Метан: основные характеристики

Общая характеристика метана

Метан — легкий, бесцветный и легковоспламеняющийся газ без запаха. Распространен в природе как основной компонент природного газа и попутных нефтяных газов. Химическая формула –

Метан попадает в атмосферу в составе вулканических газов, а также является продуктом жизнедеятельности многочисленных микроорганизмов. В виде газовых гидратов он находится в значительных количествах на дне океанов и в вечной мерзлоте. Это один из самых важных парниковых газов.

Являясь представителем ряда предельных углеводородов, он проявляет низкую химическую активность. Из-за малой растворимости в воде и химической инертности метан считается малотоксичным веществом (IV класс опасности), но при высокой концентрации в воздухе (4,4 — 17%) взрывоопасен, а при дальнейшем увеличении содержания метана приводит к удушью от недостатка кислорода.

Физические свойства

Основные физические характеристики метана при нормальном атмосферном давлении приведены в таблице.

Химические свойства

В химии формула метана — CH4. Соединение плохо влияет на химические связи.

В нормальных условиях не вступает в реакцию со следующими веществами:

• концентрированные кислоты;
• расплавленные и концентрированные щелочи;
• реагенты для щелочных металлов;
• галогены;
• перманганат калия;
• дихромат калия в кислой среде.

При температуре около 200 ° C и давлении от 30 до 90 атмосфер болотный газ окисляется и превращается в муравьиную кислоту. Вещество образует соединения, называемые газогидратами, которые часто встречаются в природе.

Метан химически похож на другие алкановые реагенты. Следовательно, он вступает в такие химические реакции, как:

• Конверсия в синтез-газ. Синтез-газ, образующийся в результате этой реакции, используется для производства метанола, углеводородов и так далее.
• Галогенирование. Эта реакция представляет собой цепную реакцию. С его помощью молекула брома или йода подвергается воздействию света и распадается на радикалы, которые затем атакуются молекулами метана. В результате атом водорода отделяется от соединения, и газ превращается в свободный метил CH3. Образовавшееся вещество сталкивается с молекулами брома или йода, которые разрушаются, образуя новые радикалы этих реагентов.
• Нитрование.
• Окисление или горение. Эта реакция происходит при избытке кислорода и описывается следующим уравнением: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. В этом случае пламя синее. Если кислорода не хватает, результатом реакции является не углекислый газ, а окись углерода. Если кислорода еще меньше, взаимодействие веществ приведет к выделению мелкодисперсного углерода.
• Сульфоксидное хлорирование.
• Сульфоокисление.
• Разложение.
• Дегидрирование.
• Каталитическое окисление. В таких реакциях карбоновые кислоты, спирты и альдегиды образуются из болотного газа.

Получение метана

Промышленное производство и лабораторное производство метана осуществляется разными методами. Есть также способы получить газ дома, например, в частном доме для удовлетворения потребностей в топливе.

Промышленные методы получения метана

Поскольку при добыче нефтегазового сырья газ поступает в больших количествах, методы его получения направлены не на искусственный синтез, а на разделение в процессах переработки нефти и газа. Кроме того, метан может быть получен при технологической переработке угольного сырья.

Очистка и переработка природного газа

Метан — основной компонент природного газа, важного ископаемого топлива. Содержание метана в газе различных месторождений составляет 70-98%.

После очистки от твердых частиц и примесей (сероводорода, азота, углекислого газа, гелия) и сушки (отделения водяного пара) природный газ подвергается фракционированию при низкой температуре. Более тяжелые углеводородные компоненты газа — этан, пропан и бутан — переходят в жидкую фазу при более высоких температурах, чем метан, и последовательно отделяются от нее в конденсационной колонне.

Переработка нефти и попутного газа

В процессах термического разложения (пиролиза) высокомолекулярных алканов, входящих в состав нефти, метан выделяется среди продуктов:

Метан является частью газа, отделяемого от сырой нефти во время крекинга (разложение при высоком давлении и температурах около 450-550 или с использованием катализатора). Кроме того, метан составляет значительную часть попутных газов, от которых он отделяется методом сепарации.

Переработка каменного угля

1. Уголь варочный. Большое количество метана (в среднем 34%) содержится в коксовом газе, образующемся при термической переработке угольного сырья. Среди других углеводородов от шихты отделяется метан .
2. Гидрирование угля. Метан образуется при обработке угля водородом (сжижение угля для получения жидкого топлива). На металлическом катализаторе протекают реакции:

Лабораторный синтез метана

В лабораторной практике существует два основных метода получения метана:

1. гидролиз карбида алюминия;
2. щелочной расплав ацетата натрия.

Взаимодействие карбида алюминия с водой (метод Муассана)

Неорганическое бинарное соединение
кристаллическая структура при реакции с водой разлагается с образованием метана и нерастворимого гидроксида алюминия:

Реакция необратима и служит простым и экономичным способом получения газа в лаборатории.

Взаимодействие ацетата натрия с щелочью (метод Дюма)

Еще один простой лабораторный метод получения метана — прокаливание натриевой соли уксусной кислоты
с каустической содой
:

Внимательный взгляд на лабораторный процесс показывает, как получить метан из ацетата натрия с помощью щелочи.

Присутствие воды предотвращает эту реакцию, поэтому ацетат натрия необходимо обезвоживать, а гигроскопичный гидроксид натрия следует смешивать с негашеной известью (оксид кальция). Эта смесь называется натронной извести. В реакционной смеси должен присутствовать избыток 1: 3, чтобы обеспечить полное использование ацетата натрия.

Порошки реагентов хорошо перемешивают и помещают в колбу с патрубком или в пробирку. Проявившийся газ собирают, перемещая воду в пробирку. При нагревании колбы над пламенем горелки используется асбестовая сетка. Нагрейте трубку на открытом огне. Промывочная бутыль с щелочным раствором может использоваться для улавливания примесей. Чтобы проверить результат эксперимента, зажигают газ в пробирке.

Варианты монтажа установки для производства метана в лаборатории показаны на рисунке.

Получение метана в домашних условиях

Метан также может быть получен в результате биологических процессов. Его выделяют в процессе метаболизма особые анаэробные микроорганизмы — метаногенные бактерии. Они широко распространены в органических отходах животного и растительного происхождения.

Поскольку метан можно использовать в качестве топлива для систем водяного отопления, печей и кухонного оборудования, в частных домах с большим количеством отходов становится выгодно самостоятельно получать из них метан и использовать его.

Получение из органических отходов животноводства

Метаногены населяют кишечник позвоночных и участвуют в пищеварительном процессе. Поэтому на фермах, занимающихся животноводством, свиноводством или птицеводством, отходы животноводства можно обрабатывать с помощью биогазовых установок. Неразлагаемый остаток действует как органическое удобрение.

Технология производства биогенного метана состоит из нескольких этапов:

1. анаэробная ферментация биомассы в специальной емкости — ферментере или биореакторе с соблюдением температурного режима;
2. удаление образовавшейся газовой смеси, в которой доля метана составляет до 70%;
3. транспортировка биогаза к бытовой технике;
4. регулярная выгрузка отработанной массы и загрузка биореактора новым сырьем.

Некоторые установки включают систему очистки биогаза от примесей — углекислого газа и сероводорода.

Получение из древесины

Растительные отходы, такие как древесная щепа, также могут использоваться в качестве сырья для биогазовой технологии. Плохая древесина (например, пораженная вредителями или поврежденная пожарами), а также отходы лесозаготовок — ветки, кора и т.д. Подходят для использования в биореакторе.

Поскольку древесина содержит смолы, на деревообрабатывающих предприятиях необходимо использовать катализаторы для очистки газов. В качестве катализатора подходит шлак металлургической промышленности, особенно эффективен мартеновский шлак.

Эффективность синтеза биометана

В среднем обработка 1 кг биомассы, разложившейся на 70%, дает:

Эффективность производства биогаза зависит от поддержания желаемой температуры ферментации, поэтому в холодных регионах работа биогазовой установки потребует дополнительных затрат на отопление и установку надежной теплоизоляции. Важную роль играет биохимический баланс: выход газа уменьшается с увеличением кислотности. В этом случае требуется добавление нейтрализующего агента.

Крупные хозяйства могут позволить себе нанять специалистов, установить полностью автоматизированные биореакторы с большим выходом газа и получить дополнительный доход от его продажи.

Для эффективной работы завода требуется бесперебойная поставка сырья, поэтому хозяйствам с небольшим поголовьем невыгодно производить биометан. Если количество биомассы позволяет наладить синтез-газ в небольшой ферме, можно построить мини-завод по его производству самостоятельно. Следует помнить, что для его возведения потребуются серьезные вложения, составление технологической схемы, оформление документации, согласование с СЭС, пожарной и газовой инспекциями.

Если у компании есть возможность установить биогазовый реактор, она получает значительные преимущества:

• экономия на затратах на электроэнергию;
• производство удобрений;
• ликвидация отходов и улучшение экологической обстановки на участке.

Строение метана

Молекула метана содержит связи C — H. Связь C — H ковалентная, слабо полярная. Это одинарная σ-связь. Атом углерода в метане образует четыре связи. Следовательно, гибридизация атома углерода в молекуле метана sp 3 :

Когда образуется связь C — H, sp 3 -гибридная орбиталь атома углерода и s-орбиталь атома водорода перекрываются:

Четыре sp 3 -гибридных орбитали атома углерода взаимно отталкиваются и расположены в пространстве так, что угол между орбиталями максимально возможен.

Таким образом, четыре гибридных углеродных орбитали в алканах направлены в космос под углом 109 о 28 друг к другу:

Это соответствует тетраэдрической структуре молекулы.

Определение и формула

Ограничивающий углеводород и самый простой в своем классе, он состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Вещество является первым членом гомологического ряда алканов.

Зачем применяют метан при наборе массы

Метан, будучи стероидом, способен оказывать вредное воздействие на человеческий организм, чего можно избежать, если вы ознакомитесь с некоторыми характеристиками препарата.

Наверное, не говорят, что каждый, кто наращивает мышечную массу с помощью синтетических наркотиков, знаком с «метаном» и использовал его не раз. Но мало кто из них интересовался правилами приема этого препарата, его воздействием на организм, часто поддаваясь стереотипу: «Я буду делать, как все».

Официальное название метана — метандростенолон. Не всегда он положительно влияет на человеческий организм. Сегодня об этом уже много сказано, можно найти более десятка режимов приема, но не все из них правильные, хотя многие выбирают первый, с которым сталкиваются.

Большинство из тех, кто впервые решил начать наращивать мышечную массу на стероидах, в первую очередь останавливаются на «метане». Объясняется это тремя причинами, тесно связанными с характеристиками самого препарата.

• Причина первая: «метан» распространяется в таблетках и удобен в применении по сравнению с инъекциями. Хотя это утверждение психологическое. Большинство противников химии считают, что укол здесь — не более чем лекарство, стремительно развивающее у человека наркозависимость. На самом деле все совсем иначе. Будь то инъекция или таблетка, все они действуют одинаково и отличаются только способом введения в организм.
• Вторая причина — широкая популярность «метана» и его доступность. Многие новички в этом бизнесе, спросив опытного друга о каком-нибудь сильнодействующем препарате, часто слышат в ответ «метандростенолон» и, как следствие, выбирают его.
• Третья причина — стоимость «метана». Сегодня это один из самых доступных стероидов на рынке. Хотя есть и обратная сторона. Несмотря на невысокую стоимость месячного курса (до 15 долларов), никто не учитывает тот факт, что после длительного применения препарата потребуется реабилитация организма. Метан отрицательно влияет на печень, и его необходимо поддерживать защитными и более дорогими лекарствами, что повлечет за собой дополнительные расходы. Набранную мышечную массу также необходимо поддерживать за счет приема кальция и калия.

Примеры решения задач

Упражнение	Определите массу хлора, необходимую для хлорирования на первом этапе из 11,2 литра метана.
Решение	Запишем уравнение реакции хлорирования метана:

Находим количество метанового вещества:

Согласно уравнению реакции n (CH4): n (Cl2) = 1: 1, что означает, что количество моля хлора равно:

Таким образом, масса хлора будет равна (молярная масса — 71 г / моль):

Упражнение	Рассчитайте нормализованные объемы хлора и метана, которые потребуются для производства 38,5 г четыреххлористого углерода.
Решение	Запишем уравнение реакции хлорирования метана до четыреххлористого углерода (реакция происходит под действием УФ-излучения):

Рассчитываем количество вещества четыреххлористого углерода (молярная масса — 154 г / моль):

n (CCl4) = 38,5 / 154 = 0,25 моль.

Согласно уравнению реакции n (CCl4): n (CH4) = 1: 1, т.е n (CCl4) = n (CH4) = 0,25 моль. Таким образом, объем метана будет равен:

V (CH4) = 0,25 × 22,4 = 5,6 литра.

Используя уравнение реакции, находим количество хлора n (CCl4): n (Cl2) = 1: 4, т.е n (Cl2) = 4 × n (CCl4) = 4 × 0,25 = 1 моль.

Влияние на организм человека

Человек может отравиться, вдыхая метан при аварии на производстве или из-за неправильного использования устройств, работающих с этим газом. Такая ситуация возможна даже при длительном нахождении в болоте, в шахте. Если концентрация вещества в воздухе составляет 20% и более, отравление может быть очень серьезным и даже смертельным.

Рабочие химических заводов, шахт и шахт подвержены другим видам углеводородного отравления. Часто эти люди регулярно вдыхают небольшие дозы вещества в течение длительного времени.

Также хроническая интоксикация может возникнуть из-за кишечных заболеваний, например, дисбактериоза. В таких случаях в организме пациента образуется повышенное количество метана. Этот газ не вызовет сильной интоксикации, но тем не менее может вызвать различные недуги в организме, привести к желудочно-кишечным расстройствам и общему ухудшению самочувствия.

Острое отравление метаном можно выделить по следующим признакам:

• головокружение;
• шум в ушах;
• сонливость;
• общая слабость;
• потеря координации;
• нарушение речи;
• боль в глазах;
• слезотечение;
• удушье;
• учащение пульса;
• снижение артериального давления;
• тошнота;
• приступы рвоты;
• цианоз кожных покровов и слизистых оболочек.

При сильном отравлении человек теряет сознание, у него начинаются судороги, а затем наступает кома. Также возможна остановка дыхания и сердцебиения.

Если отравление метаном носит хронический характер, пострадавший страдает от частых головных болей, общего недомогания, низкого кровяного давления и снижения работоспособности. Человек становится бледным и вялым, переживает упадок сил. Низкое артериальное давление может вызвать обморок. Также возможно истощение нервной системы, которое выражается в повышенной раздражительности, нервозности и тому подобное.

Метан известен как один из самых опасных газов в мире. Он токсичен, легко воспламеняется и взрывоопасен. Вещество не имеет ни цвета, ни запаха, поэтому его крайне сложно обнаружить в воздухе. Чтобы не подвергать опасности свое здоровье и жизнь, следует внимательно относиться к мерам безопасности и соблюдать осторожность при работе или использовании бытового метана.

Физические качества

Метан — простейший углеводород. Считается, что у него специфический запах, но это распространенное заблуждение. Чистый газ не имеет запаха, он приобретает характерный аромат благодаря специальным добавкам, которые добавляются в вещество для предотвращения его утечки, ведь даже химическое соединение не имеет цвета.

Кроме того, к физическим свойствам метана относятся:

• Горит синим пламенем.
• Горение без выброса вредных продуктов.
• Плохая растворимость в воде.
• он легче воздуха.
• Основной компонент попутный нефтяной, шахтный и болотный газ.
• Варить при -161 ° С.
• Замораживание при -183 ° С.
• Молярная масса 16,044 г / моль.
• Плотность — 0,656 кг / м³.
• В сочетании с воздухом образуются взрывоопасные смеси.
• В жидком виде это жидкость без цвета и запаха.

Наиболее опасен метан, который выделяется при подземных выработках, а также на предприятиях по переработке и обогащению угля. Когда количество газа в воздухе достигает 5-6%, он начинает гореть около источников тепла.

Если уровень вещества поднимется до 14-16%, может произойти взрыв. При повышении концентрации вещество горит при постоянной подаче кислорода. Если в это время количество метана начнет уменьшаться, результатом также может быть взрыв. При взрыве газовый огонь движется со скоростью от 500 до 700 м / с. Давление вещества в это время в замкнутом пространстве составляет 1 МН / м2.

Метан воспламеняется с небольшой задержкой при контакте с источником тепла. Это свойство вещества используется при производстве безопасных взрывчатых веществ и взрывозащищенного электрооборудования. На всех объектах, где существует риск выброса метана, действуют правила техники безопасности «газового режима».

Формула метана и способы его получения

Метан в больших количествах содержится в атмосфере. Мы не обращаем внимания на наличие этого газа в воздухе, потому что он никак не влияет на наш организм, но канарейки очень чувствительны к метану.

Однажды они даже помогли спрятаться шахтерам. Когда процентное содержание метана изменилось, птицы перестали петь. Это послужило сигналом человеку, что он зашел слишком глубоко и ему нужно подняться.

Метан образуется в результате разложения останков живых организмов. Метан не случайно переводится с английского как болотный газ, ведь он встречается в заболоченных котловинах и угольных шахтах.

Основным источником газа в агропромышленном комплексе является животноводство. Да, они удаляют метан из организма вместе с остальными продуктами жизнедеятельности. Кстати, увеличение поголовья крупного рогатого скота на планете может привести к разрушению озонового слоя, потому что метан и кислород образуют взрывоопасную смесь.

Метан может быть промышленно получен путем нагревания углерода и водорода или путем синтеза газообразной воды; все реакции протекают в присутствии катализатора, чаще всего никеля.

В США разработана целая система добычи метана, она способна извлекать до 80% газа из природного угля. Сегодня мировые запасы метана оцениваются специалистами в 260 триллионов кубометров! Запасы природного газа также намного меньше.

В лаборатории метан образуется при взаимодействии карбида алюминия (неорганическое соединение алюминия с углеродом) и воды. Также с помощью гидроксида натрия, который вступает в реакцию с ацетатом натрия, более известной как пищевая добавка E262.

Метан в органическом синтезе

Метан широко используется для производства многих популярных соединений, таких как ацетилен, метанол или анилин.

Получение ацетилена из метана

В лабораторной практике проводят дегидрирование метана. Реакция требует сильного нагревания:

В отрасли используются такие методы, как:

• Электротрещина:

• Окислительный пиролиз (процесс Saxe):

В этой реакции используется теплота частичного сгорания сырья, за счет чего реакционная смесь нагревается до 1600 ℃ .

Получение метанола из метана

Метиловый спирт можно получить:

• Каталитическое окисление метана:

• Двухстадийный процесс, в ходе которого сначала получают хлорпроизводное метана, которое затем подвергают щелочному гидролизу:

Парниковый эффект

Метан — один из парниковых газов планеты. Чтобы измерить уровень его тепличной активности, необходимо принять за единицу измерение воздействия на климат нашей планеты углекислого газа. При таком соотношении влияние метана будет 23. Специалисты в области изучения парникового эффекта отмечают, что количество этого газа в атмосфере Земли резко увеличилось за последние два столетия.

Объем метана в современной атмосфере составляет в среднем 1,8 частей на миллион. Это количество в 200 раз меньше аналогичного показателя углекислого газа. Следует отметить, что молекулы соединения рассеивают и сохраняют тепло, которое излучает нагретая солнцем планета, намного лучше, чем молекулы углекислого газа. Также следует отметить, что углеводород поглощает излучение Земли в тех спектральных областях, которые свободно проходят через другие газообразные соединения, создающие парниковый эффект.

Однако планете такие газы нужны. Без углекислого газа, водяного пара, метана и других составляющих атмосферы температура на поверхности Земли была бы значительно ниже в среднем 15 градусов Цельсия.

Алканы

Получение в промышленности и лаборатории

В промышленных условиях вещество получают путем нагревания углерода и водорода или синтеза газообразной воды. Для того чтобы реакция прошла успешно, используется катализатор, обычно в этом качестве используется никель. В США для простейшего извлечения углеводородов используется специальная система, позволяющая извлекать соединение из природного угля. Но метан также выделяется в виде аналогичного продукта при термической переработке нефти и нефтепродуктов, гидрогенизации кокса и угля.

В лаборатории для получения вещества используются следующие методы:

• Реакция гидроксида натрия с ацетатом натрия.
• Взаимодействие карбида алюминия.
• Нагревание натровой извести уксусной кислотой. Для этой реакции требуется безводная среда, поэтому используется гидроксид натрия, который наименее гигроскопичен.

Гомологический ряд метана

Все алканы — это вещества, схожие по физическим и химическим свойствам и отличающиеся друг от друга одной или несколькими группами –CH 2–. Такие вещества называются гомологичными, а ряд гомологичных веществ — гомологичными сериями.

Самым первым представителем гомологического ряда алканов является метан CH 4, или H — CH 2 — H.

Гомологический ряд можно продолжить, добавляя группу –CH 2– к углеводородной цепи алканов.

Название алкан	Алкановая формула
Метан	CH 4
Этан	C 2H 6
Пропан	DO 3H 8
Бутан	C 4H 10
Пентан	C 5H 12
Гексан	C 6H 14
Гептан	C 7H 16
Октан	C 8H 18
Нонан	C 9H 20
Декан	C 10H 22

Общая формула гомологического ряда алканов — C nH 2n + 2.

Первые четыре члена гомологического ряда алканов — это газы, C 5 — C 17 — жидкости, начиная с C 18 — твердые вещества.

Применение метана

Болотный газ является наиболее термически стабильным углеводородом и поэтому широко используется как в быту, так и в промышленности. Хлорирование вещества позволяет получить хлористый метил, хлористый метилен, хлороформ, четыреххлористый углерод. Результатом его неполного сгорания является сажа, если метан каталитически окисляется, получается формальдегид. А его реакция с серой приводит к образованию сероуглерода.

Важные методы получения ацетилена из простейшего углеводорода включают:

• термоокислительное крекинг,
• электрокрекинг.

Газ также используется для производства цианистого водорода. Кроме того, он обеспечивает водород, необходимый для образования водяного газа, который, в свою очередь, используется для создания углеводородов, альдегидов и тому подобного. Кроме того, для производства нитрометана требуется метан.

В настоящее время газ часто используется в качестве автомобильного топлива. Но его плотность в 1000 раз меньше плотности бензина, а значит, чтобы заправить автомобиль метаном до того же объема, что и бензин, при таком же давлении необходим соответствующий бак. В этом случае для обычной поездки необходимо будет перевезти прицеп с топливом.

Ученые решили эту проблему, увеличив плотность газа до 200-250 атмосфер. Сжатое вещество закачивается в специальные баллоны, устанавливаемые на специально разработанные автомобили.