Поміркуйте
Що таке «парниковий ефект»? Які його наслідки для довкілля?
Парниковий ефект — це природне явище, яке забезпечує збереження тепла в атмосфері Землі. Сонячне світло проходить через атмосферу і нагріває поверхню Землі, а та в свою чергу випромінює тепло (інфрачервоне випромінювання) назад у космос. Однак частина цього тепла затримується в атмосфері так званими парниковими газами, посилюючи парниковий ефект. Наслідками для довкілля є глобальне потепління та зміна клімату.
Поміркуйте
Пригадайте продукти згоряння метану. Чи можливе неповне окиснення метану за нестачі кисню? Які речовини будуть утворюватися?
Продуктами повного згоряння метану є вуглекислий газ і вода.
За нестачі кисню можливе неповне окиснення метану. Продуктами такої реакції будуть вода, чадний газ або сажа (вуглець).
2СН4 + 3O2 = 2CO + 4Н2O
СН4 + O2 = С + 2Н2O
Вправа 261
Уперше чистий метан добув італійський фізик Алессандро Вольта 1778 року: він виділив його з болотного газу, натхнений статтею Бенджаміна Франкліна «про горюче повітря». За додатковими джерелами інформації підготуйте доповідь про відкриття й дослідження метану. Чому його назвали «горючим повітрям»?
Італійський фізик Александро Вольта, збираючи газ, що виділявся з дна в болотах озера Лаго–Маджоре на кордоні Італії і Швейцарії, уперше провів хімічний аналіз болотного газу і встановив, що він відрізняється від водню та добув чистий метан. Він науково обґрунтував горіння болотних газів і метанове бродіння та дійшов до висновку про існування залежності між кількістю біомаси, котра розкладається, і кількістю газу, що виділяється.
Метан називали «горючим повітрям» через його горючі властивості та схожість з повітрям за кольором та відсутністю запаху. Ця назва пов'язана з його здатністю горіти та утворювати вибухонебезпечні суміші з повітрям, а також з тим, що його першим відкрили у болотах (болотний газ) і описали як горючий газ, що утворюється у природних умовах.
Вправа 262
Порівняйте фізичні властивості метану, вуглекислого газу та кисню. Який із цих газів має найменшу густину? Найменшу / найбільшу розчинність у воді?
Усі три гази безбарвні, без запаху і без смаку. Метан має tпл.=–182,5°С і tкип.=–161,6°С; кисень має tпл.=–183°С і tкип.=–219°С; вуглекислий газ має tcyбл.=–78,5°С (1 атм) і tкип.=–56,6°С (5 атм) або +20 °С (60 атм).
Найменшу густину має метан. Для цього достатньо порівняти молекулярні маси метану (СH4), кисню (О2) і вуглекислого газу (CО2): 16 < 32 < 44. За 0°С та нормального атмосферного тиску густина метану 0,662 г/л, вуглекислого газу — 1,977 г/л, а кисню — 1,43 г/л.
За 25°С в 1 л води розчиняється 0,03 мл метану, 880 мл вуглекислого газу, 7 мл кисню. Отже, найменшу розчинність у воді має метан, а найбільшу — вуглекислий газ.
Вправа 263
За температури 0°С розчинність метану у воді становить 0,04 г на 1 кг води. Обчисліть масову частку метану у водному розчині за 0°С. Порівняйте з масовою часткою вуглекислого газу та кисню у водному розчині за умови максимального їх розчинення.
За температури 0°С розчинність на 1 кг води вуглекислого газу становить 3,5 г, кисню — 0,07 г.
Дано: m(CH4) = 0,04 г, m(CO2) = 3,5 г, m(O2) = 0,07 г, m(H2O) = 1000 г.
Знайти: порівняти ω(CH4) –?, ω(CO2)–?, ω(O2)–?
Розв'язання
Обчислюємо маси розчинів.
m(р–ну СН4) = m(H2O) + m(CH4) = 1000 г + 0,04 г = 1000,04 г
m(р–ну СО2) = m(H2O) + m(CO2) = 1000 г + 3,5 г = 1003,5 г
m(р–ну О2) = m(H2O) + m(O2) = 1000 г + 0,07 г = 1000,7 г
Обчислюємо масові частки газів в розчинах.
ω(CH4) = m(CH4) : m(р–ну СН4) • 100% = 0,04 г : 1000,04 г • 100% = 0,004%
ω(CO2) = m(CO2) : m(р–ну СO2) • 100% = 3,5 г : 1003,5 г • 100% = 0,349 %
ω(O2) = m(O2) : m(р–ну O2) • 100% = 0,07 г : 1000,07 г • 100% = 0,007 %
0,004 < 0,007 < 0,349, тому ω(CH4) < ω(O2) < ω(CO2)
Відповідь: у водному розчині найбільшу масову частку має вуглекислий газ, а найменшу — метан.
Вправа 264
Із додаткових джерел дізнайтеся про виробництво біогазу. Чи є у складі біогазу метан? За яких умов утворюється біогаз? Для яких потреб його використовують? Підготуйте презентацію.
Основними компонентами біогазу є метан, а також міститься вуглекислий газ.
Біогаз утворюється внаслідок анаеробного (безкисневого) розкладу органічних матеріалів: сільськогосподарських відходів, гною, харчових залишків або відходів тваринництва. Його одержують за допомогою біогазових установок, де у спеціальних реакторах органічні матеріали ферментують мікроорганізми.
Біогаз використовують для виробництва електроенергії, тепла. З біогазу, після очищення від домішків і вуглекислого газу, отримують біометан, який використовують в якості природного газу і пального.
Вправа 265
Дізнайтеся про виробництво гуми для автомобільних шин. З якою метою до неї додають сажу? Підготуйте повідомлення.
Під час виробництва автомобільних шин до гуми додають сажу (технічний вуглець) для покращення властивостей гуми. Як армувальний наповнювач, сажа робить гуму набагато міцнішою та стійкішою до стирання, покращує еластичність гуми та здатність витримувати високі температури, захищає від впливу навколишнього середовища, зокрема від старіння, спричиненого ультрафіолетовим випромінюванням, надає шині характерний чорний колір.
Вправа 266
За температури 0°С розчинність метану у воді становить 0,04 г на 1 кг води. Обчисліть об'єм метану, який можна виділити з розчину з максимальним умістом метану за такої температури масою 1000 кг.
Дано: m0(CH4)=0,04 г/кг, ρ(СН4)=0,662 кг/м3, m(H2O)=1 кг
Знайти: V(СН4)–?
Розв'язання
Знаходимо масу метану в розчині води масою 1000 кг.
m(CH4) = m0(CH4) • m(H2O) = 0,04 г/кг • 1000 кг = 40 г = 0,04 кг
Обчислюємо об'єм метану.
V(CH4) = m(CH4) : ρ(СН4) = 0,04 кг : 0,662 кг/м3 = 0,06042 м3 = 60,42 л
Відповідь: 60,42 л.
Вправа 267
Обчисліть мінімальний об'єм метану (н.у.), виток якого з побутової газової печі зробить повітря на кухні вибухонебезпечним. Прийміть, що площа кухні становить 10 м2, висота стелі — 2,5 м, інші дані знайдіть у тексті параграфа.
Дано: S = 10 м2, h = 2,5 м, φ(СН4) = 4,4%
Знайти: V(CH4) – ?
Розв'язання
Обчислюємо об'єм повітря.
V(повітря) = S • h = 10 м2 • 2,5 м = 25 м3
Обчислюємо об'єм метану.
V(CH4) = V(повітря) • φ(СН4) : 100% = 25 м3 • 4,4% : 100% = 1,1 м3.
Відповідь: мінімальний об’єм метану 1,1 м3.
Вправа 268
2015 року споживання природного газу в Україні становило близько 34 млрд м3 на рік. Знайдіть у тексті параграфа необхідну інформацію та обчисліть, на скільки років Україні вистачить власних розвіданих запасів природного газу за умови споживання на такому самому рівні.
Запаси метану в Україні становлять 1500 млрд м3.
1500 млрд м3 : 34 млрд м3 = 44,1 ≈ 44 роки.
Відповідь: на 44 роки.
Вправа 269
За якою ознакою можна виявити, що для згоряння газу в газовій печі не вистачає кисню? Якими мають бути ваші дії в такому разі?
У разі нестачі кисню метан окиснюється неповністю, тоді в газовій печі блакитне полум'я помітно жовтіє завдяки розжареним часточкам вуглецю, і осідає кіптява (сажа, що дещо охолонула) на посуді чи поверхнях поруч. У такому разі необхідно подбати про надходження достатньої порції свіжого повітря, відчинити вікно або кватирку. Слід також перевірити роботу витяжної вентиляції та за потреби зменшити подачу газу в пальнику.
Вправа 270
За якою ознакою можна виявити витік природного газу в помешканні? Як слід діяти в цих обставинах?
Ознакою витоку природного газу в помешканні є специфічний запах одорантів — речовини, що має різкий запах, який нагадує запах зіпсованого м'яса, яку спеціально додають для виявлення витоку, бо природний газ не має запаху.
Дії у випадку виявлення витоку природного газу в помешканні: негайно перекрити вентилі на газових приладах і на підвідному газопроводі, відкрити вікна та двері для провітрювання. Категорично забороняється в загазованому приміщенні вмикати або вимикати світло й електроприлади, запалювати сірники, бо поява іскри може спричинити вибух.
Вправа 271
Вибір меркаптану для надання запаху метану не випадковий: нюх людини може сприйняти запах меркаптану, навіть якщо в 1 л повітря його буде лише 10–16 моль. У такій концентрації навіть собака не здатний відчути цей запах. Є ще одна причина: саме домішки меркаптану дають змогу виявити витік метану з газопроводів, оскільки над місцем витоку будуть кружляти стерв'ятники. Поясніть, з якою метою додають одоранти до природного газу, а також, чому ці одоранти переважно мають запах зіпсованого м'яса. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про реальні випадки, коли це допомогло виявити витоки.
Природний газ — це суміш газів без кольору й запаху і для своєчасного виявлення витоку газу до нього додають одоранти. Ці речовини зі специфічним різким запахом переважно мають запах зіпсованого м'яса, бо людина дуже чутлива до такого запаху навіть при надзвичайно низьких концентраціях.
Вправа 272
Метан (природний газ) — один із найважливіших товарів світової економіки. Транспортують природний газ зазвичай трубопроводами або танкерами (для скрапленого природного газу (СПГ)). Як ви вважаєте, на що витрачають кошти для забезпечення транспортування природного газу обома цими способами. Оцініть, у якому агрегатному стані природний газ транспортувати економічно доцільно. У якому — безпечніше? Перевірте свої припущення за додатковими джерелами інформації.
Для транспортування природного газу витрачають кошти на будівництво та обслуговування трубопроводів, його зберігання в сховищах, а для транспортування скрапленого газу — на танкерні судна і цистерни, охолоджувальні резервуари, регазифікацію перед використанням.
Економічно доцільно транспортувати природний газ у газоподібному стані при наявній інфраструктурі трубопроводів, бо скраплений газ ще треба десь зберігати і охолоджувати. Транспортування скрапленого газу використовується в морських перевезеннях, коли будівництво трубопроводу недоцільне.
Безпечніше транспортувати скраплений природний газ, бо в рідкому стані він не вибухає, а в газоподібному стані є вибухонебезпечним у разі витоку.
Регазифікація — це процес перетворення скрапленого природного газу (СПГ) назад у газоподібний стан шляхом його нагрівання.
Вправа 273
Перевозять скраплений природний газ (СПГ) через океан у величезних танкерах. Скраплений газ поміщають у величезні баки (танки), які за будовою нагадують посудину Дьюара. Однак скраплений газ не можна зберігати в щільно закоркованих ємностях, тому ці танки обов'язково мають сполучатися з атмосферою, через що частина скрапленого газу за час перевезення випаровується. Оцініть правильність тверджень щодо такого способу транспортування скрапленого газу.
• Газ, який випаровується за час транспортування, доцільно використовувати як пальне на кораблях.
Твердження правильне. Сучасні танкерні судна використовують частину газу, що випаровується з танків, для живлення двигунів.
• Будова танків за типом «термоса» необхідна, аби рідина всередині якомога менше нагрівалася для запобігання надлишковому випаровуванню.
Твердження правильне. Така будова танків дозволяє підтримувати низьку температуру всередині і зберігати метан у рідкому стані.
• Випаровування скрапленого газу в щільно закоркованому танку спричиняє підвищення тиску всередині, через що може статися вибух.
Твердження правильне. Не можна щільно закорковувати танк, тому що це може призвести до скупчення газів, що випаровуються, й вибуху.
Вправа 274
Як ви вважаєте, чи існують промислові синтетичні способи одержання метану? Обґрунтуйте свою думку.
Метан одержують нагріванням синтез–газу (суміш СО і Н2):
CO + 3H2 → CH4 + H2O
Синтез–газ — це техногенний газ, який утворюється за допомогою хімічних процесів із використанням відходів як сировини.
Вправа 275
Один із лабораторних способів одержання метану — гідроліз алюміній карбіду, який відбувається за хімічним рівнянням:
Аl4С3 + 12Н2O = 4Аl(ОН)3 + ЗСН4
За перекладом з грецької гідро — «вода», лізіс — «розкладання», а також за рівнянням реакції поясніть значення терміну «гідроліз».
Гідроліз — це хімічна реакція розкладання речовини під дією води з утворенням нових сполук. Алюміній карбід під дією води розкладається на алюміній гідроксид і метан.
Обчисліть об'єм метану, який можна одержати гідролізом алюміній карбіду масою 360 г.
Відомо: m(Al4C3)=360 г
Знайти: V(CH4)–?
Розв'язання
Обчислюємо кількість речовини алюміній карбіду.
M(Al4C3)=4•27+3•12=108+36=144 г/моль
n(Al4C3) = m(Al4Cl3) : M(Al4Cl3) = 360 г : 144 г/моль = 2,5 моль
Записуємо рівняння реакції: Аl4С3 + 12Н2O = 4Аl(ОН)3 + ЗСН4
n(Al4C3) = m(Al4Cl3) : M(Al4Cl3) = 360 г : 144 г/моль = 2,5 моль
Записуємо рівняння реакції: Аl4С3 + 12Н2O = 4Аl(ОН)3 + ЗСН4
n(Al4C3)/n(CH4)=1/3, тому n(CH4) = n(Al4Cl3) • 3 = 2,5 моль • 3 = 7,5 моль
Обчислюємо об’єм метану.
V(CH4) = n(CH4) • Vm = 7,5 моль • 22,4 л/моль = 168 л
Відповідь: 168 л.