Метан – это газ, имеющий органическую природу, лишенный запаха и цвета. CH 4 – такова его химическая формула, а масса вещества меньше, чем масса воздуха. Растворение в воде протекает медленно. Говоря об органической природе метана, имеется в виду, что почти 95% случаев его появления носят естественную природу. К примеру, он выделяется при разложении остатков растений. Поэтому неудивительно, что многие его характеристики были изучены еще до Новой Эры, когда люди наблюдали пузырьки воздуха на поверхности стоячих водоемов. Данные пузырьки были именно метаном, выделяющимся в процессе гниения растений на дне болота.
Среди прочих естественных источников газа можно выделить:
- Домашний скот. Бактерии, живущие в их желудках, выделяют метан в процессе жизнедеятельности, причем его доля приходится на 20% всего атмосферного газа.
- Растения. Метан – неотъемлемое вещество, выделяющееся в процессе фотосинтеза.
- Насекомые. Наиболее активно выделяют метан термиты.
- Шахты. Под земной поверхностью постоянно происходит медленное разложение каменного угля, в процессе чего образуется метан.
- Нефтяные скважины. В нефти содержание этого газа просто огромно.
- Вулканы. Вероятно, там метан также образуется из-за того, что активно разлагаются доисторические органические материи.
- Океан. Глубоко под водой находятся трещины, через которые может сочиться метан.
- Горение лесных массивов.
- Промышленность. Несмотря на кажущуюся активность этих предприятий, их доля выбросов в общей массе мизерна.
Все перечисленные примеры наглядно подтверждают тот факт, что метан постоянно был в атмосфере, его появление не связано с началом активной деятельности человека. Именно поэтому присутствие метана на планете – это признак того, что на ней может быть жизнь или она была там когда-то.
Тем не менее, «натуральность» данного газа не говорит о том, что он не несет нам никакого вреда. Его пары, особенно при повышенной концентрации, вполне способны привести к смерти человека. На первых этапах развития горнодобывающей промышленности часто фиксировались взрывы или сильнейшие отравления шахтеров метаном. Если следить за информацией в СМИ, то эти события имеют место и в современном мире. Чтобы свести к минимуму вероятность метанового отравления, необходимо при первых его признаках оформить заказ на профессиональный анализ воздуха в помещении, при помощи которого удастся точно определить концентрацию.
Метан в современном мире
Газ широко используется в современном мире:
- Двигатели внутреннего сгорания достаточно часто функционируют на метане.
- Газ дает возможность производить многие медикаменты, среди которых антисептики и снотворные препараты.
- Метан – это основа формальдегида и метанола, при помощи которых делаются удобрения и многие иные вещества.
- Без метана невозможно сделать огнетушители и растворители.
- Синильная кислота – не просто яд, она находит и широкое практическое применение, а процесс ее производства основан на окислении метановой и аммиачной смеси.
Метан и его опасность для человеческого организма
Опасность метана кроется в следующих факторах:
- Взрывоопасность. Именно это свойство дало ему название «гремучего газа». Скопление метана, мельчайшая искорка – все это способно привести к разрушительному взрыву. Именно поэтому в местах, где фиксируются скопления или выбросы этого газа, нельзя курить, использовать открытые источники пламени. Но порой даже этих мер безопасности не хватает, газ продолжает забирать человеческие жизни.
- Нами уже было упомянуто свойство, согласно которому метан может накапливаться в шахтах. В основном его можно найти в пустотах между крупными пластами пород, а также пустотах, созданных шахтерами в процессе добычи. Чем активнее добыча – тем интенсивнее выбросы метана, а потому именно работник шахт чаще всего гибнут от этого газа.
- Взрывы – это еще не вся опасность, метан может вызывать и сильнейшие отравления. Вдыхание больших его объемов приводит к недостатку кислорода в крови, «звону» в ушах, ощущению «чугунной» головы. Повышение концентрации заставляет сердце биться чаще, человек чувствует общую слабость, страдает от тошноты, кожные покровы могут покраснеть. Самые серьезные последствия – это обмороки, бледность, конвульсии и даже летальные исходы.
- К сожалению, в чистом виде метан не пахнет, а потому обнаружить его трудно. «Метановый» аромат, который мы можем чувствовать, — это заслуга специальных отдушек, делающих его применение более безопасным и контролируемым.
- В шахтах, конечно, никакие отдушки к метану не добавляются. Еще с древних времен люди пользуются специальными способами, позволяющими зафиксировать его присутствие в воздухе. Первые шахтеры, к примеру, брали с собой канарейку. Если птичка переставала петь или даже умирала, то необходимо срочно удалиться из забоя.
- В 50-х годах минувшего века начали пользоваться особыми приборами, позволяющими точно установить процент метана в воздушной смеси. Тем не менее, опытные работники говорили, что канарейка – способ даже лучший, чем новомодные приборы. Конечно, современные устройства более чувствительны и компактны, порой они монтируются непосредственно в каски шахтеров, как и лампы. В шахтах обязательно установлены и стационарные датчики, постоянно передающие сведения специалистам. Опасные повышения заставляют немедленно отключать электричество и эвакуировать персонал. Сейчас также используются и специальные установки, способные локализовать детонации угольной пыли на самых ранних этапах. Перед тем, как начинается рабочая смена, количество метана в шахте снижается до предельно безопасных отметок.
Получается, что опасность метана для человека исходит сразу с двух сторон. Склонность к детонациям, отравляющий эффект, отсутствие запаха и цвета – все это делает «гремучий газ» невероятно опасным. Чтобы не столкнуться с его самыми худшими сторонами, стоит заранее заказать экологическую экспертизу, способную установить уровень метановой концентрации в воздухе.
Атом углерода в молекуле метана находится в состоянии sp3- гибридизации.В результате перекрывания четырёх гибридных орбиталей атома углерода с s-орбиталями атомов водоорда образуется весьма прочная молекула метана.
Метан-газ без цвета и запаха,легче воздуха,малорастворим в воде.Предельные углеводороды способны гореть,образуя оксид углерода (IV) и воду.Метан горит бледным синеватым пламенем: CH4+2O2=2H2O
В смеси с воздухом (или с кислородом,особенно в соотношении по объему 1:2, что видно из уравнения реакции) метан образует взрывчатые смеси.Поэтому он опасен как в быту (утечка газа через краны),так и в шахтах.При неполном сгорании метана образуется сажа.Так её получают в промышленных условиях.В присутствии катализаторов при окислении метана получают метиловый спирт и формальдегид
При сильном нагревании метан распадается по уравнению:CH4=C+2H2
В печах специальной конструкции распад метана может быть осуществлён до промежуточного продукта-ацителена:
2CH4=C2H 2+3H2
Для метана характерны реакции замещения.На свету или обычной температуре галогены-хлор и бром-постепенно (по стадиям) вытесняют из молекулы метана водород,образуя так называемые галогенопроизводные.Атомы хлора замещяют атомы водорода в ней с образованием смеси различных соединенний:
CH3Cl-хлорметана (хлористого метила),CH2Cl2-дихлорметана,CHCl3-трихлорметана,CCl4-тетрахлорметана
Из этой смеси каждое соединение может быть выделено.Важное значение имеют хлороформ итетрахлорметан как растворители смол,жиров,каучука и других органических веществ.
Образование галогенопроизводных метана протекают по цепному свободнорадикальному механизму.Под действием света молекулы хлора распадаются на неорганические радикалы:Cl2=2Cl
Неорганический радикал Cl отрывает от молекулы метана атом водорода с одним электроном,образуя HCl и свободный радикал CH3 H H
H:C_| H+Cl=H:C +HCl
H| H
Cвободный радикал взаимодействует с молекулой хлора Cl2 ,образуя галогенопроизводное и радикал хлора:
CH3+Cl_| Cl=CH3-Cl+Cl
Метан при обычной температуре обладает большей стойкостью к кислотам,щелочам и многим окислителям.Однако он вступает в реакцию с азотной кислотой:
CH4+HNO3=CH3NO2 +H2O
нитрометан
Метан не способен к реакциям присоединения,поскольку в его молекуле все валентности насыщены.
Приведенные реакции замещения сопровождаются разрывом связей C-H.Однако известны процессы,при которых происходит не только расщепление связей C-H,но и разрыв цепи углеродных атомов (у гомологов метана).Эти реакции протекают при высоких температурах и в присутствии катализаторов.Например:
C4H10+H2 -процесс дегидрогенизации
C4H10-|
C2H6 + C2H4-крекинг
Получение метана.
Метан широко распространён в природе.Он является главной составной частью многих горючих газов как природных (90-98%),так и искусственных,выделяющихся при сухой перегонке дерева,торфа,каменного угля,а также при крекинге нефти
Метан выделяется со дна болот и из каменноугольных пластов в рудниках,где он образуется при медленном разложении растительных остатков без доступа воздуха,Поэтому метан часто называют болотным газом или рудничным газом
В лабороторных условиях метан получают при нагревании смесси ацетата натрия с гидроксидом натрия:
200 *C
CH3|COONa +NaO|H=Na2CO3 + CH4|
или при взаимодействии карбида алюминия с водой:
Al4C3 +12H2O=4Al(OH)3 +3CH4|
В последнем случае метан получается весьма чистым.
Метан может быть получен из простых веществ при нагревании в присутствии катализатора: Ni
C+2H2=CH4
А также синтезом на основе водяного газа
Ni
CO+3H2 =CH4 +H2O
Гомологи метана,как и метан,в лабораторных условиях получают прокаливанием солей соответствующих органических кислот с щелочами.Другой способ-реакция Вюрца, т.е. нагревание моногалогенопроизводных с металлическим натрием,например
C2H5 |Br+2Na+Br|C2H5= C2H5-C2H5+2NaBr
В технике для получения синтетического бензина (смесь углеводородов,содержащих 6-10 атомов углерода) применяют синтез из оксида углерода (II) и водорода в присутствии катализатора (соединения кобальта) и при повышенном давлении.Процесс можно выразить уравнением:
200*С
nCO+(2n+1)H2=CnH2n+2+nH2O
Применение алканов
Благодаря большой теплотворной способности метан в больших количествах расходуется в качестве топлива (в быту-бытовой газ и в промешленности.Широко применяются получаемые из него вещества:водород,ацителен,сажа.Он служит исходным сырьём для получения формальдегида,метилового спирта,а также различных синтетических продуктов
Большое промышленное значение имеет окисление высших предельных углеводородов-парафинов с числом углеродных атомов 20-25.Этим путём получают синтетические жирные кислоты с различной длиной цепи,которые используются для производства мыл,различных моющих средств,смазочных материалов,лаков и эмалей.
Жидкие углеводороды используются как горючее (они входят в состав бензина и керосина).Алканы широко используются в органическом синтезе.
Химические свойства метана ничем не отличаются от свойств, присущих всем . В школьном курсе химии метан изучают одним из первых веществ органики, так как он является одним из простейших представителей алканов.
Формула метана и способы его получения
Метан в больших количествах содержится в атмосфере. Мы не обращаем внимания на нахождение этого газа в воздухе, ведь на нашем организме это никак не отражается, а вот канарейки очень чувствительны к метану.
Когда-то они даже помогали шахтерам спускаться под землю. Когда процентное содержание метана изменялась, птицы переставали петь. Это служило сигналом для человека, что он спустился слишком глубоко и нужно подниматься наверх.
Образуется метан в результате распада остатков живых организмов. Не случайно с английского methane переводится, как болотный газ, ведь он может быть обнаружен в заболоченных водоемах и каменноугольных шахтах.
Основным источником газа в агропромышленном комплексе является рогатый скот. Да, метан они выводят из организма вместе с остальными продуктами жизнедеятельности. Кстати, увеличение числа рогатого скота на планете может привести к разрушению озонового слоя, ведь метан с кислородом образуют взрывоопасную смесь.
Метан в промышленности можно получить с помощью нагревания углерода и водорода или синтеза водяного газа, все реакции протекают в присутствии катализатора, чаще всего никеля.
В США разработана целая система по добыче метана, она способна извлечь до 80% газа из природного угля. На сегодняшний день мировые запасы метана оцениваются экспертами в 260 триллионов метров кубических! Даже запасы природного газа значительно меньше.
В лаборатории метан получают путем взаимодействия карбида алюминия (неорганическое соединение алюминия с углеродом) и воды. Также с помощью , вступающего в реакцию с ацетатом натрия, более известного как пищевая добавка Е262.
Физические свойства метана
Характеристика:
- Бесцветный газ, без запаха.
- Взрывоопасен.
- Нерастворим в воде.
- Температура кипения: -162 o C, замерзания: -183°C.
- Молярная масса: 16,044 г/моль.
- Плотность: 0,656 кг/м³.
Химические свойства метана
Говоря о химических свойствах, выделяют те реакции, в которые вступает метан. Ниже они приведены вместе с формулами.
Горение метана
Как все органические вещества, метан горит. Можно заметить, что при горении образуется голубоватое пламя.
СН 4 + 2O 2 → СO 2 + 2Н 2 O
Называется такая реакция – реакцией горения или полного окисления.
Замещение
Метан также реагирует с галогенами. Это химические элементы 17 группы в периодической таблице Менделеева. К ним относятся: фтор, хлор, бром, йод и астат. Реакция с галогенами называется – реакцией замещения или галогенирования. Такая реакция проходит только в присутствии света.
Хлорирование и бромирование
Если в качестве галогена используется хлор, то реакция будет называться – реакцией хлорирования. Если в качестве галогена выступает бром, то – бромирование, и так далее.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + НСl
CH 4 + Br 2 → CH 3 Br + НBr
Хлорирование. Низшие алканы могут прохлорировать полностью.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + НСl
CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Сl 2 + НСl
CH 2 Сl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + НСl
CHCl 3 + Cl 2 → CСl 4 + НСl
Точно так же метан может полностью вступать в реакцию бромирования.
CH 4 + Br 2 → CH 3 Br + Н Br
CH 3 Br + Br 2 → CH 2 Br 2 + НBr
CH 2 Br 2 + Br 2 → CHBr 3 + НBr
CHBr 3 + Br 2 → CBr 4 + НBr
С йодом такой реакции уже нет, а с фтором наоборот сопровождается быстрым взрывом.
Разложение
Так же этому углеводороду свойственна реакция разложения. Полное разложение:
СН 4 → С + 2H₂
И неполное разложение:
2СН 4 → С 2 Н 2 + 3Н 2
Реакция с кислотами
Метан реагирует с концентрированной серной кислотой. Реакция носит название сульфирования и происходит при небольшом нагревании.
2СН 4 + Н 2 SО 4 → СН 3 SО 3 Н + Н 2 О
Окисление
Как уже было сказано, СH 4 может полностью окисляться, но при недостатке кислорода возможно неполное окисление.
2СН 4 + 3O 2 → 2CO + 4Н 2 O
СН 4 + О 2 → С + 2Н 2 O
Помимо прочего для этого газа характерно каталитическое окисление. Оно происходит в присутствии катализатора. При разном соотношении моль вещества получаются разные конечные продукты реакции. В основном это:
- спирты: 2СН 4 + O 2 → 2СO 3 OН
- альдегиды: СН 4 + O 2 → НСОН + Н 2 O
- : 2СН 4 + 3O 2 → 2НСОOН + 2Н 2 O
Реакция протекает при температуре 1500°C. Данная реакция также носит название – крекинг – термическое разложение.
Нитрование метана
Существует также реакция нитрования или реакция Коновалова, названная в честь ученого, который доказал, что с предельными углеводородами действует разбавленная азотная кислота. Продукты реакции получили название – нитросоединения.
CH 4 + НNО 3 → СН 3 NO 2 + H 2 O
Реакция проводится при температуре 140-150°C.
Дегидрирование метана
Кроме того, для метана характерна реакция дегидрирования (разложения) – отцепление атомов водорода и получения ацетилена, в данном случае.
2CН 4 → C 2 H 2 + 3Н 2
Применение метана
Метан, как и остальные предельные углеводороды, широко используется в повседневной жизни. Его применяют в производстве бензина, авиационного и дизельного топлива.
Используют в качестве базы для получения различного органического сырья на предприятиях. Также метан широко используется в медицине и косметологии.
Метан применяют для получения синтетического каучука, красок и шин.
Атлеты используют так называемый жидкий метан для быстрого набора массы за короткий промежуток времени.
А при хлорировании метана образуется вещество, которое в дальнейшем используется для обезжиривания поверхностей или как компонент в средствах для снятия лака. Некоторое время продукт взаимодействия метана и хлора использовали в качестве наркоза.
Метан - природный горючий газ, встречающийся в осадочном чехле земной коры в виде свободных скоплений, в растворённом (в нефти, пластовых и поверхностных водах), рассеянном, сорбированном (породами и органическим веществом) и твёрдом (газогидратном) состояниях.
Рис. 1
Рис. 2 - структурно-молекулярная формула метана.
Является простейшим углеводородом, представляет собой бесцветный газ без запаха, который горит бледным синеватым пламенем. Является наиболее устойчивым и инертным углеводородом за счет отсутствия углеродной связи (С-С). По своим свойствам малорастворим в воде и легче воздуха.
На 90-95% метан имеет природное происхождение, но также имеются антропогенные источники его выделения: рисовые поля, животноводство, свалки, добыча угля, потери в нефтегазовой отрасли, горение биомассы и т.п. В газовых месторождениях 99% чистого, сухого газа, а газы нефтяных скважин содержат помимо метана 10-40% высших гомологов - пропана, бутана, пентана и гексана (мокрый или жирный газ).
Является крайне взрывоопасным при концентрации в воздухе от 4,4% до 17%. Наиболее взрывоопасная концентрация 9,5%. Часто является наркотиком; действие ослабляется ничтожной растворимостью в воде и крови. Относится к четвертому классу опасности (малоопасные вещества).
Классификация метана по происхождению:
Биогенный - возникает в результате химической трансформации органического вещества. Например, бактериальный (микробный) метан образуется в результате деятельности бактерий, а термогенный возникает при термохимических процессах, в осадочных породах при их погружении на 3-10 км, в условиях высоких температур и давлений.
Абиогенный - возникающий в результате химических реакций неорганических соединений, чаще на больших глубинах в мантии земли.
В атмосферу метан попадает от естественных и антропогенных источников. Среди естественных источников это - болота, тундра, водоёмы, насекомые (термиты), метангидраты, геохимические процессы. К антропогенным относят - рисовые поля, шахты, потери при добыче нефти и газа, животноводство, горение биомассы, свалки.
Виды выделения метана:
Обыкновенное - непрерывное и равномерное выделение из невидимых трещин и пор угольного пласта и пород. Зафиксировать можно только приборами.
Суфлярное - местное интенсивное выделение газа из больших трещин в угольном пласте и породах, сопровождается шипением, свистом, давлением, действует недели, месяцы.
Внезапное выделение - бурное выделение большого количества метана, сопровождающееся смещением пород или угля на определенное расстояние от забоя. Газа метана может выделиться сотни и тысячи м 3 .
Источники метана и его получение.
На 90-95% метан имеет биологическое происхождение. Травоядные копытные животные, такие как коровы и козы, испускают пятую часть годового выброса метана: его вырабатывают бактерии в их желудках. Другими важными источниками служат термиты, рис-сырец, болота, фильтрация естественного газа (это продукт прошлой жизни) и фотосинтез растений. Вулканы вносят в общий баланс метана на Земле менее 0,2%, но источником и этого газа могут быть организмы прошлых эпох. Промышленные выбросы метана незначительны. Таким образом, обнаружение метана на планете типа Земли указывает на наличие там жизни.
Метан образуется при термической переработке нефти и нефтепродуктов (10-57% по объёму), коксовании и гидрировании каменного угля (24-34%). Лабораторные способы получения: сплавление ацетата натрия со щелочью, действие воды на метилмагнийиодид или на карбид алюминия.
В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и калия) или безводного гидроксида натрия с уксусной кислотой. Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.
Использование метана.
Метан - наиболее термически устойчивый насыщенный углеводород. Его широко используют как бытовое и промышленное топливо и как сырьё для промышленности. Так, хлорированием метана производят метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, четырёххлористый углерод.
При неполном сгорании метана получают сажу, при каталитическом окислении - формальдегид, при взаимодействии с серой - сероуглерод.
Термоокислительный крекинг и электрокрекинг метана- важные промышленные методы получения ацетилена.
Каталитическое окисление смеси метана с аммиаком лежит в основе промышленного производства синильной кислоты.
Метан используют как источник водорода в производстве аммиака, а также для получения водяного газа (т.н. синтез-газа):
CH4 + H2O > CO + 3H2,
применяемого для промышленного синтеза углеводородов, спиртов, альдегидов и др.
Важное производное метана - нитрометан.
В наше время метан широко используется в качестве моторного топлива для автомобилей. Однако плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20-25 МПа (200-250 атмосфер). Для хранения газа в таком состоянии используются специальные баллоны, которые устанавливаются на автомобилях.
Метан относят к парниковым газам, так как повышение его содержания в атмосфере способствует развитию парникового эффекта. Метан в несколько раз легче воздуха и обладает более сильным парниковым эффектом, чем углекислый газ, поэтому наряду с другими вредными веществами был занесен в список веществ регламентируемый Рамочной Конвенцией ООН об изменении климата и Киотским протоколом по сокращению выбросов парниковых газов.
