Из метана получить углекислый газ уравнение реакции

2. Реакции разложения метана (д егидрирование, пиролиз)

При медленном и длительном нагревании до 1500 о С метан разлагается до простых веществ:

Если процесс нагревания метана проводить очень быстро (примерно 0,01 с), то происходит межмолекулярное дегидрирование и образуется ацетилен:

Пиролиз метана – промышленный способ получения ацетилена.

3. Окисление метана

Алканы – малополярные соединения, поэтому при обычных условиях они не окисляются даже сильными окислителями (перманганат калия, хромат или дихромат калия и др.).

3.1. Полное окисление – горение

Алканы горят с образованием углекислого газа и воды. Реакция горения алканов сопровождается выделением большого количества теплоты.

Уравнение сгорания алканов в общем виде:

При горении алканов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.

Промышленное значение имеет реакция окисления метана кислородом до простого вещества – углерода:

Эта реакция используется для получения сажи.

3.2. Каталитическое окисление

• При каталитическом окислении метана кислородом возможно образование различных продуктов в зависимости от условий проведения процесса и катализатора. Возможно образование метанола, муравьиного альдегида или муравьиной кислоты:

• Важное значение в промышленности имеет паровая конверсия метана: окисление метана водяным паром при высокой температуре.

Продукт реакции – так называемый «синтез-газ».

Получение метана

1. Взаимодействие галогеналканов с металлическим натрием (реакция Вюрца)

Это один из лабораторных способов получения алканов. При этом происходит удвоение углеродного скелета. Реакция больше подходит для получения симметричных алканов. Получить таким образом метан нельзя.

2. Водный или кислотный гидролиз карбида алюминия

Этот способ получения используется в лаборатории для получения метана.

3. Декарбоксилирование солей карбоновых кислот (реакция Дюма)

Реакция Дюма — это взаимодействие солей карбоновых кислот с щелочами при сплавлении.

R–COONa + NaOH → R–H + Na₂CO₃

Декарбоксилирование — это отщепление (элиминирование) молекулы углекислого газа из карбоксильной группы (-COOH) или органической кислоты или карбоксилатной группы (-COOMe) соли органической кислоты.

При взаимодействии ацетата натрия с гидроксидом натрия при сплавлении образуется метан и карбонат натрия:

4. Синтез Фишера-Тропша

Из синтез-газа (смесь угарного газа и водорода) при определенных условиях (катализатор, температура и давление) можно получить различные углеводороды:

Это промышленный процесс получения алканов.

Синтезом Фишера-Тропша можно получить метан:

5. Получение метана в промышленности

В промышленности метан получают из нефти, каменного угля, природного и попутного газа . При переработке нефти используют ректификацию, крекинг и другие способы.

Соединения углерода

Монооксид углерода (угарный газ)

Способы получения угарного газа

В промышленности угарный газ получают:

• при пропускании воздуха через раскаленный уголь:

• паровая конверсия метана – взаимодействие перегретого водяного пара (температура – 800-900ºС) с метаном. В качестве катализаторов используют Ni, MgO, Al₂O₃:

• взаимодействие метана с углекислым газом (температура – 800-900ºС, кат. – Ni, MgO, Al₂O₃):

• горение углерода в недостатке кислорода (неполное окисление углерода):

• неполное окислениеметана:

В лаборатории угарный газ можно получить:

• Нагреванием муравьиной кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты:

• Нагреванием щавелевой кислоты в присутствии концентрированной серной кислоты:

Химические свойства угарного газа

СО – несолеобразующий оксид

• Формально СО можно рассматривать как ангидрид муравьиной кислоты, т.к. он образуется при дегидратации муравьиной кислоты:

А также образование формиата натрия в реакции с гидроксидом натрия при высоком давлении:

CO + NaOH → HCOONa

Однако при обычных условиях он не вступает в реакции с водой, кислотами и щелочами, поэтому относится к типу несолеобразующих оксидов.

Является сильным восстановителем, поэтому реагирует с окислителями:

• Горит синим пламенем в атмосфере кислорода:

• Окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием ядовитого газа фосгена:

• Окисляется другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов:

Восстанавливает металлы из оксидов (при Т

СО + CuO → Cu + CO₂

СО + NiO → Ni + CO₂

• Восстановление водорода из воды в присутствии катализатора Fe, Cr при температуре 400-500 ºС:

• Восстановление некоторых благородных металлов из солей:

• Взаимодействие с водородом при повышенном давлении. Из синтез-газа (смеси угарного газа и водорода) при определенных условиях (P, T, kt) можно получить метанол, метан, или другие углеводороды:

• Образование карбонилов металлов при нагревании:

• Образование карбоксигемоглобина при связывании угарного газа с гемоглобином крови подобно кислороду:

Этим свойством СО и объясняется его высокая токсичность для организма человека.

Диоксид углерода (углекислый газ)

Способы получения углекислого газа

• CO₂ – Конечный продукт окисления органических веществ в клетках аэробных организмов

• Образуется при действии сильных кислот на карбонаты (растворимые и нерастворимые)и гидрокарбонаты металлов:

• При взаимодействии растворимых карбонатов с растворимыми солями алюминия, железа (III) и хрома (III), которые необратимо гидролизуются в водном растворе:

• При термическом разложении нерастворимых карбонатов и при разложении растворимых гидрокарбонатов:

• При сжигании всех видов топлив:

• При спиртовом брожении глюкозы под действием ферментов:

Химические свойства углекислого газа

Углекислый газ — типичный кислотный оксид. Проявляет слабые окислительные свойства

• Качественная реакция на углекислый газ — помутнение известковой воды:

• Взаимодействует с водой, но реакция сильно обратима, и с водой соединяется лишь 1% молекул угольной кислоты:

• С основными оксидами и сильными основаниями (щелочами), с образованием карбонатов или гидрокарбонатов. При этом возможно образование как кислых, так и средних солей:

• С карбонатами, с образованием гидрокарбонатов:

• С водными растворами солей, образованными кислотами, слабее угольной (очень слабые кислоты):

• С некоторыми восстановителями:

2Мg + CO₂ → C + 2MgO

Внимание! Магний горит в атмосфере углекислого газа, поэтому горящий магний нельзя тушить углекислотными огнетушителями.

• В листьях растений на свету из CO₂ и H₂O образуются углеводы и кислород:

• С пероксидом натрия, с образованием карбоната натрия:

• Синтез карбамида (мочевины):

• Получение питьевой соды по методу Сольвэ:

Угольная кислота и карбонаты

Химические свойства угольной кислоты и карбонатов

Угольная кислота – слабая двухосновная кислота

Угольная кислота существует только в водном растворе, где количество ее молекул и анионов в сотни раз меньше, чем количество растворенных молекул углекислого газа CO₂

• Диссоциирует по 2-м ступеням с образованием гидрокарбонат- и карбонат ионов:

H₂CO₃ как индивидуальное соединение неустойчиво и не имеет практического значения, но ее соли устойчивы и нашли широкое применение.

Растворимыми являются карбонаты щелочных металлов. Высокая степень гидролиза является причиной щелочной реакции их водных растворов рН(0,1 М р-ра)

• Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония при нагревании (более 900ºС) разлагаются до оксида металла и оксида углерода (IV):

Карбонат аммония при нагревании разлагается иначе:

• Качественной реакцией является взаимодействие с кислотами является на ионы СО₃ 2─ и НСО₃ − в результате которой происходит выделение СО₂:

• при взаимодействии с разбавленными растворами соляной или серной кислот происходит выделение углекислого газа, который затем пропускают через раствор известковой воды. При этом наблюдается помутнение раствора:

При дальнейшем пропускании раствор вновь становится прозрачным, помутнение исчезает:

• Переход в гидрокарбонаты при пропускании CO₂ через растворы карбонатов или постепенном добавлении кислот:

• Гидрокарбонаты все, кроме NaНCO₃ легко растворяются в воде. Водные растворы также имеют щелочную реакцию вследствие гидролиза:

• при нагревании гидрокарбонаты переходят в карбонаты или гидроксиды:

Получение CO2

В промышленности, основными способами производства двуокиси углерода CO2 являются ее получение как побочного продукта реакции конвертации метана CH4 в водород H2, реакций сжигания (окисления) углеводородов, реакции разложения известняка CaCO3 на известь CaO и воду H20.

CO2 как побочный продукт парового реформинга CH4 и других углеводородов в водород H2

Водород H2 требуется промышленности, прежде всего, для его использования в процессе производства аммиака NH3 (процесс Хабера, каталитическая реакция водорода и азота); аммиак же нужен для производства минеральных удобрений и азотной кислоты. Водород можно производить разными способами, в том числе и любимым экологами электролизом воды — однако, к сожалению, на данное время все способы производства водорода, кроме реформинга углеводородов, являются в масштабах крупных производств абсолютно экономически неоправданными — если только на производстве нет избытка «бесплатной» электроэнергии. Поэтому, основным способом производства водорода, в процессе которого выделяется и углекислый газ, является паровой реформинг метана: при температуре порядка 700. 1100°C и давлении 3. 25 бар, в присутствии катализатора, водяной пар H2O реагирует с метаном CH4 с выделением синтез-газа (процесс эндотермический, то есть идет с поглощением тепла):
CH4 + H2O (+ тепло) → CO + 3H2

Аналогичным образом паровому реформингу можно подвергать пропан:
С3H8 + 3H2O (+ тепло) → 2CO + 7H2

А также этанол (этиловый спирт):
C2H5OH + H2O (+ тепло) → 2CO + 4H2

Паровому реформингу можно подвергать даже бензин. В бензине содержится более 100 разных химических соединений, ниже показаны реакции парового реформинга изооктана и толуола:
C8H18 + 8H2O (+ тепло) → 8CO + 17H2
C7H8 + 7H2O (+ тепло) → 7CO + 11H2

Итак, в процессе парового реформинга того или иного углеводородного топлива получен водород и монооксид углерода CO (угарный газ). На следующем этапе процесса производства водорода, угарный газ в присутствии катализатора подвергается реакции перемещения атома кислорода O из воды в газ = CO окисляется в CO2, а водород H2 выделяется в свободной форме. Реакция экзотермическая, при ней выделяется порядка 40,4 кДж/моль тепла:
CO + H2O → CO2 + H2 (+ тепло)

В условиях промышлененых предприятий, выделяющийся при паровом реформинге углеводородов диоксид углерода CO2 легко изолировать и собрать. Однако, CO2 в этом случае является нежелательным побочным продуктом, простой свободный выпуск его в атмосферу, хотя и является сейчас превалирующим путем избавления от CO2, нежелателен с экологической точки зрения, и некоторыми предприятиями практикуются более «продвинутые» методы, такие как, например, закачивание CO2 в нефтяные месторождения со снижающимся дебетом или закачивание его в океан.

Получение CO2 при полном сжигании углеводородного топлива

При сжигании, то есть окислении достаточным количеством кислорода углеводородов, таких как метан, пропан, бензин, керосин, дизельное топливо и др., образуются углекислый газ и, обычно, вода. Например, реакция сгорания метана CH4 выглядит так:
CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

CO2 как побочный продукт получения H2 методом частичного окисления топлива

Порядка 95% промышленно производимого в мире водорода производится вышеописанным способом парового реформинга углеводородного топлива, прежде всего метана CH4, содержащегося в природном газе. Кроме парового реформинга, из углеводородного топлива с довольно высокой эффективностью можно получать водород и способом частичного окисления, когда метан и другие углеводороды реагируют с недостаточным для полного сжигания топлива количеством кислорода (напомним, что в процессе полного сжигания топлива, кратко описанным чуть выше, получается углекислый газ CO2 и вода H20). При подаче же меньшего, чем стехиометрическое, количества кислорода, продуктами реакции преимущественно являются водород H2 и монооксид углерода, он же угарный газ CO; в небольших количествах получаются и углексилый газ CO2, и некоторые другие вещества. Так как обычно, на практике, этот процесс проводят не с очищенным кислородом, а с воздухом, то как на входе, так и на выходе процесса имеется азот, который в реакции не участвует.

Частичное окисление является экзотермическим процессом, то есть в результате реакции выделяется тепло. Частичное окисление, как правило, протекает значительно быстрее, чем паровой реформинг, и требует меньшего по объему реактора. Как видно на примере приведенных ниже реакций, изначально частичное окисление производит меньше водорода на единицу топлива, чем получается в процессе парового реформинга.

Реакция частичного окисления метана CH4:
CH₄ + ½O₂ → CO + H₂ (+ тепло)

Частичное окисление бензина на примере изооктана и толуола, из более чем ста химических соединений, присутствующих в бензине:
C₈H₁₈ + 4O₂ → 8CO + 9H₂ (+ тепло)
C₇H₁₈ + 3½O₂ → 7CO + 4H₂ (+ тепло)

Для конвертации CO в углекислый газ и получения дополнительного водорода используется уже упомянутая в описании процесса парового реформинга реакция сдвига кислорода вода→газ:
CO + H₂O → CO₂ + H₂ (+ небольшое количество тепла)

CO2 при ферментации сахара

В производстве алкогольных напитков и хлебобулочных изделий из дрожжевого теста, используется процесс ферментации сахаров — глюкозы, фруктозы, сахарозы и др., с образованием этилового спирта C2H5OH и диоксида углерода CO2. Например, реакция ферментации глюкозы C6H12O6 такова:
C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

А ферментации фруктозы C12H22O11 — выглядит вот так:
C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → 4C₂H₅OH + 4CO₂

Оборудование для производства CO2 пр-ва компании Wittemann

В производстве алкогольных напитков, получаемый алкоголь является желательным и даже, можно сказать, необходимым продуктом реакции брожения. Углекислый газ же иногда выпускается в атмосферу, а иногда оставляется в напитке для его газирования. В выпечке хлеба все происходит наоборот: CO2 нужен для образования пузырьков, вызывающих поднятие теста, а этиловый спирт почти полностью испаряется при выпечке.

Многие предприятия, прежде всего спиртозаводы, для которых CO₂ является совсем уж ненужным побочным продуктом, наладили его сбор и продажу. Газ из бродильных чанов через спиртовые ловушки подается в углекислотный цех, где CO2 очищают, сжижают и разливают в баллоны. Собственно, именно спиртовые заводы являются во многих регионах основными поставщиками углекислоты — и для многих из них, продажа углекислоты является отнюдь не последним источником доходов.

Существует целая отрасль производства оборудования для выделения чистого углекислого газа на пивоваренных и спиртовых заводах (Huppmann/GEA Brewery, Wittemann и др.), а также его прямого производства из углеводородного топлива. Поставщики газов, такие как Air Products и Air Liquide, также осуществляют установку станций по выделению CO₂ и его последующей очистке, сжижению у заправке в баллоны.

CO2 при производстве негашеной извести CaO из CaCO3

Процесс производства широко используемой негашеной извести CaO также имеет в качестве побочного продукта реакции двуокись углерода. Реакция разложения известняка CaCO3 эндотермическая, нуждается в температуре порядка +850°C и выглядит так:
CaCO3 → CaO + CO2

Если же известняк (или другой карбонат металла) вступает в реакцию с кислотой, то в качестве одного из продуктов реакции выделяется углекисота H2CO3. Например, соляная кислота HCl реагирует с известняком (карбонатом кальция) CaCO3 следующим образом:
2HCl + CaCO₃ → CaCl₂ + H₂CO₃

Угольная кислота является очень нестойкой, и при атмосферных условиях быстро разлагается на CO2 и воду H2O.