§ 8. Природный газ

Определения и обозначения

Природный газ — смесь газообразных углеводородов, обычно залегающая в земной коре; главный её компонент — метан. Это не чистое вещество: состав смеси меняется, поэтому его определяют для каждого месторождения. Такое различие важно учитывать при оценке свойств и выборе способов подготовки газа.

Попутный нефтяной газ — смесь газов, растворённых в нефти или находящихся над ней и выделяющихся при добыче нефти. Его получают не из отдельной газовой залежи, а вместе с нефтью. Это понятие помогает отличать источник газа и понимать, почему его добыча связана с нефтяными промыслами.

Газовый конденсат — жидкая смесь углеводородов, выделяющаяся из природного газа при изменении давления и температуры. В пластовых условиях эти вещества могут быть частью газовой смеси, а при её подъёме и охлаждении переходят в жидкость. Это определение нужно, чтобы не путать конденсат с газом или нефтью.

Газовое месторождение — скопление природного газа в горных породах, пригодное для промышленной добычи. Газ в нём находится в пустотах и трещинах пород, а не в виде подземного озера. Понятие показывает, что залежь должна быть не только обнаружена, но и доступна для разработки.

Как это устроено

Залежи природного газа образовались из остатков древних организмов, которые миллионы лет находились под слоями осадочных пород и изменялись под действием давления и температуры. Образовавшиеся углеводороды перемещались через пористые породы, потому что в них есть связанные между собой пустоты. На пути газ задерживал непроницаемый слой, через который он не мог пройти, и поэтому постепенно скапливался под ним. Так возникают залежи, из которых можно добывать газ буровыми скважинами.

Основу природного газа чаще всего составляет метан, но в ходе образования и перемещения газа в залежь могут попасть и другие углеводороды. Кроме того, состав зависит от пород и условий конкретного месторождения. Поэтому в одной залежи доля метана может быть выше, а в другой заметнее присутствуют более тяжёлые углеводороды или примеси. Перед использованием состав газа анализируют, чтобы подобрать подходящую подготовку.

Природный газ, попутный нефтяной газ и газовый конденсат различаются местом нахождения и состоянием. Природный газ получают из газовой залежи, а попутный нефтяной газ извлекают при добыче нефти, поскольку он растворён в ней или находится над её поверхностью. Конденсат — не отдельный газ: это жидкая часть углеводородов, которая отделяется от газовой смеси при изменении давления и температуры. Такое сравнение объясняет, почему продукты могут добываться на одном промысле, но требуют разного сбора.

После извлечения газ подготавливают: удаляют нежелательные примеси и влагу. Примеси могут быть вредны или мешать использованию, а вода при охлаждении способна конденсироваться и создавать проблемы при транспортировке. Подготовленный газ подают по трубопроводам; для перевозки на большие расстояния его также могут сжижать, уменьшая занимаемый объём. На месте назначения газ снова переводят в газообразное состояние, если это требуется для использования.

При сгорании природный газ выделяет энергию, поэтому его применяют для отопления, приготовления пищи и получения электроэнергии. Главный компонент, метан, при достатке кислорода сгорает с образованием углекислого газа и воды. Газ служит и химическим сырьём: его компоненты используют для получения других веществ, а не только сжигают. При оценке применения важно помнить, что сжигание выделяет CO₂, а добыча и транспортировка тоже могут влиять на окружающую среду.

Природный газ и связанные с ним углеводородные смеси

Сначала найдите в таблице место нахождения или способ получения: это помогает различить природный и попутный газ. Затем сравните агрегатное состояние и компоненты, чтобы не принять конденсат за газовую смесь. Последний столбец показывает, что все три продукта могут быть полезны, но их применение зависит от состава и формы.

Разбор задач

1. Запишите уравнение полного сгорания метана и укажите продукты реакции.

При полном сгорании углерод метана превращается в углекислый газ, а водород — в воду. Сначала запишем формулы исходных веществ и продуктов, затем уравняем число атомов по обе стороны. Коэффициенты показывают соотношение частиц и газовых объёмов при одинаковых условиях.

1. Записываем схему: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O.
2. Уравниваем водород: в CH₄ четыре атома H, поэтому ставим 2 перед H₂O.
3. Справа теперь четыре атома O: два в CO₂ и два в 2H₂O, значит, ставим 2 перед O₂.

Ответ: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Продукты полного сгорания — углекислый газ и вода.

2. Определите объём кислорода для полного сгорания 10 л метана при одинаковых условиях.

В уравнении горения метана перед CH₄ стоит коэффициент 1, а перед O₂ — 2. При одинаковых температуре и давлении объёмы газов соотносятся так же, как коэффициенты в уравнении. Поэтому объём кислорода должен быть в два раза больше объёма метана.

1. Записываем уравнение: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
2. Составляем отношение объёмов: V(O₂) : V(CH₄) = 2 : 1.
3. Подставляем объём метана: V(O₂) = 2 × 10 л = 20 л.

Ответ: для полного сгорания 10 л метана требуется 20 л кислорода.

3. В природном газе 92% метана по объёму. Какой объём CO₂ образуется при сгорании 5 м³ смеси?

Сначала нужно определить, сколько метана содержится в смеси: для этого умножаем общий объём на долю метана. Остальные компоненты по условию не учитываем, поэтому в расчёте участвует только CH₄. По уравнению реакции один объём метана образует один объём углекислого газа при одинаковых условиях.

1. Находим долю метана: 92% = 0,92.
2. Вычисляем объём метана: V(CH₄) = 5 м³ × 0,92 = 4,6 м³.
3. Используем соотношение CH₄ : CO₂ = 1 : 1, поэтому V(CO₂) = 4,6 м³.

Ответ: образуется 4,6 м³ углекислого газа.

Типичные ошибки

Ошибка: считать природный газ чистым метаном. Это неверно, потому что природный газ — смесь, а его состав меняется от месторождения к месторождению. Такое упрощение удобно для некоторых задач, но не описывает реальный газ полностью. Проверьте себя: если речь идёт о составе природного газа, ищите слова «обычно» или указание долей компонентов.

Ошибка: путать природный и попутный нефтяной газ. Их объединяет наличие углеводородов, поэтому названия легко смешать. Однако природный газ добывают из газовых залежей, а попутный выделяется при добыче нефти. Для проверки спросите себя, с чем связан источник газа: с самостоятельной газовой залежью или с нефтяным месторождением.

Ошибка: не уравнять уравнение горения перед расчётами. Если коэффициенты расставлены неправильно или отсутствуют, соотношение объёмов газов получится ошибочным. Причина часто в том, что начинают считать сразу по формуле, не проверив число атомов. Сначала пересчитайте атомы каждого элемента слева и справа и лишь затем используйте коэффициенты.

Ошибка: считать, что при полном сгорании метана образуется угарный газ. Угарный газ может образоваться при недостатке кислорода, то есть при неполном сгорании. Для полного сгорания нужно достаточное количество кислорода, а продукты — CO₂ и H₂O. Проверьте условие задачи: если сказано «полное сгорание», записывайте именно эти продукты.

Связь с другими темами

Для изучения природного газа нужны понятия углеводорода, алкана и реакции горения: они помогают понять состав газа и его превращения. Тема связана с нефтью, потому что при её добыче получают попутный нефтяной газ, а углеводороды подвергают химической переработке. Расчёты по уравнениям реакций позволяют находить объёмы реагирующих газов и продуктов. При обсуждении топлива учитывают выбросы углекислого газа и экологические последствия добычи и использования природных ресурсов.

Что запомнить

• Природный газ — смесь углеводородов, главный компонент которой обычно метан.
• Состав природного газа меняется от месторождения к месторождению.
• Попутный нефтяной газ добывают вместе с нефтью.
• Перед использованием природный газ подготавливают, удаляя нежелательные примеси и влагу.
• Природный газ используют как топливо и как сырьё для химической промышленности.
• При полном сгорании метана образуются углекислый газ и вода.