Состояние метана. Молекулярная и структурная формула метана

Метан - первый представитель ряда алканов с формулой СН 4 . Это бесцветный природный газ без запаха. Благодаря физическим и химическим свойствам метан используется в качестве топлива.

Строение

Молекула метана представляет собой тетраэдр, в середине которого находится углерод, соединённый простыми (одинарными) σ-связями с атомами водорода. Строение и свойства молекулы метана важны для понимания всей органической химии, так как большинство органических соединений содержит метильные группы -СН 2 .

Рис. 1. Строение молекулы метана.

Метан образует гомологический ряд алканов. Каждый последующий гомолог отличается от предыдущего на одну группу -СН 2 .

Из-за тетраэдрической конфигурации длинные молекулы алканов имеют вид изогнутых цепочек.

Получение

Метан - распространённый газ во Вселенной. Он находится в природном и попутном газе, образуется на дне морей, выделяется как конечный продукт жизнедеятельности кишечных бактерий. Метан входит в состав атмосферы планет-гигантов. На поверхности Титана - спутника Сатурна - находятся этан-метановые озёра и реки.

Рис. 2. Спутник Титан.

В промышленности метан выделяют из природного газа и получают при коксовании (прокаливании) каменного угля.

В лаборатории метан образуется при нагревании сухого гидроксида натрия с уксусной кислотой, а также при плавлении ацетата с гидроксидом натрия:

• 2NaOH + CH 3 COOH → Na 2 CO 3 + H 2 O + CH 4 ;
• CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 .

Впервые метан обнаружил на болотах физик Алессандро Вольта в 1776 году. Два года спустя он выделил из болотного газа чистый метан.

Свойства

Основные физические свойства:

• легче воздуха;
• без запаха и вкуса;
• плохо растворяется в воде;
• молекулярная масса - 16;
• температура плавления - -182,49°С;
• температура кипения - -161,56°С;
• температура вспышки - 87,8°С;
• температура самовоспламенения - 537,8°С.

Метан определяет физико-химические свойства гомологического ряда алканов. При обычных условиях метан и его гомологи малоактивны и вступают в реакции под действием высокой температуры и катализатора. Дополнительные условия необходимы для расщепления связи С-Н.

Основные реакции метана:

• нитрование:

  CH 4 + HONO 2 → CH 3 -NO 2 + H 2 O;

• галогенирование:

  CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;

• сульфохлорирование:

  CH 4 + SO 2 + Cl 2 → CH 3 -SO 2 Cl + HCl;

• каталитическое окисление под действием солей меди и марганца:

  2CH 4 + O 2 → 2CH 3 OH;

• полное окисление (горение):

  CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q;

• окисление водяным паром:

  CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ;

• крекинг (метод переработки нефти):

  2CH 4 → HC≡CH + 3H 2 .

Рис. 3. Горение метана.

Концентрация метана в воздухе более 4 % взрывоопасна. Поэтому метану специально придают запах, смешивая газ с тиолами, содержащими серу. Это помогает контролировать утечку бытового газа.

Что мы узнали?

Метан - простейший представитель класса алканов, образующий гомологический ряд. Это бесцветный горючий газ, выделяемый из природного газа и получаемый при коксовании угля. Метан используется в качестве топлива. При высокой температуре самовоспламеняется. Газ подвержен нитрованию, галогенированию, сульфохлорированию, окислению под действием катализатора, водяного пара, горения, а также крекингу, используемого в переработке нефти.

Метан горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1м 3 . С воздухом образует взрывоопасные смеси . Особую опасность представляет метан, выделяющийся при подземной разработке месторождений полезных ископаемых в горные выработки, а также на угольных обогатительных и брикетных фабриках, на сортировочных установках. Так, при содержании в воздухе до 5–6% метан горит около источника тепла (температура воспламенения 650-750 °С), от 5–6% до 14–16% взрывается, свыше 16% может гореть при притоке кислорода извне. Снижение при этом концентрации метана может привести к взрыву. Кроме того, значительное увеличение концентрации метана в воздухе бывает причиной удушья (например, концентрации метана 43% соответствует 12% O 2).

Взрывное горение распространяется со скоростью 500-700 м/сек; давление газа при взрыве в замкнутом объёме равно 1 Мн/м 2 . После контакта с источником тепла воспламенение метана происходит с некоторым запаздыванием. На этом свойстве основано создание предохранительных взрывчатых веществ и взрывобезопасного электрооборудования. На объектах, опасных из-за присутствия метана (главным образом, угольные шахты), вводится т.н. газовый режим.

При 150-200 °С и давлении 30-90 атм метан окисляется до муравьиной кислоты.

Метан образует соединения включения - газовые гидраты, широко распространенные в природе.

Применение метана

Метан - наиболее термически устойчивый насыщенный углеводород. Его широко используют как бытовое и промышленное топливои 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): CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 , применяемого для промышленного синтеза углеводородов, спиртов, альдегидов и др. Важное производное метана - нитрометан.

Метан и парниковый эффект

Метан является парниковым газом . Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы. Содержание в атмосфере метана росло очень быстро на протяжении последних двух столетий.

Сейчас среднее содержание метана CH 4 в современной атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million , частей на миллион). И, хотя это в 200 раз меньше, чем содержание в ней углекислого газа (CO 2), в расчете на одну молекулу газа парниковый эффект от метана - то есть его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей - существенно выше, чем от СО 2 . Кроме того, метан поглощает излучение Земли в тех «окошках» спектра, которые оказываются прозрачными для других парниковых газов. Без парниковых газов - СO 2 , паров воды, метана и некоторых других примесей средняя температура на поверхности Земли была бы всего –23°C , а сейчас она около +15°C.

Метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов. Недавно обнаружен новый, совершенно неожиданный источник метана - высшие растения, но механизмы образования и значение данного процесса для самих растений пока не выяснены.

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.

Предприятия были вынуждены сжигать жидкий метан с помощью факелов, так как не имели возможности передавать конденсат для последующей нефтехимической переработки. Сейчас его научились транспортировать и использовать во многих областях промышленности. При этом он хорошо хранится и не образует при сгорании вредных примесей.

Физические и химические свойства метана

Метан относится к простейшим углеводородам. Он легче воздуха, не токсичен, плохо растворяется в воде, не имеет ощутимого запаха. Считается, что метан не опасен для человека, но известны случаи его воздействия на центральную и вегетативную нервную систему. Накапливаясь в закрытом помещении, при концентрации в воздухе от 4 % до 17 % становится взрывоопасным. Поэтому для обнаружения его человеком (без приборов) в метан часто добавляют специальные вещества, напоминающие запах газа. Относится к В метане проявляются слабые наркотические свойства, которые ослаблены малой растворимостью в воде.

По происхождению в результате соединений с различными веществами и химических реакций подразделяется на:

• биогенный (органический);
• абиогенный (неорганический) ;
• бактериальный (жизнедеятельность микроорганизмов);
• термогенный (термохимические процессы).

Получают этот газ также и в лаборатории при нагревании натронной извести или безводного гидроксида натрия с замороженной уксусной кислотой.

Метан в жидком состоянии занимает объём в 600 раз меньше, чем в газообразном. Поэтому для удобства транспортировки и хранения его подвергают сжижению. Жидкий метан - это бесцветная жидкость, не имеющая запаха. Она сохраняет практически все свойства газа. жидкого метана составляет 4,58 МПа (минимальное, при котором он превращается в жидкость).

Существование в природе

Метан входит в состав и является основным составляющим веществом следующих газов:

• природных (до 98 %);
• нефтяных (40-90 %);
• болотных (99 %);
• рудничных (35-50 %);
• грязевых вулканов (более 94 %).

Он также содержится в составе воды океанов, озёр, морей. Присутствует в атмосфере таких планет, как Земля, Сатурн, Юпитер, Уран, и в поверхностных газах Луны. Большое количество содержится в угольных пластах. Это делает добычу в закрытых проходках взрывоопасным видом деятельности.

Технология сжижения природного газа

Чистый метан получают из удаляя из него другие компоненты: этан, пропан, бутан и азот. Чтобы получить жидкий метан, газ сжимают с последующим охлаждением. Процесс сжижения производится циклами. На каждом этапе объём уменьшатся до 12 раз. В жидкость он превращается в последнем цикле. Для сжижения используются разные виды установок, среди них:

• дроссельные;
• турбинно-вихревые;
• турбодетандерные.

При этом могут использоваться следующие схемы:

• каскадная;
• расширительная.

В каскадной схеме используются три агента для охлаждения. При этом температура жидкого метана снижается поэтапно. Такая технология требует больших капитальных затрат. В настоящее время данный процесс усовершенствовали и стали применять сразу смесь хладоагентов (этан и пропан). Такая схема стала самоохлаждающей, так как эти вещества получают из сжижаемого природного газа. Затраты немного уменьшились, но всё же остаются высокими.

При применении расширительной схемы используются более экономичные центробежные машины. Смесь предварительно очищают от воды и других загрязнений и сжижают под давлением за счёт теплообмена с холодным расширенным газовым потоком. Однако этот процесс требует большего затрата энергии, чем при каскадной схеме (на 25-35 %). Но в то же время экономятся капитальные затраты на компрессоры и эксплуатацию оборудования.

Температура жидкого метана, полученного в результате вышеописанного процесса, составляет в среднем 162 градуса.

Применение метана

Область применения метана, как в газообразном так и в жидком состоянии, очень обширна. Его используют как топливо, в виде сырья для промышленности, в быту, в качестве анаболических стероидов для наращивания мышечной массы тела.

При неполном сгорании из метана получают сажу, которая широко используется в промышленности: при производстве резины, штемпельной краски, крема для обуви и др. Используют также для производства синильной и уксусной кислоты, метанола, ацетилена, аммиака, сероуглерода, в качестве (вечный огонь).

Жидкий метан используется в качестве моторного топлива для автомобилей. У него октановое число на 15 % выше, чем у бензина, а также высокая теплотворная способность и антидетонационные свойства. По отзывам жидкий метан сгорает практически полностью и при правильной установке соответствующего оборудования на автомобиль происходит довольно-таки весомая экономия по сравнению с бензином (при поездках на большие расстояния).

Данный газ активно применяется для производства препаратов, увеличивающих мышечную массу тела. На его основе выпускаются такие средства, как "Дианогед", "Данабол", "Неробол", которые пользуются наибольшим спросом. Считается, что эти препараты положительно влияют на организм человека:

• укрепляют кости;
• стимулируют формирование половых признаков;
• сжигают жировые прослойки;
• увеличивают выносливость;
• ускоряют синтез протеина.

Однако важно помнить, что у всех препаратов есть побочные действия, поэтому принимать их надо под контролем врача.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что производство жидкого метана является очень перспективным направлением современной промышленности.

Горение - быстропротекающая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания.

Реакция горения чистого метана:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Выделение тепла

Так как больший объем составляет метан, то принято общую формулу природного газа выражать формулой непосредственно метана. Так, получается, что химическая формула природного газа метана -СН4.

Остальные компоненты имеют следующие эмпирические формулы в химии:

этан - С2Н6;

пропан - С3Н8;

бутан - С4Н10;

углекислый газ - СО2;

водород - Н2;

сероводород - H2S.

Смесь таких веществ и является природным газом.

Чаще всего очистка природного газа происходит непосредственно при добыче исходного сырья. В зависимости от состава и концентрации примесей выбирают тот или иной способ очистки. В мировой практике чаще всего применяют хемосорбционные способы очистки , где основными действующими веществами являются растворы алкаколамина с водой или бенфилд (карбонат калия и вода с добавками). Следующими по популярности являютсякомбинированные методики , сочетающие в себе химические и физические процессы, с присутствием в качестве действующего агента сульфинола. При необходимости тонкой очистки сырья , применяют твердые адсорбенты и окисление серы до твердого осадка.

Получение в лаборатории и промышленности

Помимо природных мест образования газа, существует ряд способов получить его в лабораторных условиях. Однако эти способы, безусловно, используются только для небольших порций продукта, так как экономически осуществлять синтез природного газа в лаборатории не выгодно.

Лабораторные способы:

Гидролизом низкомолекулярного соединения - карбида алюминия: AL4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4AL(OH)3.

Из ацетата натрия в присутствии щелочи: CH3COOH + NaOH = CH4 + Na2CO3.

Из синтез-газа: CO+ 3H2 = CH4 + H2O.

Из простых веществ - водорода и углерода - при повышенной температуре и давлении.

Химическая формула природного газа отражается формулой метана, поэтому все реакции, характерные для алканов, характерны и для данного газа.

Бытовой газ= Природный газ + Добавки для запаха

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена) (т. н. одорантов). Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан (С2H5SH) (16г на 1000 куб. м. природного газа).

C3H8 - Пропан

Типы классификаций реакции.