Метан

Метан
Общие свойства
Молекулярная формула	CH 4
SMILES	C
Молярная масса	16,04 г / моль
Внешний вид	бесцветный газ
Номер CAS	[74-82-8]
Свойства
Плотность и агрегатное состояние	0,717 кг / м , газ
Растворимость в воде	? г/100 мл (? C)
Температура плавления	-182,5 C при 1 атм
Температура кипения	-161,6 C (111,55 K)
Тройная точка	90,7 K, 0,11 бар
Строение
Форма молекулы	Тетраэдр
Дипольный момент	ноль
Опасность
Температура вспышки	-188 C
Температура самовозгорание	537 C
Границы взрывоопасности	5-15%
Родственные соединения
Семейные алканы	Этан Пропан
Другие соединения	Метанол Хлорметан

Молекула метана

Метан ( рус. метан , англ. methane , нем. Methan n ) - Самая органическое соединение углерода с водородом, природный бесцветный газ без запаха, химическая формула - CH _4.

Встречается в осадочном чехле земной коры в виде свободных скоплений (залежей), в растворенном (в нефти, пластовых и поверхностных водах), рассеянном сорбированной (породами и органич. Веществом) и твердом (газогидратных) состояниях.

При использовании в быту, до метана обычно добавляют одоранты со специфическим "запахом газа".

1. Физические свойства

Метан - бесцветный газ без запаха и вкуса, почти в два раза легче воздуха. В воде малорастворимых.

Имеет плотность по воздуху 0,555 (20 C); молекулярная масса 16,04, t _пл = -182,49 C, t _кип = -161,56 C, критическое давление 4,58 МПа, критическая температура -82, С, температура вспышки 87,8 C, температура самовоспламенения 537,8 C.

2. Строение молекулы

Молекулярная формула СН _4. Структурная и электронная формулы:

 Н | Н-С-Н | H 

3. Химические свойства

Первый член гомологического ряда насыщенных (метановых) углеводородов. Метан представляет собой малоактивные в химическом отношении вещество. При обычных условиях он довольно устойчив к действию кислот, щелочей и окислителей. Так, при пропускании метана через раствор KMnO _4, который является довольно сильным окислителем, он не окисляется и фиолетовая окраска раствора не исчезает. В реакции присоединения (сообщения) метан не вступает, поскольку в его молекуле все четыре валентности атома углерода полностью насыщены. Для метана, как и других предельных углеводородов, типичны реакции замещения, при которых атомы водорода замещаются атомами других элементов или атомными группами. Характерная для метана также реакция с хлором, которая происходит при обычной температуре под влиянием рассеянного света (при прямом солнечном свете может произойти взрыв). При этом атомы водорода в молекуле метана последовательно замещаются атомами хлора

• CH ₄ + Cl ₂ = CH ₃ Cl + HCl
• CH ₃ Cl + Cl ₂ = CH ₂ Cl ₂ + HCl
• CH ₂ Cl ₂ + Cl ₂ = CHCl ₃ + HCl
• CHCl ₃ + Cl ₂ = CCl ₄ + HCl

В результате реакции образуется смесь хлоропохидних метана.

В атмосфере воздуха метан горит бесцветным пламенем с выделением значительного количества тепла:

• CH ₄ + 2O ₂ = СО ₂ + 2Н ₂ О

С воздухом метан образует горючие взрывную смесь. При нагревании метана без доступа воздуха до температуры выше 1000 C он разлагается на элементы - на углерод (сажу) и водород:

• CH ₄ = С + 2Н ₂

4. Распространение в природе

Метан является основным компонентом:

• газов природных горючих (до 99,5%),
• нефтяных попутных (39-91%),
• болотных (99%) и рудничных (34-48%) газов;
• присутствует в газах грязевых вулканов (более 95%),
• спорадически встречается в вулканических газах и в газах магматических и метаморфических пород.

Большое количество метана растворено в водах океанов, морей, озер. Среднее содержание метана в водах Мирового океана около 10 ^-2 см ³ / л, общее количество - 14.10 ¹² м ^3. Количество метана, растворенного в пластовых водах, на несколько порядков выше его промышленных запасов.

Метан присутствует также в атмосферах Земли, Юпитера, Сатурна, Урана; в газах поверхностного грунта Луны. Основная масса метана лето-и гидросферы Земли образовалась при биохимической и термокаталитический деструкции рассеянного органического вещества, уголь и нефть. Метан образуется при анаэробном разложении органических веществ, в частности целлюлозы (метановое брожение).

В природе Земли метан довольно распространен. Горючие природные газы состоят на 90-97% из метана. Он образует много месторождений, из которых добывается и по газопроводам подается к месту использования. На дне болот и прудов метан образуется в результате разложения остатков растений без доступа воздуха. Поэтому его называют еще болотным газом. Под названием "рудничный газ" метан накапливается в угольных шахтах, в результате выделения из пластов угля и сопутствующих пород, в которых находится в свободном и связанном виде. На действующих шахтах наблюдается выделение метана из угольных пластов в объеме до 70-80 м / т с. б. м. (т с. б. м. - тонна сухого беззольной массы), что делает экономически целесообразным его самостоятельно или сопутствующее ( дегазация) извлечения из угольных месторождений.

Рудничный газ очень опасен, поскольку с воздухом может образовывать взрывчатую смесь. Наиболее взрывоопасные концентрации метана в воздухе - 9-14%.

Основной компонент природных (77-99%), попутных нефтяных (31-90%), рудничного и болотного газов. Есть парниковым газом.

При низких температурах метан образует соединения включения - газовые гидраты, широко распространенные в природе.

Газовые гидраты - твердые кристаллические вещества плотностью 880-890 кг / м ^3, похожие на снег или лед. Гидратообразования происходит в пористой среде осадочного чехла с формированием газогидратных залежей.

5. Получение

В лабораториях метан можно получить при нагревании ацетата натрия с твердым гидроксидом натрия или при воздействии воды на карбид алюминия:

• CH ₃ COONa + NaOH = Na ₂ CO ₃ + CH ₄ ↑
• Al ₄ C ₃ + 12H ₂ O = 4Al (OH) ₃ + 3CH ₄ ↑

6. Применение

Топливо

Физические основы

Солнце Солнечная радиация Фотосинтез Растения Биомасса Гумификация Окаменения Горение

Ископаемое топливо

Уголь Горючие сланцы Кристаллогидраты Нефть Природный газ Торф

Естественное неископаемого топливо

Водоросли Древесина Растительные и животные жиры и масла Трава

Искусственное топливо

Биотопливо ВВВС Генераторные газы Кокс Моторные топлива

Концепции

Энергетическая биосырье

п о р

Большие количества метана используются как удобное и дешевое топливо. Неполное сжигание метана дает сажу, которая идет на изготовление печатной краски и как наполнитель каучука, а при термическом разложении (выше 1000 C) получают сажу и водород, который используется для синтеза аммиака. Продукт полного хлорирования метана - тетрахлорид углерода CCl ₄ - является хорошим растворителем жиров и применяется для извлечения жиров из зерен масличных растений. Метан служит также исходным веществом для получения ацетилена, метилового спирта и многих других химических продуктов.

7. Метан как фактор угледобычи

С воздухом М. образует взрывчатые смеси. При содержании в воздухе до 5-6% М. горит около источника тепла (т-ра воспаление 650-750 С), при содержании 5-15,2 (16)% - взрывается, свыше 16% - может гореть при притоке кислорода , снижение при этом концентрации М. взрывоопасное. М. имеет слабое наркотическое действие. ПДК 300 мг / м ^3. Выделение М. в выработки шахт создает особую опасность при добыче угля. Различают три формы выделения М. в горные выработки: обычное, суфлярным и внезапное. По метанообильность, согласно "Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах", шахты подразделяют на пять категорий. Критерием такого деления является относительная метанообильность, т.е. количество метана в кубометрах, выделяемой за сутки на 1 т среднесуточной добычи: с выделением метана до 5 м ³ / т, 5 - 10 м ³ / т, 10 - 15 м ³ / т; сверхкатегорийные - более 15 м ³ / т; опасные по суфлярным выделениями. Шахты, разрабатывающих пласты, опасные или угрожающие по внезапным выбросам угля, газа и породы, относятся к особой категории - опасных по внезапным выбросам. Перспективным считается добыча метана из угольных пластов (см. метаноноснисть угольного пласта, метан угольных месторождений). В конце ХХ в. этой проблемой только в США занимались ученые ок. 40 университетов, задействовано ок. 100 фирм. Первые промышленные попытки использовать попутный метан (при угледобыче) производятся и в Украине, в Донбассе. В промышленности М. применяют для получения синтезгаз, ацетилена, хлороформа, четыреххлористого углерода, технического углерода и др.. Продукты неполного окисления метана являются исходными для изготовления пластмасс, используемых в органическом синтезе.

См.. также

• Болотный газ,
• Газы природные горючие,
• Природный газ,
• Газовая промышленность,
• Газовый режим,
• Градиент метанообильности угольных шахт,
• Метан угольных месторождений
• Метановая зона
• Метанообильность выработок,
• Метаноемнисть угля,
• Сигнализатор метана
• Термокондуктометричний датчик метана

Источники

• Деркач Ф. А. "Химия" Л. 1968
• Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. С. Белецкого. - М.: "Донбасс", 2004. - ISBN 966-7804-14-3.