Метан

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:Вещество

Мета́н (лат. Шаблон:Langi; болотный газ), Шаблон:Химическая формула — простейший по составу предельный углеводород, при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха[1].

Малорастворим в воде, почти в два раза легче воздуха.

Метан нетоксичен, но при высокой концентрации в воздухе обладает слабым наркотическим действием (ПДК 7000 мг/м3)[2]. Имеются данные, что метан при хроническом воздействии малых концентраций в воздухе неблагоприятно влияет на центральную нервную систему[3]. Наркотическое действие метана CHШаблон:Sub ослабляется его малой растворимостью в воде и крови и химической инертностью. Класс токсичности — четвёртый[4].

При использовании в быту в метан (природный газ) обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) — летучие вещества со специфическим «запахом газа», чтобы человек вовремя заметил аварийную утечку газа по запаху. На промышленных производствах утечки фиксируют датчики и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств поставляется без добавления одорантов.

Накапливаясь в закрытом помещении в смеси с воздухом метан становится взрывоопасен при концентрации его от 4,4 % до 17 %[5]. Наиболее взрывоопасная концентрация в смеси с воздухом 9,5 об.%.

Метан — третий по значимости парниковый газ в атмосфере Земли (после водяного пара и углекислого газа, его вклад в парниковый эффект оценивается 4—9 %)[6][7]Шаблон:Переход.

История

В ноябре 1776 года итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На изучение болотного газа его вдохновила статья Бенджамина Франклина о «горючем воздухе». Вольта собирал газ, выделяемый со дна болота, и в 1778 году выделил чистый метан. Также он продемонстрировал зажигание газа от электрической искры.

Сэр Гемфри Дэви в 1813 г. изучал рудничный газ и показал, что он является смесью метана с небольшими количествами азота N2 и углекислого газа CO2 — то есть, что он качественно тождествен по составу болотному газу.

Современное название «метан» в 1866 г. газу дал немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман[8][9], оно образовано от слова «метанол».

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[6][7].

Метан также был обнаружен на других планетах, включая Марс, что имеет значение для исследований в области астробиологии[10]. По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан[11].

Предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси[12]. Велика доля метановых льдов и на поверхности Седны.

В промышленности

Образуется при коксовании каменного угля, гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.

Классификация по происхождению

  • абиогенный — образован в результате химических реакций неорганических соединений, например, при взаимодействии карбидов металлов с водой;
  • биогенный — образован как результат химических превращений органических веществ;
  • бактериальный (микробный) — образован в результате жизнедеятельности бактерий (микроорганизмов);
  • термогенный — образован в ходе термохимических процессов.

Получение

В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и кальция) или безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой.

<math>\mathsf{2NaOH + CH_3COOH \xrightarrow[]{^ot} Na_2CO_3 + H_2O + CH_4\uparrow}</math>

Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.

Возможно получение метана сплавлением ацетата натрия с гидроксидом натрия[13]:

<math>\mathsf{CH_3COONa + NaOH \rightarrow CH_4\uparrow + Na_2CO_3}</math>

Также для лабораторного получения метана используют гидролиз карбида алюминия или некоторых металлорганических соединений (например, метилмагнийбромида).

Также возможно биологическое получение метана, см. Биогаз.

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:

<math>\mathsf{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O + 891\ {kJ}}</math>.

При комнатной температуре и стандартном давлении метан является бесцветным газом без запаха[14]. Знакомый запах природного газа, который используется дома, обычно достигается добавлением смеси одоранта, содержащей трет-бутилтиол, в качестве меры безопасности. Метан имеет температуру кипения −164 ° C при давлении в одну атмосферу[15]. Как газ, он легко воспламеняется при объёмных концентрациях в воздухе от 4,4 % до 17 % при стандартном давлении.

Твёрдый метан существует в нескольких модификациях. В настоящее время известно девять[16].

Вступает с галогенами в реакции замещения, которые проходят по свободно-радикальному механизму:

<math>\mathsf{CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl}</math>,
<math>\mathsf{CH_3Cl + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl_2 + HCl}</math>,
<math>\mathsf{CH_2Cl_2 + Cl_2 \rightarrow CHCl_3 + HCl}</math>,
<math>\mathsf{CHCl_3 + Cl_2 \rightarrow CCl_4 + HCl}</math>.

Выше 1400 °C разлагается по реакции:

<math>\mathsf{2CH_4 \rightarrow C_2H_2 + 3H_2}</math>.

Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200 °C и давлении 30—90 атм. по цепному радикальному механизму:

<math>\mathsf{CH_4 + 3[O] \rightarrow HCOOH + H_2O}</math>.

Соединения включения

Метан образует соединения включения — газовые гидраты, широко распространённые в природе.

Применение метана

Метан используется в качестве топлива для печей, водонагревателей, автомобилей[17][18], турбин и др. Для хранения метана может использоваться активированный уголь.

Как основной компонент природного газа, метан важен для производства электроэнергии, сжигая его в качестве топлива в газовой турбине или парогенераторе. По сравнению с другими видами углеводородного топлива метан производит меньше углекислого газа на каждую единицу выделенного тепла. При температуре около 891 кДж/моль теплота сгорания метана ниже, чем у любого другого углеводорода. Тем не менее, он производит больше тепла на массу (55,7 кДж/г), чем любая другая органическая молекула из-за его относительно большого содержания водорода, что составляет 55 % теплоты сгорания[19], но отдаёт только 25 % молекулярной массы метана. Во многих городах метан подаётся в дома для отопления и приготовления пищи. В этом контексте его обычно называют природным газом, содержание энергии в котором составляет 39 мегаджоулей на кубический метр. Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой преимущественно метан (CH4), превращаемый в жидкую форму для удобства хранения или транспортировки.

Рафинированный жидкий метан, в сочетании с жидким кислородом, рассматривается в качестве перспективного ракетного топлива[20][21] и используется в таких двигателях, как РД-0162, BE-4[22] и Raptor. Метан имеет преимущества перед керосином в том, что он:

  • даёт бо́льший удельный импульсШаблон:Sfn;
  • оставляет меньше продуктов сгорания на внутренних частях ракетных двигателей[22];
  • позволяет легче освободить полости двигателя от остатков топливаШаблон:Sfn.

Это уменьшает сложность повторного использования ракет[22]Шаблон:Sfn.

Метан используется в качестве сырья в органическом синтезе, в том числе для изготовления метанола.

Физиологическое действие

Метан является самым физиологически безвредным газом в гомологическом ряду парафиновых углеводородов. Физиологическое действие метан не оказывает и не ядовит (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 тяжёлом 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 метана

У 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.

ПДК метана в воздухе рабочей зоны составляет 7000 мг/м³[2].

Биологическая роль

Показано, что эндогенный метан способен вырабатываться не только метаногенной микрофлорой кишечника, но и клетками эукариот, и что его образование значительно возрастает при экспериментальном вызывании клеточной гипоксии, например, при нарушении работы митохондрий при помощи отравления организма экспериментального животного азидом натрия, известным митохондриальным ядом. Высказывается предположение, что образование метана клетками эукариот, в частности животных, может быть внутриклеточным или межклеточным сигналом испытываемой клетками гипоксии[23].

Также показано увеличение образования метана клетками животных и растений под влиянием различных стрессовых факторов, например, бактериальной эндотоксемии или её имитации введением бактериального липополисахарида, хотя, возможно, этот эффект наблюдается не у всех видов животных (в эксперименте исследователи получили его у мышей, но не получили у крыс)[24]. Возможно, что образование метана клетками животных в подобных стрессовых условиях играет роль одного из стрессовых сигналов.

Предполагается также, что метан, выделяемый кишечной микрофлорой человека и не усваиваемый организмом человека (он не метаболизируется и частично удаляется вместе с кишечными газами, частично всасывается и удаляется при дыхании через лёгкие), не является «нейтральным» побочным продуктом метаболизма бактерий, а принимает участие в регуляции перистальтики кишечника, а его избыток может вызывать не только вздутие живота, отрыжку, повышенное газообразование и боли в животе, но и функциональные запоры[25].

Метан и экология

Файл:Спектр поглощения метана.svg
Спектр поглощения метана в ближней и средней ИК-областях. По вертикальной оси отложено сечение поглощения на 1 молекулу[26].

Является парниковым газом, более сильным в этом отношении, чем углекислый газ, из-за наличия глубоких колебательно-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[27][28].

С 1750 года концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась примерно на 150 %, и на её долю приходится 20 % от общего радиационного воздействия всех долгоживущих и глобально смешанных парниковых газов[29]. Шаблон:-

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Шаблон:Родственные проекты

Ссылки

  • [www.xumuk.ru/spravochnik/648.html Термодинамические свойства метана.]
  • Метан

Шаблон:Перевести Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Углеводороды

Шаблон:Спам-ссылки

  1. [www.xumuk.ru/encyklopedia/2551.html Статья «Метан» на сайте «Химик»]
  2. 2,0 2,1 Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»
  3. Куценко С. А. Основы токсикологии / С. А. Куценко. — СПб.: Фолиант, 2004.
  4. Газохроматографическое измерение массовых концентраций углеводородов: метана, этана, этилена, пропана, пропилена, н-бутана, альфа-бутилена, изопентана в воздухе рабочей зоны. Методические указания. МУК 4.1.1306-03 (Утв. главным государственным санитарным врачом РФ 30.03.2003)Шаблон:Недоступная ссылка
  5. ГОСТ Р 52136-2003
  6. 6,0 6,1 Наталья Ржевская Тепло мерзлоты // В мире науки. — 2016. — № 12. — С. 67—73.
  7. 7,0 7,1 Шаблон:Статья
  8. A. W. Hofmann (1866) "On the action of trichloride of phosphorus on the salts of the aromatic monoamines, " Proceedings of the Royal Society of London, 15 : 55—62; see footnote on pp. 57—58.
  9. James Michael McBride (1999) «Development of systematic names for the simple alkanes». Available online at Chemistry Department, Yale University (New Haven, Connecticut). Шаблон:Wayback
  10. Шаблон:Статья
  11. Шаблон:Статья
  12. Tidal effects of disconnected hydrocarbon seas on Titan
  13. Шаблон:Книга
  14. Шаблон:Книга
  15. Methane Phase change data // NIST Chemistry Webbook.
  16. Шаблон:Статья
  17. Шаблон:Cite web
  18. Шаблон:Cite news
  19. Шаблон:Статья
  20. Шаблон:Статья
  21. Шаблон:Cite web
  22. 22,0 22,1 22,2 Шаблон:Cite web
  23. Шаблон:Статья
  24. Шаблон:Статья
  25. Шаблон:Статья
  26. Вовна А. В., Хламов М. Г. Применение оптико-абсорбционного метода для измерения объёмной концентрации метана в условиях угольных шахт.
  27. EBRD Methodology for Assessment of Greenhouse Gas Emissions, Version 7, 6 July 2010 Шаблон:WaybackШаблон:Ref-en
  28. Non-CO2 Greenhouse Gases: Scientific Understanding, Control and Implementation (ed. J. van Ham, Springer 2000, ISBN 978-0-7923-6199-2): 4. Impact of methane on climate, page 30 «On a molar basis, an additional mole of methane in the current atmosphere is about 24 times more effective at absorbing infrared radiation and affecting climate than an additional mole of carbon dioxide (WMO, 1999)»
  29. Шаблон:Cite web