Доклад. Исследовательская работа по теме Метан парниковый газ, влияние на изменение теплового баланса, экологические проблемы
 Скачать 35.23 Kb.
|
|
Учреждение образования «Минский государственный колледж электроники» Исследовательская работа по теме «Метан – парниковый газ, влияние на изменение теплового баланса, экологические проблемы» Выполнили Селин Даниил, Карчевский Илья учащиеся 38ТП группы 1 курса Минск, 2019 1 Содержание Введение……………………………………………..3 История………………………………………………4 Метан………………………………………………...4-8 Физиологическое действие.…………………..4 Химические свойства..………………………..5 Нахождение в природе………………………..6 Добыча…….…………………………………...6 Экологическая проблема……………………...7 Применение……………………………………8 Литература…………………………………….9 Вывод о влиянии Метана на тепловой баланс…….9 Цель: исследовать влияние метана на тепловой баланс Введение Основной приток энергии к Земле обеспечивается солнечным излучением и составляет около 341 Вт/м² в среднем по всей поверхности планеты. Внутренние источники тепла (радиоактивный распад, стратификация по плотности) по сравнению с этой цифрой незначительны (около 0,08 Вт/м²)Из 341 Вт/м² солнечного излучения, попадающего на Землю, примерно 30 % (102 Вт/м²) сразу же отражается от поверхности Земли (23 Вт/м²) и облаков (79 Вт/м²), а 239 Вт/м² в сумме поглощается атмосферой (78 Вт/м²) и поверхностью Земли (161 Вт/м²). Поглощение в атмосфере обусловлено, в основном, облаками и аэрозолями. Из 161 Вт/м² поглощаемой поверхностью Земли энергии 40 Вт/м² возвращается в космическое пространство в виде теплового излучения диапазона 3–45 мкм, ещё 97 Вт/м² передаются атмосфере за счёт различных тепловых процессов (80 Вт/м² — испарение воды, 17 Вт/м² — конвективный теплообмен). Кроме того, около 356 Вт/м² излучения Земли поглощается атмосферой, из которых 332 Вт/м² (161 – 40 – 97 – 356 + 332 = 0) возвращается в виде обратного излучения атмосферы. Таким образом, полное тепловое излучение поверхности Земли составляет 396 Вт/м² (356+40), что соответствует средней тепловой температуре 288 К (15 °С). Атмосфера излучает в космическое пространство 199 Вт/м², включая 78 Вт/м², полученные от излучения Солнца, 97 Вт/м², полученные от поверхности Земли, и разность между поглощаемым атмосферой излучением поверхности и обратным излучением атмосферы в объёме 23 Вт/м². Внутренние источники тепла Земли менее значительны по мощности, чем внешние. Считается, что основными источниками являются: распад долгоживущих радиоактивных изотопов (уран-235 и уран-238, торий-232, калий-40), гравитационная дифференциация вещества, приливное трение, метаморфизм, фазовые переходы. Средняя плотность теплового потока по земному шару составляет 87±2 мВт/м² или (4,42±0,10)·1013 Вт в целом по Земле, то есть примерно в 5000 раз меньше, чем средняя солнечная радиация. В океанских районах этот показатель составляет в среднем 101±2 мВт/м², в континентальных — 65±2 мВт/м². В глубоководных океанических желобах она меняется в пределах 28-65 мВт/м², на континентальных щитах — 29-49 мВт/м², в областях геосинклиналей и срединно-океанических хребтах может достигать 100-300 мВт/м² и более[]. Около 60 % теплового потока (2,75·1013 Вт) приходится на внутренние источники тепла, остальные 40 % обусловлены остыванием планеты. Согласно измерениям нейтринного потока из недр Земли, на радиоактивный распад приходится 24 ТВт (2,4·1013 Вт) внутреннего тепла. . История В ноябре 1776 года, итальянский физик АЛЕССАНДРО Вольта обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На поиски его вдохновила статья, написанная Бенджамином Франклином о «горючем воздухе». Вольта собирал газ, выделяемый болотом, и в 1778 году получил чистый метан. Метан Метан (лат. methanum), CH4 — простейший по составу предельный углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека. Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему. Накапливаясь в закрытом помещении, метан становится взрывоопасен. Обогащают одорантами, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. На промышленных производствах утечки фиксируют датчики, и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств поставляется без добавления одорантов. Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 % до 17 %. Наиболее взрывоопасная концентрация 9,5 %. Проявляет наркотические свойства; наркотическое действие ослабляется малой растворимостью в воде и крови. Класс опасности — четвёртый. Метан — третий по значимости (4–9 %) парниковый газ в атмосфере Земли (после водяного пара и углекислого газа). Физиологическое действие Метан является самым физиологически безвредным газом в гомологическом ряду парафиновых углеводородов. Физиологическое действие метан не оказывает и неядовит (из-за малой растворимости метана в воде и плазме крови и присущей парафинам химической инертности). Погибнуть человеку в воздухе с высокой концентрацией метана можно только от недостатка кислорода в воздухе. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки удушья (учащение пульса, увеличение объёма дыхания, нарушение координации тонких мышечных движений и т. д.). Более высокие концентрации метана в воздухе вызывают у человека кислородное голодание — головную боль, одышку, — симптомы, характерные для горной болезни. Так как метан легче воздуха, он не скапливается в проветриваемых подземных сооружениях. Поэтому случаи гибели людей от удушья при вдыхания смеси метана с воздухом весьма редки. Первая помощь при тяжелом удушье: удаление пострадавшего из вредной атмосферы. При отсутствии дыхания немедленно (до прихода врача) искусственное дыхание изо рта в рот. При отсутствии пульса — непрямой массаж сердца. Хроническое действие метанаУ людей, работающих в шахтах или на производствах, где в воздухе присутствуют в незначительных количествах метан и другие газообразные парафиновые углеводороды, описаны заметные сдвиги со стороны вегетативной нервной системы (положительный глазосердечный рефлекс, резко выраженная атропиновая проба, гипотония) из-за очень слабого наркотического действия этих веществ, сходного с наркотическим действием диэтилового эфира. Химические свойства Метан — первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов (алканов), наиболее устойчив к химическим воздействиям. Подобно другим алканам вступает в реакции радикального замещения — галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления, нитрования и других, но обладает меньшей реакционной способностью по сравнению с другими алканами. Для метана специфична реакция с парами воды, в которой в промышленности применяется в качестве катализатора никель, нанесённый на оксиде алюминия (Ni/Al2O3) при 800—900 °C или без катализатора при 1400—1600 °C. Образующийся в результате реакции синтез-газ может быть использован для последующих синтезов метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов. Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 33,066 МДж на 1 м³, взятый при нормальных условиях. Реакция горения метана в кислороде или воздухе: CH4 + 2O2 => CO2 + 2H2O + 891kJ. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 4,4 % до 17 %. Вступает с галогенами в реакции замещения, которые проходят по свободно-радикальному механизму: CH4 + Cl2 => CH3Cl + HCl, CH3Cl + Cl2 => CH2Cl2 + HCl, CH2Cl2 + Cl2 => CHCl3 + HCl, CHCl3 + Cl2 => CCl4 + HCl. Выше 1400 °C разлагается по реакции: 2CH4 => C2H2 + 3H2. Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200 °C и давлении 30—90 атм. по цепному радикальному механизму: CH4 + 3[O] => HCOOH + H2O. Нахождение в природе Основной компонент природного газа (77—99 %), попутных нефтяных газов (31—90 %), рудничного и болотного газов (отсюда произошли другие названия метана — болотный или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, кишечнике жвачных животных) образуется биогенно в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. Большие запасы метана сосредоточены в метаногидратах на дне морей и в зоне вечной мерзлоты[10][11]. По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан[14]. Предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси[15]. Велика доля метановых льдов и на поверхности Седны. Добыча метана Добыча происходит из метанугольных пластов — метан, содержащийся в сорбированном (связанном) состоянии в системе естественных трещин угля. При бурении скважин давление в устье скважины становится ниже, чем давление в пласте за счет чего происходит приток находящейся в трещинах жидкости, а в дальнейшем и метана. Экологическая проблема Парниковые газы — газы с высокой прозрачностью в ВИДИМОМ диапазоне и с высоким поглощением в дальнем ИНФРАКРАСНОМ диапазоне. Присутствие таких газов в атмосферах планет приводит к появлению ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА. Основными парниковыми газами ЗЕМЛИ являются ВОДЯНОЙ ПАР, УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ, МЕТАН И ОЗОН (в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс). Потенциально в парниковый эффект могут вносить вклад и антропогенные ГАЛОГЕНИРОВАННЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ и ОКСИДЫ АЗОТА, однако ввиду низких концентраций в атмосфере оценка их вклада проблематична. Метан является парниковым газом, более сильным в этом отношении, чем углекислый газ, из-за наличия глубоких вращательных полос поглощения его молекул в инфракрасном спектре. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность того же молярного объёма метана составит 21-25 единиц. Применение метана Метан применяется в двух основных случаях: как топливо, как сырье в органическом синтезе. Топливо Raptor («Раптор») — жидкостный ракетный двигатель, разрабатываемый компанией SpaceX. Двигатель закрытого цикла с полной газификацией компонентов топлива, работающий на жидких метане и кислороде, планируется применять на ракете-носителе BFR. С 2009 по 2015 год разработка двигателя финансировалась за счёт инвестиций SpaceX, без привлечения финансирования со стороны правительства США. В январе 2016 года SpaceX заключила контракт с ВВС США на сумму $33,7 млн на разработку прототипа двигателя Raptor для использования на верхних ступенях ракет Falcon 9 и Falcon Heavy. ВВС США увеличило финансирование на $16,9 млн, $40,8 млн и $6,5 млн в июне, октябре и декабре 2017 года соответственно. Сырьё в органическом синтезе. CH4 + H2O => CO + 3H2, CH4 + HNO3 => CH3-NO2 + H2O. Литература Львов М. Д. Болотный газ или метан Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона Вывод Содержащиеся в атмосфере газы создают глобальный парниковый эффект, способствующий медленному, но неуклонному повышению температуры на Земле. Это может привести к увеличению потоков метана, так как изменение температуры окружающей среды на один градус меняет интенсивность выделения метана в микробиологических процессах, происходящих на болотах, в сибирских талых озерах, на рисовых полях, свалках примерно на 10 %. |