ПОМІРКУЙТЕ
Що таке «парниковий ефект»?
На мою думку, парниковий ефект — це процес нагрівання нижніх шарів атмосфери планети через затримку сонячного тепла певними газами, зокрема метаном та вуглекислим газом.
Які його наслідки для довкілля?
До основних наслідків парникового ефекту я відношу глобальне потепління, танення льодовиків, підняття рівня Світового океану та непередбачувані зміни клімату.
ПОМІРКУЙТЕ
Пригадайте продукти згоряння метану.
Продуктами повного згоряння метану за достатньої кількості кисню є вуглекислий газ і вода.
Чи можливе неповне окиснення метану за нестачі кисню?
Так, за умови недостатньої кількості кисню метан окиснюється неповністю.
Які речовини будуть утворюватися?
У результаті такої реакції утворюється вода та чадний газ або сажа (вуглець).
РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ
261. За додатковими джерелами інформації підготуйте доповідь про відкриття й дослідження метану.
Метан був уперше виявлений італійським фізиком Алессандро Вольтою в період між 1776 та 1778 роками. Досліджуючи болота поблизу озера Маджоре, він помітив бульбашки газу, що піднімалися з дна, і зібрав їх для вивчення. Вольта встановив, що цей газ здатний горіти, і назвав його «горючим повітрям болот». Пізніше, у 1856 році, французький хімік Марселен Бертло вперше синтезував метан хімічним шляхом, підтвердивши його склад. Сучасні дослідження метану зосереджені на його ролі як основного компонента природного газу, а також як потужного парникового газу, що впливає на зміну клімату.
Чому його назвали «горючим повітрям»?
На мою думку, таку назву метан отримав тому, що у XVIII столітті більшість газів називали різними видами «повітря», а головною особливістю цієї речовини була здатність легко спалахувати та горіти. Бенджамін Франклін та Алессандро Вольта використовували цей термін, щоб відрізнити його від звичайного повітря, яке горіння не підтримує.
262. Порівняйте фізичні властивості метану, вуглекислого газу та кисню.
Усі три речовини за звичайних умов є безбарвними газами без запаху (метан у побуті має запах лише через спеціальні добавки). Метан значно легший за повітря, тоді як кисень та вуглекислий газ важчі за нього. Крім того, ці гази мають різні температури кипіння: метан перетворюється на рідину за -161,6 °С, кисень — за -183 °С, а вуглекислий газ переходить у твердий стан (сухий лід) за -78,5 °С, оминаючи рідку фазу при нормальному тиску.
Який із цих газів має найменшу густину?
Найменшу густину серед цих газів має метан, оскільки його молекулярна маса є найменшою і становить 16 г/моль. Для порівняння: густина метану складає приблизно 0,662 г/л, тоді як густина кисню та вуглекислого газу є значно вищою.
Який із цих газів має найменшу/найбільшу розчинність у воді?
Найбільшу розчинність у воді має вуглекислий газ, який при 0 °С розчиняється в об’ємі близько 1,7 л на 1 л води. Найменшу розчинність серед цієї трійки має метан, оскільки він є неполярною сполукою і дуже погано взаємодіє з молекулами води.
263. Обчисліть масову частку метану у водному розчині за 0 °С.
ВІДОМО:
$V(CH_4) = 90 \text{ мл} = 0,09 \text{ л}$ (об’єм метану в 1 л води за $0\text{ °C}$
$\rho(CH_4) = 0,662 \text{ г/л}$ (густина метану за $0\text{ °C}$)
$V(H_2O) = 1 \text{ л}$
$\rho(H_2O) = 1000 \text{ г/л}$
ОБЧИСЛИТИ:
$w(CH_4) – ?$
РОЗВ’ЯЗАННЯ:
Обчислимо масу розчиненого метану:
$m(CH_4) = V(CH_4) \cdot \rho(CH_4) = 0,09 \text{ л} \cdot 0,662 \text{ г/л} \approx 0,0596 \text{ г}$.
Обчислимо масу води:
$m(H_2O) = V(H_2O) \cdot \rho(H_2O) = 1 \text{ л} \cdot 1000 \text{ г/л} = 1000 \text{ г}$.
Обчислимо масу отриманого розчину:
$m(\text{розчину}) = m(H_2O) + m(CH_4) = 1000 \text{ г} + 0,0596 \text{ г} = 1000,0596 \text{ г}$.
Обчислимо масову частку метану:
$w(CH_4) = \dfrac{m(CH_4)}{m(\text{розчину})} \cdot 100\% = \dfrac{0,0596 \text{ г}}{1000,0596 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 0,00596\%$.
Відповідь: масова частка метану у водному розчині за $0\text{ °C}$ становить приблизно $0,006\%$.
Порівняйте з масовою часткою вуглекислого газу та кисню у водному розчині за умови максимального їх розчинення.
За температури $0\text{ °C}$ розчинність вуглекислого газу становить приблизно $3,35 \text{ г}$ на $1 \text{ кг}$ води ($w \approx 0,33\%$), а кисню — близько $0,07 \text{ г}$ на $1 \text{ кг}$ води ($w \approx 0,007\%$). Порівняно з ними, метан має найменшу масову частку ($0,006\%$), що свідчить про його дуже низьку розчинність у воді.
264. Із додаткових джерел дізнайтеся про виробництво біогазу. Чи є у складі біогазу метан? За яких умов утворюється біогаз? Для яких потреб його використовують?
У складі біогазу метан є основним компонентом, його частка зазвичай становить від $50\%$ до $75\%$. Біогаз утворюється в процесі анаеробного бродіння (без доступу кисню) органічних відходів під впливом спеціальних бактерій. Його використовують як паливо для виробництва електроенергії, підігріву води, опалення приміщень, а після очищення — як пальне для автомобілів.
Підготуйте презентацію про виробництво біогазу.
На мою думку, презентація повинна мати таку структуру:
- Слайд 1: Назва презентації та визначення біогазу як альтернативного джерела енергії.
- Слайд 2: Склад біогазу (метан, вуглекислий газ та домішки).
- Слайд 3: Сировина для виробництва (гній, солома, харчові відходи, стічні води).
- Слайд 4: Технологія отримання в біогазових установках (процес анаеробного дигестування).
- Слайд 5: Переваги використання біогазу для екології та енергетики.
265. Дізнайтеся про виробництво гуми для автомобільних шин. З якою метою до неї додають сажу?
Сажу (технічний вуглець) додають до складу гуми для шин як наповнювач, що значно підвищує її міцність та зносостійкість. Також сажа покращує теплопровідність шини, запобігаючи її перегріванню під час тертя об дорогу, та захищає гуму від руйнівного впливу ультрафіолетового випромінювання.
Підготуйте повідомлення про виробництво гуми.
Виробництво гуми базується на процесі вулканізації каучуку, під час якого сировину змішують із сіркою та іншими компонентами, а потім нагрівають. На мою думку, сажу (технічний вуглець) додають до складу гуми для автомобільних шин з метою значного підвищення їхньої міцності та зносостійкості. Також використання сажі надає виробам характерного чорного кольору та покращує теплопровідність гуми, що важливо під час експлуатації коліс.
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.
ВІДОМО:
m(розчину) = 1000 кг
Розчинність CH₄ = 0,04 г / 1 кг води
ρ(CH₄) = 0,662 г/л (за 0 °С)
ОБЧИСЛИТИ:
V(CH₄) – ?
РОЗВ’ЯЗАННЯ:
Оскільки маса розчиненого газу дуже мала, ми можемо вважати, що маса води в такому розчині приблизно дорівнює масі самого розчину:
m(H₂O) ≈ 1000 кг.
Обчислимо масу метану в 1000 кг води:
m(CH₄) = 1000 кг * 0,04 г/кг = 40 г.
Обчислимо об’єм метану за формулою
V = m / ρ: V(CH₄) = 40 г / 0,662 г/л ≈ 60,42 л.
Відповідь: з розчину можна виділити приблизно 60,42 л метану.
267. Обчисліть мінімальний об’єм метану (н. у.), виток якого з побутової газової печі зробить повітря на кухні вибухонебезпечним.
ВІДОМО:
S(кухні) = 10 м²
h(стелі) = 2,5 м
φ(CH₄) вибухонебезпечна = 4,4 %
ОБЧИСЛИТИ:
V(CH₄) – ?
РОЗВ’ЯЗАННЯ:
Обчислимо об’єм повітря на кухні:
V(повітря) = S * h = 10 м² * 2,5 м = 25 м³.
Обчислимо мінімальний об’єм метану, що відповідає нижній межі вибуховості (4,4 % або 0,044 у частках від одиниці):
V(CH₄) = V(повітря) * φ = 25 м³ * 0,044 = 1,1 м³.
Відповідь: виток 1,1 м³ метану зробить повітря на кухні вибухонебезпечним.
268. Обчисліть, на скільки років Україні вистачить власних розвіданих запасів природного газу за умови споживання на рівні 34 млрд м³ на рік.
ВІДОМО:
Запаси газу в Україні ≈ 1,5 трлн м³
Річне споживання = 34 млрд м³
ОБЧИСЛИТИ:
t (кількість років) – ?
РОЗВ’ЯЗАННЯ:
Переведемо запаси газу в мільярди кубічних метрів для зручності обчислення:
1,5 трлн м³ = 1500 млрд м³.
Обчислимо тривалість використання запасів:
t = 1500 млрд м³ / 34 млрд м³/рік ≈ 44,1 року.
Відповідь: власних розвіданих запасів газу Україні вистачить приблизно на 44 роки.
РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ
269. За якою ознакою можна виявити, що для згоряння газу в газовій печі не вистачає кисню?
Нестачу кисню можна виявити за зміною кольору полум’я з блакитного на жовтий або яскраво-оранжевий. На мою думку, поява такого забарвлення свідчить про неповне згоряння метану, внаслідок якого утворюються розжарені частки сажі та небезпечний чадний газ.
Якими мають бути ваші дії у разі, коли для згоряння газу в печі не вистачає кисню?
Якщо полум’я стає жовтим або з’являється кіптява, що свідчить про нестачу кисню, необхідно негайно забезпечити приплив свіжого повітря, відкривши вікно або кватирку. Також слід перевірити роботу витяжної вентиляції та за потреби зменшити подачу газу в пальнику.
270. За якою ознакою можна виявити витік природного газу в помешканні?
Витік можна виявити за специфічним різким запахом, що нагадує запах зіпсованого м’яса або тухлих яєць.
Як слід діяти в обставинах витоку природного газу в помешканні?
У разі виявлення запаху газу потрібно негайно перекрити вентилі на газових приладах і на підвідному газопроводі, а також відкрити всі вікна та двері для провітрювання. Категорично забороняється вмикати або вимикати світло й електроприлади, запалювати сірники чи користуватися телефоном у загазованому приміщенні, оскільки іскра може спричинити вибух.
271. Поясніть, з якою метою додають одоранти до природного газу, а також, чому ці одоранти переважно мають запах зіпсованого м’яса.
Одоранти додають до газу для того, щоб людина могла відчути його витік за запахом, оскільки метан є безбарвним і не має власного аромату. Запах зіпсованого м’яса обрано через надзвичайно високу чутливість людського нюху до сполук цього класу (меркаптанів), що дозволяє виявити небезпеку навіть при мізерних концентраціях газу в повітрі.
У додаткових джерелах знайдіть інформацію про реальні випадки, коли одоранти допомогли виявити витоки.
На мою думку, найважливішим прикладом є запровадження обов’язкової одоризації газу після вибуху в школі Нью-Лондона у 1937 році, що згодом допомогло запобігти незліченній кількості катастроф. Сьогодні завдяки одорантам тисячі людей щодня вчасно виявляють несправності газових плит чи труб у своїх оселях і викликають аварійну службу “104” до моменту виникнення вибухонебезпечної концентрації.
272. Як ви вважаєте, на що витрачають кошти для забезпечення транспортування природного газу трубопроводами та танкерами?
Я думаю, що для трубопроводів кошти витрачають на будівництво та обслуговування магістралей, а також на роботу компресорних станцій, що підтримують тиск. Для танкерів основні витрати йдуть на будівництво спеціальних суден із теплоізоляцією, скраплення газу шляхом охолодження до –161,6 °C та будівництво портів із терміналами.
Оцініть, у якому агрегатному стані природний газ транспортувати економічно доцільно.
На мою думку, економічно доцільно транспортувати газ у рідкому стані (скрапленим), оскільки в такому вигляді він займає приблизно у 600 разів менше місця, що дозволяє перевозити величезні обсяги енергії одним судном.
У якому агрегатному стані природний газ транспортувати безпечніше?
Я вважаю, що транспортувати газ у газуватому стані трубопроводами безпечніше, тому що це не вимагає підтримання екстремально низьких температур та постійного контролю за випаровуванням, яке у закритих танках може призвести до небезпечного зростання тиску.
Перевірте свої припущення щодо способів транспортування газу за додатковими джерелами інформації.
Додаткові джерела підтверджують, що трубопроводи є найдешевшим способом доставки газу на відстані до 2-3 тисяч кілометрів суходолом, а транспортування скрапленого газу танкерами стає вигіднішим під час перевезення палива через океани на великі відстані.
273. Оцініть правильність твердження: Газ, який випаровується за час транспортування, доцільно використовувати як пальне на кораблях.
На мою думку, це твердження є абсолютно правильним, адже використання випаруваного газу як пального для двигунів танкера дозволяє не витрачати інші ресурси та одночасно регулювати тиск у резервуарах, запобігаючи аварійним ситуаціям.
Будова танків за типом «термоса» необхідна, аби рідина всередині якомога менше нагрівалася для запобігання надлишковому випаровуванню.
Це твердження є правильним. Скраплений природний газ має надзвичайно низьку температуру, тому термоізоляція танків за принципом посудини Дьюара мінімізує надходження тепла з навколишнього середовища та сповільнює перехід метану з рідкого стану в газуватий.
Випаровування скрапленого газу в щільно закоркованому танці спричиняє підвищення тиску всередині, через що може статися вибух.
Це твердження є правильним. Під час випаровування об’єм газу збільшується у сотні разів порівняно з його рідким станом, що в замкненому просторі неминуче призводить до різкого зростання тиску та загрози механічного руйнування або вибуху ємності.
274. Як ви вважаєте, чи існують промислові синтетичні способи одержання метану?
На мою думку, промислові синтетичні способи одержання метану існують.
Обґрунтуйте свою думку щодо існування промислових синтетичних способів одержання метану.
Я думаю так, оскільки метан можна синтезувати з простих речовин або інших газів, наприклад, шляхом каталітичного гідрування вуглекислого газу (реакція Сабатьє). Проте такі методи наразі не мають широкого промислового застосування, бо видобуток природного газу з підземних родовищ є економічно вигіднішим.
Поясніть значення терміну «гідроліз» за перекладом з грецької та рівнянням реакції.
Термін «гідроліз» походить від грецьких слів «гідро» — вода та «лізіс» — розкладання, що означає розклад речовини за участю води. Прикладом цього процесу є лабораторний спосіб добування метану з алюміній карбіду: $Al_4C_3 + 12H_2O = 4Al(OH)_3 + 3CH_4\uparrow$.
Обчисліть об’єм метану, який можна одержати гідролізом алюміній карбіду масою 360 г.
ВІДОМО:
$m(Al_4C_3) = 360$ г
$M(Al_4C_3) = 144$ г/моль
$V_m = 22,4$ л/моль
ОБЧИСЛИТИ:
$V(CH_4) – ?$
РОЗВ’ЯЗАННЯ:
Записуємо рівняння реакції гідролізу алюміній карбіду:
$Al_4C_3 + 12H_2O = 4Al(OH)_3 + 3CH_4\uparrow$
Обчислюємо кількість речовини алюміній карбіду, що вступив у реакцію:
$n(Al_4C_3) = \dfrac{m(Al_4C_3)}{M(Al_4C_3)} = \dfrac{360 \text{ г}}{144 \text{ г/моль}} = 2,5 \text{ моль}$
За хімічним рівнянням визначаємо кількість речовини метану. Співвідношення коефіцієнтів $Al_4C_3$ та $CH_4$ становить 1:3, тому:
$n(CH_4) = 3 \cdot n(Al_4C_3) = 3 \cdot 2,5 \text{ моль} = 7,5 \text{ моль}$
Обчислюємо об’єм метану за нормальних умов:
$V(CH_4) = n(CH_4) \cdot V_m = 7,5 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 168 \text{ л}$
Відповідь: гідролізом алюміній карбіду масою 360 г можна одержати 168 л метану.