Стан метану. Молекулярна та структурна формула метану

Метан - перший представник низки алканів із формулою СН 4 . Це безбарвний газ без запаху. Завдяки фізичним та хімічним властивостям метан використовується як паливо.

Будова

Молекула метану є тетраедр, в середині якого знаходиться вуглець, з'єднаний простими (одинарними) σ-зв'язками з атомами водню. Будова та властивості молекули метану важливі для розуміння всієї органічної хімії, так як більшість органічних сполукмістить метильні групи -СН 2 .

Рис. 1. Будова молекули метану.

Метан утворює гомологічний рядалканів. Кожен наступний гомолог відрізняється від попереднього одну групу -СН 2 .

Через тетраедричній конфігурації довгі молекули алканів мають вигляд вигнутих ланцюжків.

Отримання

Метан – поширений газ у Всесвіті. Він знаходиться в природному та попутному газі, утворюється на дні морів, виділяється як кінцевий продуктжиттєдіяльності кишкових бактерій. Метан входить до складу атмосфери планет-гігантів. На поверхні Титану – супутника Сатурна – знаходяться етан-метанові озера та річки.

Рис. 2. Супутник Титан.

У промисловості метан виділяють з природного газуі одержують при коксуванні (прожарюванні) кам'яного вугілля.

У лабораторії метан утворюється при нагріванні сухого гідроксиду натрію з оцтовою кислотою, а також при плавленні ацетату з гідроксидом натрію:

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

Вперше метан виявив на болотах фізик Алессандро Вольта у 1776 році. Через два роки він виділив з болотного газу чистий метан.

Властивості

Основні фізичні властивості:

• легше за повітря;
• без запаху та смаку;
• погано розчиняється у воді;
• молекулярна маса – 16;
• температура плавлення - -182,49 ° С;
• температура кипіння - -161,56 ° С;
• температура спалаху - 87,8 ° С;
• температура самозаймання – 537,8°С.

Метан визначає фізико- Хімічні властивостігомологічного ряду алканів. При звичайних умовахметан та його гомологи малоактивні і вступають у реакції під дією високої температури та каталізатора. Додаткові умовинеобхідні розщеплення зв'язку С-Н.

Основні реакції метану:

• нітрування:

  CH 4 + HONO 2 → CH 3 -NO 2 + H 2 O;

• галогенування:

  CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;

• сульфохлорування:

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

• каталітичне окислення під дією солей міді та марганцю:

  2CH 4 + O 2 → 2CH 3 OH;

• повне окислення (горіння):

  CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q;

• окислення водяною парою:

  CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2;

• крекінгу (метод переробки нафти):

  2CH 4 → HC≡CH + 3H 2 .

Рис. 3. Горіння метану.

Концентрація метану повітря більше 4 % вибухонебезпечна. Тому метану спеціально надають запах, змішуючи газ із тіолами, що містять сірку. Це допомагає контролювати витік побутового газу.

Що ми дізналися?

Метан – найпростіший представник класу алканів, що утворює гомологічний ряд. Це безбарвний горючий газ, що виділяється з природного газу та одержується при коксуванні вугілля. Метан використовується як паливо. При високій температурі самозаймається. Газ схильний до нітрування, галогенування, сульфохлорування, окислення під дією каталізатора, водяної пари, горіння, а також крекінгу, що використовується в переробці нафти.

Метан горить у повітріблакитним полум'ям, у своїй виділяється енергія близько 39 МДж на 1м 3 . З повітрям утворює вибухонебезпечні суміші. Особливу небезпеку становить метан, що виділяється під час підземної розробки родовищ корисних копалин у гірничі виробки, і навіть на вугільних збагачувальних і брикетних фабриках, на сортувальних установках. Так, при вмісті в повітрі до 5-6% метан горить біля джерела тепла (температура займання 650-750 ° С), від 5-6% до 14-16% вибухає, понад 16% може горіти при притоку кисню ззовні. Зниження концентрації метану може призвести до вибуху. Крім того, значне збільшення концентрації метану в повітрі буває причиною ядухи (наприклад, концентрації метану 43% відповідає 12% O 2 ).

Вибухова горіння поширюється зі швидкістю 500-700 м/с;тиск газу при вибуху в замкнутому обсязі дорівнює 1 Мн/м 2 . Після контакту з джерелом тепла спалах метану відбувається з деяким запізненням. На цій властивості засновано створення запобіжних вибухових речовин та вибухобезпечного електроустаткування. На об'єктах, небезпечних через присутність метану (переважно вугільні шахти), вводиться т.зв. газовий режим.

При 150-200 ° С та тиску 30-90 атм метан окислюється до мурашиної кислоти.

Метан утворює сполуки включення - газові гідрати, поширені у природі.

Застосування метану

Метан – найбільш термічно стійкий насичений вуглеводень. Його широко використовують як побутове та промислове паливо як сировину для промисловості. . Так, хлоруванням метану виробляють метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, чотирихлористий вуглець.

При неповному згорянні метану одержують сажу. , при каталітичному окисненні- Формальдегід , при взаємодії із сіркою - сірковуглець .

Термоокислювальний крекінг та електрокрекінг метану - важливі промислові методи отримання ацетилену .

Каталітичне окиснення суміші метану з аміаком лежить в основі промислового виробництва синильної кислоти . Метан використовують як джерело водню у виробництві аміаку, а також для отримання водяного газу (т.з. похідне метану - нітрометан .

Метан та парниковий ефект

Метан є парниковим газом. Якщо рівень впливу вуглекислого газу на клімат умовно прийняти за одиницю, то парникова активність метану складе 23 одиниці. Зміст метано в атмосфері зростав дуже швидко протягом останніх двох століть.

Зараз середній вміст метану CH 4 у сучасній атмосфері оцінюється як 1,8 ppm ( parts per million, Частини на мільйон). І, хоча це в 200 разів менше, ніж вміст у ній вуглекислого газу (CO 2 ), у розрахунку на одну молекулу газу парниковий ефект від метану - тобто його внесок у розсіювання та утримання тепла, що випромінюється нагрітою сонцем Землею - суттєво вищий, ніж від СО 2 . Крім того, метан поглинає випромінювання Землі в тих «віконцях» спектру, які виявляються прозорими для інших. парникових газів. Без парникових газів - С 2 , парів води, метану та деяких інших домішок Середня температурана поверхні Землі була б всього -23 ° C, а зараз вона близько +15 ° C.

Метан височується на дні океану через тріщини. земної кори, виділяється в чималій кількості при гірничих розробкахта при спалюванні лісів. Нещодавно виявлено нове, зовсім несподіване джерело метану. вищі рослини, але механізми освіти та значення даного процесу для самих рослин поки що не з'ясовані.

Метан - природний горючий газ, що зустрічається в осадовому чохлі земної кори у вигляді вільних скупчень, в розчиненому (в нафті, пластових і поверхневих водах), розсіяному, сорбованому (породами та органічною речовиною) та твердому (газогідратному) станах.

Рис. 1

Рис. 2 - Структурно-молекулярна формула метану.

Є найпростішим вуглеводнем, є безбарвним газом без запаху, який горить блідим синюватим полум'ям. Є найбільш стійким та інертним вуглеводнем за рахунок відсутності вуглецевого зв'язку (С-С). За своїми властивостями малорозчинний у воді та легший за повітря.

На 90-95% метан має природне походження, але є антропогенні джерела його виділення: рисові поля, тваринництво, звалища, видобуток вугілля, втрати у нафтогазовій галузі, горіння біомаси тощо. У газових родовищах 99% чистого, сухого газу, а гази нафтових свердловин містять, крім метану, 10-40% вищих гомологів - пропану, бутану, пентану та гексану (мокрий або жирний газ).

Є вкрай вибухонебезпечним при концентрації повітря від 4,4% до 17%. Найбільш вибухонебезпечна концентрація 9,5%. Найчастіше є наркотиком; дія послаблюється нікчемною розчинністю у воді та крові. Належить до четвертого класу небезпеки (малонебезпечні речовини).

Класифікація метану за походженням:

Біогенний - виникає внаслідок хімічної трансформації органічної речовини. Наприклад, бактеріальний (мікробний) метан утворюється в результаті діяльності бактерій, а термогенний виникає при термохімічних процесах, осадових породахпри їх зануренні на 3-10 км, в умовах високих температурта тисків.

Абіогенний - що виникає в результаті хімічних реакцій неорганічних сполук, частіше на великих глибину мантії землі.

В атмосферу метан потрапляє від природних і антропогенних джерел. Серед природних джерелце – болота, тундра, водоймища, комахи (терміти), метангідрати, геохімічні процеси. До антропогенних відносять – рисові поля, шахти, втрати при видобутку нафти та газу, тваринництво, горіння біомаси, звалища.

Види виділення метану:

Звичайне - безперервне і рівномірне виділення з невидимих ​​тріщин і пір вугільного пласта та порід. Зафіксувати можна лише приладами.

Суфлярне - місцеве інтенсивне виділення газу з великих тріщин у вугільному пласті та породах, що супроводжується шипінням, свистом, тиском, діє тижні, місяці.

Раптове виділення - бурхливе виділення великої кількості метану, що супроводжується усуненням порід або вугілля на певну відстань від вибою. Газу метану може виділитися сотні та тисячі м 3 .

Джерела метану та його одержання.

На 90-95% метан має біологічне походження. Травоїдні копитні тварини, такі як корови та кози, випускають п'яту частину річного викиду метану: його виробляють бактерії у їхніх шлунках. Іншими важливими джереламислужать терміти, рис-сирець, болота, фільтрація природного газу(це продукт минулого життя) та фотосинтез рослин. Вулкани вносять у загальний баланс метану Землі менше 0,2%, але джерелом цього газу може бути організми минулих епох. Промислові викидиметану незначні. Таким чином, виявлення метану на планеті типу Землі вказує на наявність там життя.

Метан утворюється при термічній переробці нафти та нафтопродуктів (10-57% за обсягом), коксуванні та гідруванні кам'яного вугілля (24-34%). Лабораторні способи одержання: сплавлення ацетату натрію з лугом, дія води на метилмагнійіодид або на карбід алюмінію.

У лабораторії отримують нагріванням натронного вапна (суміш гідроксидів натрію та калію) або безводного гідроксиду натрію з оцтовою кислотою. Для цієї реакції важлива відсутність води, тому використовується гідроксид натрію, так як він менш гігроскопічний.

Використання метану.

Метан – найбільш термічно стійкий насичений вуглеводень. Його широко використовують як побутове та промислове паливо та як сировину для промисловості. Так, хлоруванням метану виробляють метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, чотирихлористий вуглець.

При неповному згорянні метану одержують сажу, при каталітичному окисненні - формальдегід, при взаємодії із сіркою - сірковуглець.

Термоокисний крекінг та електрокрекінг метану - важливі промислові методи отримання ацетилену.

Каталітичне окислення суміші метану з аміаком є ​​основою промислового виробництва синильної кислоти.

Метан використовують як джерело водню у виробництві аміаку, а також для одержання водяного газу (т.зв. синтез-газу):

CH4 + H2O > CO + 3H2,

застосовуваного для промислового синтезу вуглеводнів, спиртів, альдегідів та ін.

Важливе похідне метану – нітрометан.

У наш час метан широко використовується як моторного паливадля автомобілів. Однак щільність природного метану в тисячу разів нижча за щільність бензину. Тому, якщо заправляти автомобіль метаном при атмосферному тиску, то для рівної з бензином кількості палива знадобиться бак у 1000 разів більше. Щоб не возити величезний причіп із паливом, необхідно збільшити щільність газу. Це можна досягти стиском метану до 20-25 МПа (200-250 атмосфер). Для зберігання газу у такому стані використовуються спеціальні балони, що встановлюються на автомобілях.

Метан відносять до парникових газів, оскільки підвищення його вмісту в атмосфері сприяє розвитку парникового ефекту. Метан в кілька разів легший за повітря і має сильніший парниковим ефектомчим вуглекислий газтому поряд з іншими шкідливими речовинамибув занесений до списку речовин, що регламентується Рамковою Конвенцією ООН про зміну клімату та Кіотським протоколом щодо скорочення викидів парникових газів.

Підприємства були змушені спалювати рідкий метан за допомогою смолоскипів, оскільки не мали змоги передавати конденсат для подальшої нафтохімічної переробки. Нині його навчилися транспортувати та використовувати у багатьох галузях промисловості. При цьому він добре зберігається і не утворює при згорянні шкідливих домішок.

Фізичні та хімічні властивості метану

Метан відноситься до найпростіших вуглеводнів. Він легший за повітря, не токсичний, погано розчиняється у воді, не має відчутного запаху. Вважається, що метан не є небезпечним для людини, але відомі випадки його впливу на центральну та вегетативну. нервову систему. Накопичуючись у закритому приміщенні, при концентрації повітря від 4 % до 17 % стає вибухонебезпечним. Тому для виявлення його людиною (без приладів) до метану часто додають спеціальні речовини, що нагадують запах газу. Належить до метану проявляються слабкі наркотичні властивості, які ослаблені малою розчинністю у воді.

За походженням в результаті з'єднань з різними речовинамита хімічних реакцій поділяється на:

• біогенний (органічний);
• абіогенний (неорганічний);
• бактеріальний (життєдіяльність мікроорганізмів);
• термогенні (термохімічні процеси).

Отримують цей газ також у лабораторії при нагріванні натронного вапна або безводного гідроксиду натрію з замороженою оцтовою кислотою.

Метан у рідкому станізаймає обсяг у 600 разів менше, ніж у газоподібному. Тому для зручності транспортування та зберігання його піддають скрапленню. Рідкий метан – це безбарвна рідинане має запаху. Вона зберігає практично всі властивості газу. рідкого метану становить 4,58 МПа (мінімальне, при якому він перетворюється на рідину).

Існування у природі

Метан входить до складу і є основною складовою речовиною наступних газів:

• природних (до 98%);
• нафтових (40-90%);
• болотяних (99%);
• рудничних (35-50%);
• грязьових вулканів (понад 94%).

Він також міститься у складі води океанів, озер, морів. Є в атмосфері таких планет, як Земля, Сатурн, Юпітер, Уран, і в поверхневих газах Місяця. Велика кількістьміститься у вугільних пластах. Це робить видобуток у закритих проходках вибухонебезпечним видом діяльності.

Технологія зрідження природного газу

Чистий метан одержують із видаляючи з нього інші компоненти: етан, пропан, бутан і азот. Щоб отримати рідкий метан, стискають газ з наступним охолодженням. Процес зрідження провадиться циклами. На кожному етапі обсяг зменшиться до 12 разів. У рідину він перетворюється на останньому циклі. Для зрідження використовуються різні видиустановок, серед них:

• дросельні;
• турбінно-вихрові;
• турбодетандерні.

При цьому можуть використовуватись такі схеми:

• каскадна;
• розширювальна.

У каскадній схемі використовуються три агенти для охолодження. У цьому температура рідкого метану знижується поетапно. Така технологія потребує великих капітальних витрат. В даний час даний процесвдосконалили і почали застосовувати відразу суміш хладоагентів (етан та пропан). Така схема стала самоохолоджувальною, тому що ці речовини отримують зі природного газу, що зріджується. Витрати трохи зменшилися, але все ж таки залишаються високими.

При застосуванні розширювальної схеми використовуються економічніші відцентрові машини. Суміш попередньо очищають від води та інших забруднень і зріджують під тиском рахунок теплообміну з холодним розширеним газовим потоком. Однак цей процес вимагає більшої витрати енергії, ніж за каскадної схеми (на 25-35 %). Але водночас економляться капітальні витрати на компресори та експлуатацію обладнання.

Температура рідкого метану, отриманого в результаті вищеописаного процесу, становить у середньому 162 градуси.

Застосування метану

Область застосування метану, як у газоподібному, так і в рідкому стані, дуже велика. Його використовують як паливо, у вигляді сировини для промисловості, у побуті, як анаболічні стероїди для нарощування м'язової маси тіла.

При неповному згорянні з метану отримують сажу, яка широко використовується в промисловості: при виробництві гуми, штемпельної фарби, крему для взуття та ін. оцтової кислоти, метанолу, ацетилену, аміаку, сірковуглецю, як (вічний вогонь).

Рідкий метан використовується як моторне паливо для автомобілів. У нього октанове число на 15% вище, ніж у бензину, а також висока теплотворна здатність та антидетонаційні властивості. За відгуками рідкий метан згоряє практично повністю і при правильній установці відповідного обладнання на автомобіль відбувається досить вагома економія в порівнянні з бензином (при поїздках на великі відстані).

Даний газ активно застосовується для препаратів, що збільшують м'язову масу тіла. На його основі випускаються такі кошти, як "Діаногед", "Данабол", "Неробол", які мають найбільший попит. Вважається, що ці препарати позитивно впливають на організм людини:

• зміцнюють кістки;
• стимулюють формування статевих ознак;
• спалюють жирові прошарки;
• збільшують витривалість;
• прискорюють синтез протеїну.

Однак важливо пам'ятати, що всі препарати мають побічні дії, тому приймати їх треба під контролем лікаря.

Виходячи з вищевикладеного, можна зробити висновок, що виробництво рідкого метану є дуже перспективним напрямомсучасної промисловості

Горіння - швидкопротікаюча хімічна реакція з'єднання горючих компонентів з киснем, що супроводжується інтенсивним виділенням теплоти та різким підвищенням температури продуктів згоряння.

Реакція горіння чистого метану:

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

Так як більший обсяг становить метан, то прийнято загальну формулуприродного газу висловлювати формулою безпосередньо метану. Так, виходить, що хімічна формула природного газу метану СН4.

Інші компоненти мають такі емпіричні формули в хімії:

етан - С2Н6;

пропан – С3Н8;

бутан – С4Н10;

вуглекислий газ – СО2;

водень – Н2;

сірководень - H2S.

Суміш таких речовин є природним газом.

Найчастіше очищення природного газувідбувається безпосередньо при видобутку вихідної сировини. Залежно від складу та концентрації домішок вибирають той чи інший спосіб очищення. У світовій практиці найчастіше застосовують хемосорбційні способи очищення, де основними діючими речовинами є розчини алкаколаміну з водою або бенфілд(карбонат калію та вода з добавками). Наступними за популярністю є комбіновані методики, що поєднують у собі хімічні та фізичні процеси, з присутністю як діючий агент сульфінолу. За потреби тонкого очищення сировини, застосовують тверді адсорбентита окислення сірки до твердого осаду.

Отримання в лабораторії та промисловості

Крім природних місць утворення газу, існує низка способів отримати його в лабораторних умов. Однак ці способи, безумовно, використовуються лише для невеликих порцій продукту, оскільки економічно здійснювати синтез природного газу в лабораторії не вигідно.

Лабораторні методи:

Гідроліз низькомолекулярної сполуки - карбіду алюмінію: AL4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4AL(OH)3.

З ацетату натрію у присутності лугу: CH3COOH + NaOH = CH4 + Na2CO3.

З синтез-газу: CO + 3H2 = CH4 + H2O.

З простих речовин - водню та вуглецю - при підвищеній температурі та тиску.

Хімічна формула природного газу відбивається формулою метану, тому всі реакції, характерні для алканів, характерні для даного газу.

Побутовий газ = Природний газ + Добавки для запаху

Чистий природний газ не має кольору та запаху. Щоб можна було визначити витік по запаху, до газу додають невелику кількість речовин, що мають сильний неприємний запах (гнилий капусти, прілого сіна) (т.з. одорантів). Найчастіше як одорант застосовується етилмеркаптан (С2H5SH) (16г на 1000 куб. м. природного газу).

C3H8 - Пропан

Типи класифікацій реакції.