. Bardzo toksyczny. Stężenie śmiertelne – 0,4%. Dopuszczalne stężenie w wyrobiskach górniczych wynosi 0,0017%. Główną pomocą w zatruciu jest sztuczne oddychanie świeżym powietrzem.

Źródłami tlenku węgla są operacje strzałowe, silniki spalinowe, pożary kopalń oraz eksplozje metanu i pyłu węglowego.

Tlenki azotu (NO)- mają brązową barwę i charakterystyczny ostry zapach. Bardzo trujący, powoduje podrażnienie błon śluzowych dróg oddechowych i oczu oraz obrzęk płuc. Stężenie śmiertelne przy krótkotrwałym wdychaniu wynosi 0,025%. Maksymalna zawartość tlenków azotu w powietrzu kopalnianym nie powinna przekraczać 0,00025% (w przeliczeniu na dwutlenek azotu – NO 2). Dla dwutlenku azotu – 0,0001%.

Dwutlenek siarki (SO2)– bezbarwny, o silnie drażniącym zapachu i kwaśnym smaku. 2,3 razy cięższy od powietrza. Bardzo trujący: podrażnia błony śluzowe dróg oddechowych i oczu, powoduje zapalenie oskrzeli, obrzęk krtani i oskrzeli.

Dwutlenek siarki powstaje podczas wysadzania (w skałach siarkowych), pożarów i jest uwalniany ze skał.

Maksymalna zawartość w powietrzu kopalnianym wynosi 0,00038%. Stężenie 0,05% zagraża życiu.

Siarkowodór (H 2 S)- bezbarwny gaz o słodkawym smaku i zapachu zgniłych jaj. Ciężar właściwy – 1,19. Siarkowodór pali się i eksploduje już w stężeniu 6%. Działa bardzo toksycznie, podrażnia błony śluzowe dróg oddechowych i oczu. Stężenie śmiertelne – 0,1%. Pierwszą pomocą w przypadku zatrucia jest sztuczne oddychanie świeżym strumieniem, wdychanie chloru (za pomocą chusteczki nasączonej wybielaczem).

Siarkowodór jest uwalniany ze skał i źródeł mineralnych. Powstaje podczas rozkładu materii organicznej, pożarów kopalń i działań strzałowych.

Siarkowodór jest dobrze rozpuszczalny w wodzie. Należy to wziąć pod uwagę, gdy ludzie poruszają się po opuszczonych wyrobiskach.

Dopuszczalna zawartość H 2 S w powietrzu kopalnianym nie powinna przekraczać 0,00071%.

Wykład 2

Metan i jego właściwości

Metan jest główną i najczęstszą częścią dymu. W literaturze i praktyce metan jest najczęściej utożsamiany z gazem palnym. W wentylacji kopalń gazowi temu poświęca się najwięcej uwagi ze względu na jego właściwości wybuchowe.

Właściwości fizykochemiczne metanu.

Metan (CH 4)– gaz pozbawiony koloru, smaku i zapachu. Gęstość – 0,0057. Metan jest materiałem obojętnym, jednak wypierając tlen (wypieranie zachodzi w następującej proporcji: 5 jednostek objętości metanu zastępuje 1 jednostkę objętości tlenu, czyli 5:1), może stanowić zagrożenie dla ludzi. Zapala się w temperaturze 650-750 0 C. Metan tworzy z powietrzem mieszaniny palne i wybuchowe. Zawarty w powietrzu w ilości do 5-6% pali się u źródła ciepła, od 5-6% do 14-16% wybucha, powyżej 14-16% nie wybucha. Największa siła wybuchu występuje przy stężeniu 9,5%.

Jedną z właściwości metanu jest opóźnienie błysku po kontakcie ze źródłem zapłonu. Nazywa się czas opóźnienia błysku indukcyjny okres. Obecność tego okresu stwarza warunki do zapobiegania ogniskom podczas robót strzałowych z użyciem bezpiecznych materiałów wybuchowych (HE).

Ciśnienie gazu w miejscu wybuchu jest około 9 razy wyższe niż ciśnienie początkowe mieszaniny gaz-powietrze przed wybuchem. Może to powodować ciśnienie do 30 Na i wyżej. Różne przeszkody w wyrobiskach (zwężenia, występy itp.) przyczyniają się do wzrostu ciśnienia i zwiększają prędkość propagacji fali uderzeniowej w wyrobiskach kopalni.

Tabela pokazuje gęstość metanu w różnych temperaturach, łącznie z gęstością tego gazu w warunkach normalnych (w temperaturze 0°C). Podano także jego właściwości termofizyczne oraz charakterystykę innych gazów metanu.

Poniżej przedstawiono właściwości termofizyczne gazów metanu: współczynnik przewodności cieplnej λ , η , liczba Prandtla Pr, lepkość kinematyczna ν , masowa pojemność cieplna właściwa C str, współczynnik pojemności cieplnej (wykładnik adiabatyczny) k, współczynnik dyfuzyjności cieplnej A i gęstość gazów metanowych ρ . Właściwości gazów podaje się przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym w zależności od temperatury - w zakresie od 0 do 600°C.

Do gazów metanu zaliczają się węglowodory m.in formuła brutto C n H 2n+2 takie jak: metan CH 4, etan C 2 H 6, butan C 4 H 10, pentan C 5 H 12, heksan C 6 H 14, heptan C 7 H 16, oktan C 8 H 18. Nazywa się je również szeregami homologicznymi metanu.

Gęstość gazów metanowych wraz ze wzrostem ich temperatury maleje w wyniku rozszerzalności cieplnej gazu. Typowy jest również ten charakter zależności gęstości od temperatury. Należy również zauważyć, że gęstość gazów metanu rośnie wraz ze wzrostem liczby atomów węgla i wodoru w cząsteczce gazu (liczby n we wzorze C n H 2n+2).

Najlżejszym gazem uwzględnionym w tabeli jest metan - Gęstość metanu w warunkach normalnych wynosi 0,7168 kg/m3. Metan pod wpływem ogrzewania rozszerza się i staje się mniej gęsty. I tak np. w temperaturach 0°C i 600°C gęstość metanu różni się około 3-krotnie.

Przewodność cieplna gazów metanu maleje wraz ze wzrostem liczby n we wzorze C n H 2n+2. W normalnych warunkach zmienia się w zakresie od 0,0098 do 0,0307 W/(m stopnia). Z danych zawartych w tabeli wynika, że ​​tak Gazy takie jak metan mają najwyższą przewodność cieplną.— jego współczynnik przewodzenia ciepła, na przykład w temperaturze 0°C, wynosi 0,0307 W/(m stopnia).

Najniższą przewodność cieplną (0,0098 W/(m st.) w temperaturze 0°C) charakteryzuje gaz oktanowy. Należy zauważyć, że gdy gazy metanowe są podgrzewane, ich przewodność cieplna wzrasta.

Masowa pojemność cieplna właściwa gazów wchodzących w skład szeregu homologicznego metanu wzrasta wraz z ogrzewaniem. Ich właściwości, takie jak lepkość i dyfuzyjność cieplna, również rosną.