Метан

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Метан
Methane-CRC-MW-dimensions-2D.png
Общие
Хим. формула CH₄
Рац. формула CH4
Физические свойства
Молярная масса 16,04 г/моль
Плотность газ (0 °C) 0,7168 кг/м³;
жидкость (−164,6 °C) 0,415 [1]
Термические свойства
Т. плав. -182,5 °C
Т. кип. -161,6 °C
Химические свойства
Растворимость в воде 0,35[2]
Классификация
Рег. номер CAS 74-82-8
PubChem 297
SMILES
ChemSpider 291
Безопасность
Токсичность
NFPA 704.svg
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иначе.

Мета́н (лат. Methanum) — простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха[3], химическая формула — CH4. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека[4].

Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему[5].

Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. Обогащение одорантами делается для того, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. На промышленных производствах эту роль выполняют датчики, и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств остается без запаха.

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 др.), но обладает меньшей реакционной способностью. Специфична для метана реакция с парами воды, которая протекает на Ni/Al2O3 при 800—900 °C или без катализатора при 1400—1600 °C; образующийся синтез-газ может быть использован для синтеза метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 % до 17 %[6]. Наиболее взрывоопасная концентрация 9,5 %. Является наркотиком; действие ослабляется ничтожной растворимостью в воде и крови. Класс опасности — четвёртый[7].

Сэр Хэмфри Дэви (ученый-химик) еще в 1813 г. заключил из своих анализов, что рудничный газ есть смесь метана CH4 с небольшим количеством азота N2 и угольного ангидрида СО2 - т.е., что он качественно тождественен по составу с газом, выделяющимся из болот.

Нахождение в природе[править | править исходный текст]

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.

По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан[8].

Предположительно, что на поверхности Титана (спутник Сатурна) в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси[9].

В промышленности[править | править исходный текст]

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

Классификация по происхождению[править | править исходный текст]

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

Получение[править | править исходный текст]

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

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

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[10]:

\mathsf{CH_3COONa + NaOH \rightarrow CH_4\uparrow + Na_2CO_3}

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

Химические свойства[править | править исходный текст]

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1 м³. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 4,4 % до 17 %. Точка замерзания −184oС (при нормальном давлении)

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

\mathsf{CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl}
\mathsf{CH_3Cl + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl_2 + HCl}
\mathsf{CH_2Cl_2 + Cl_2 \rightarrow CHCl_3 + HCl}
\mathsf{CHCl_3 + Cl_2 \rightarrow CCl_4 + HCl}

Выше 1400 °C разлагается по реакции:

\mathsf{2CH_4 \rightarrow C_2H_2 + 3H_2}

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

\mathsf{CH_4 + 3[O] \rightarrow HCOOH + H_2O}

Соединения включения[править | править исходный текст]

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

Применение метана[править | править исходный текст]

  • Топливо.
  • Сырьё в органическом синтезе.

Физиологическое действие[править | править исходный текст]

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 для дыхания при очень высоких концентрациях метана. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки асфиксии (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 весьма редки случаи гибели людей от вдыхания смеси метана с воздухом, от асфиксии.

Первая помощь при тяжелой асфиксии: 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[править | править исходный текст]

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 весьма слабого наркотического действия этих веществ, сходного с наркотическим действием диэтилового эфира.

Метан и экология[править | править исходный текст]

Является парниковым газом, в этом отношении, более сильным, чем углекислый газ, из-за наличия глубоких вращательных полос поглощения его молекул в инфракрасном спектре. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 21 единицу[11].

ПДК метана в воздухе рабочей зоны составляет 7000 мг/м3[12].

Ссылки[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. — 3-е изд., испр. — Л.: Химия, 1971. — Т. 2. — 1168 с.
  2. Обзор: Растворимость некоторых газов в воде
  3. Статья «Метан» на сайте «Химик»
  4. З. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане «Органическая химия», М. «Химия», 1979, стр. 203.
  5. Куценко С. А. Основы токсикологии / С.А. Куценко. — СПб.: Фолиант, 2004.
  6. ГОСТ Р 52136-2003
  7. 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)
  8. Atreya, S.K.; Mahaffy, P.R.; Niemann, H.B. et al (2003). «Composition and origin of the atmosphere of Jupiter—an update, and implications for the extrasolar giant planets». Planetary and Space Sciences 51: 105-112. DOI:10.1016/S0032-0633(02)00144-7.
  9. Tidal effects of disconnected hydrocarbon seas on Titan
  10. Б. А. Павлов, А. П. Терентьев. Курс органической химии. — Издание шестое, стереотипное. — M.: Химия, 1967. — С. 58.
  11. EBRD Methodology for Assessment of Greenhouse Gas Emissions, Version 3 February 2009 (англ.)
  12. Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»