Метан

Метан
Имена
По IUPAC: Метан
Идентификатори
CAS номер:	74-82-8
EINECS:	200-812-7
UN номер:	1971
PubChem:	297
RTECS:	PA1490000
MeSH:	Methane
ChEBI:	CHEBI:16183
Beilstein:	1718732
Gmelin:	59
3DMet:	B01450
Jmol-3D:	3D структура
SMILES C
Свойства
Формула:	CH4
Моларна маса:	16.04 g mol−1
Външен вид:	безцветен газ
Плътност:	655.6 μg mL−1
Точка на топене:	-182 °C
Точка на кипене:	-164 до -160 °C
Разтворимост във вода:	22.7 mg/L
Опасности
ЕС Индекс	601-001-00-4
H-фрази	220
P-фрази	210
R-фрази	R12
S-фрази	S2, S16, S33
Основни опасности	F
NFPA 704	4 1 0
Температура на запалване	−188 °C
Самовъзпламеняване	537 °C
Данните са при стандартно състояние на материалите (25°C, 100 kPa), освен където е указано друго.

Метанът е химично съединение с химична формула CH₄ . Това е най-простият алкан. Ъгълът между атомите на метана е 109,5 градуса.

Това е най-простият наситен въглеводород. Той е безцветен газ, без миризма, с температура на топене -182,5 °C и температура на кипене -161,5 °C. При -11 °С под значително налягане се втечнява. Той е основна съставка на природния газ, съпътстващ нефта или намиращ се в газови находища, и се образува при приблизително същите геоложки процеси както нефта. Метан се образува и при разлагане на растителни материали в отсъствието на кислород в блатисти места, поради което се нарича още и блатен газ. Среща се и в каменовъглените мини, където е известен като газ гризу или рудничен газ. Промишлено се получава при прекарването на един обем СО и три обема Н₂ над фино раздробен никелов катализатор при температура 200-300°С при атмосферно налягане. Освен на Земята метан е открит и на други планети в Слънчевата система.

Горенето на метана в присъствието на кислород води до образуването на въглероден двуокис и вода. Големите залежи на природен газ правят метана привлекателен като гориво. Въпреки това, тъй като той е газ, при нормална температура и налягане метанът трудно може да се транспортира от неговия източник. Най-често се транспортира под налягане по тръбопровод или чрез специални танкери, където природния газ е втечнен под високо налягане и ниска температура; понякога се транспортира и нагнетен под налягане в бутилки чрез камиони.

Химически метанът е сравнително инертно съединение, но с хлора реагира с взрив при нормална температура, а при ниски температури се получава метилхлорид. При смесване с въздух в известни пропорции образува взривоопасна смес, особено в затворени помещения (напр. мини, жилища). Използва се при производството на метилхлорид, метиленхлорид, водород, амоняк, при получаването на сажди. Използва се и като гориво, предимно в котли, но също и в двигатели с вътрешно горене (с искрово запалване и дизелови, в турбини).

Метан е също и търговско наименование на природния газ, тъй като предлаганият в търговската мрежа природен газ се състои над 90% от наситения въглеводород.

• 

  Двуизмерно изображение

• 

  Триизмерно изображение

• 

  Структура

Метанът е открит и изолиран от Алесандро Волта между 1776 г. и 1778 г., когато е изследван блатен газ от езерото Лаго Маджоре.

Метанът е един от основните парникови газове. Времето му на живот в атмосферата е около 10 години, като най-често влиза в реакция с хидроксилни радикали, в следствие на което се получава въглероден двуокис и вода.

Метанът оказва влияние и на разграждането на озоновия слой.

Формула	Моларна маса	Плътност	Точка на топене	Точка на кипене	Разтворимост във вода	Пламна температура	КГВ
CH4	16.042 g/mol	0.717 kg/m3 (газ, 0 °C) 416 kg/m3 (течност)	-182.5 °C	-161.6 °C	35 mg/L (17 °C)	-188 °C	5–15 обемни %

Наличието на метан в атмосферата на земята през 1998 г. е 1 745 части на милиард (ppb), в сравнение с 700 ppb през 1750 г. До 2008 г. обаче съдържанието на метан в атмосферата е останало на нива от 1998 г. насам — около 1800 ppb. До 2010 г. нивото на метана в атмосферата е най-ниско в Арктика, с измерени стойности около 1850 ppb. Това е най-високото регистрирано ниво досега от 400 хиляди години. Исторически концентрацията метан в атмосферата на света варира между 300 и 400 ppb по време на ледниковия период и между 600-700 ppb през топлите междуледникови периоди.

Свойства

Метанът е основният компонент на природния газ, около 87% от неговия обем. При стайна температура и нормално налягане, метана е без цвят и мирис; миризмата характерна за природния газ, който се използва в домовете е изкуствена мярка за безопасност, причинена от добавяне на „ароматизатори“, често метанетиол или етанетиол. Метанът е с температура на кипене от -161 ° C при налягане от една атмосфера. Като газ е запалим в тесен диапазон от концентрации (5-15 обемни %) с въздуха.

Опасност за човешкото здраве

Метанът не е токсичен, но е изключително запалим и може да образува взривоопасни смеси с въздуха. Метанът бурно реагира с окислители, халогени, както и някои халоген-съдържащи съединения. Метанът може да предизвика задушаване измествайки кислорода от въздуха в затворено пространство. Задушаване може да възникне, ако концентрацията на кислород спадне под 19,5%.

Химически реакции на метана

Основните химически реакции с метан са горене и халогениране. Като цяло реакциите с метан са трудни за контролиране. Частично окисление на метанол, например е трудно да се постигне, тъй като реакцията обикновено прогресира до въглероден двуокис и вода.

Горене

Горенето на метанът протича на няколко етапа:

Първоначално се образува формалдехид (HCHO или H₂CO). Формалдехида освобождава радикали (HCO), който след това се превръщат във въглероден оксид (CO). Процесът се нарича оксидативна пиролиза:

CH₄ + O₂ → CO + H₂ + H₂O

След оксидативната пиролиза, H₂ се окислява като се образува H₂O и се освобождава топлина. Това се случва много бързо, обикновено значително по-малко от една милисекунда.

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

На последно място, CO се окислява до CO₂ и освобождава още топлина. Този процес е като цяло по-бавно от предишните химични, и обикновено изисква няколко милисекунди, за да се приключи.

2 CO + O₂ → 2 CO₂

В резултат на горното е следната обща формула:

CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(l) + 891 kJ/mol (при стандартни условия)

където в скоби "g" означава газообразно състояние и в скоби "l" означава течна форма.

Изместване на водород от молекулата

Ковалентната връзка въглерод-водород в метана е сред най-силните от всички въглеводороди и поради това използването му като изходна суровина химически е ограничено. Въпреки здравата C-H облигации, CH₄ все още е основната суровина за производството на водород в риформинг с водна пара. Търсенето на катализатори, които могат да улеснят разкъсването на C-H връзката на метана и други алкани е в областта на научните изследвания с голямо стопанско значение.

Реакции с халогени

Метанът реагира с всички халогени при подходящи условия по следния начин:

CH₄ + X₂ → CH₃X + HX

където Х са халогени: флуор (F), хлор (Cl), бром (Br), или йод (I). Този процес се нарича халогениране. Когато X е Cl, реакцията притича по следния начин:

1. Формиране на радикали:

$\mathrm{Cl_2 \xrightarrow[\triangle]{UV} 2Cl^\bullet - 239 \; kJ}$

Необходимата енергия се получава от въздействието на ултравиолетови лъчи или загряване,

2. Замяна на радикалите:

CH₄ + Cl• → CH₃• + HCl + 14 kJ

CH₃• + Cl₂ → CH₃Cl + Cl• + 100 kJ

3. Унищожаване на радикалите:

2 Cl• → Cl₂ + 239 kJ

CH₃• + Cl• → CH₃Cl + 339 kJ

2 CH₃• → CH₃CH₃ + 347 kJ

Употреба

Гориво

Метанът е важен за производството на електричество чрез изгаряне като гориво в газова турбина или парен котел. В сравнение с други въглеводородни горива, изгарянето на метан произвежда по-малко въглероден двуокис за всяка единица произведена топлина. Около 891 kJ/mol е топлината произведена от горенето на метана. Тя е по-малко, отколкото при горенето на всеки друг въглеводород, но отношението от топлината на изгаряне (891 kJ/mol) към молекулна маса (16.0 g/mol) показва, че метана, който е най-простият въглеводород, произвежда повече топлина за единица тегло (55.7 kJ/g) в сравнение с други сложни въглеводороди. Много градове са газифицирани и метана се ползва за битови нужди. В този си вид е познат като природен газ и се счита, че енергийното съдържание е 39 мегаджаула на кубичен метър.

Метан под формата на компресиран природен газ се използва като гориво на превозните средства и по този начин те са по-екологично чисти, в сравнение с другите изкопаеми горива като бензин и дизелово гориво.

Понастоящем се провеждат изпитания за потенциала на метана като ракетно гориво. Едно от предимствата на метана е, че той е широко разпространен в много части на Слънчевата система и би могъл да бъде събиран на място, осигурявайки гориво за двупосочно пътуване.

Индустриална употреба

Метанът се използва в промишлени химически процеси. Той е изходна суровина за производството на водород, метанол, оцетна киселина, оцетен анхидрид. За целта метанът се превръща в смес от въглероден окис и водород чрез риформинг с водна пара. В този процес метана и парата реагират чрез никелелов катализатор при висока температура (700-1100 ° С).

$\mathrm{CH}_4 + \mathrm{H_2O} \xrightarrow[700-1100 \ \mathrm{^{\circ}C}]{\mathrm{Ni}} \mathrm{CO + 3H_2}$

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Също така метана е изходна суровина за производството на ацетилен (при преминаване на метан през електрическа дъга) и хлорметани (хлорметан, дихлорометан, хлороформ и тетрахлорметан). Последните се получават чрез реакция на метана с хлор. Въпреки това, използването на тези химикали намалява. Ацетилена се заменя с по-евтини заместители, а използването на хлорметаните намалява поради здравословни и екологични проблеми.

Източници на метан за битови нужди

Като част от природния газ

Основният източник на метан е добивът от геоложки находища, известни като находищата на природен газ. Обикновено там метана е смесен с други въглеводородни горива и понякога придружен с хелий и азот. Метанът също се произвежда в значителни количества от гниещи органични отпадъци в депа за битови отпадъци.

Алтернативни източници

Отделно от газовите находища, алтернативен метод за получаване на метан е чрез производство на биогаз, генериран от ферментация на органични вещества, включително животински тор, утайки от отпадъчни води, твърди битови отпадъци или други биоразградими суровини при анаеробни условия. Метановите хидрати/клатрати (ледена комбинация от метан и вода на дъното на морето, открити в големи количества), са потенциален бъдещ източник на метан. Промишлено метан може да бъде произведен от въглероден диоксид и водород или въглероден окис и водород чрез химични реакции по метода на Сабатиер или на Фишер-Тропс (макар че Фишер-Тропс обикновено се използва за производството на по-дълги въглеводородни вериги от тази на метана).

Метан извън Земята

Метан е открит или се смята, че съществува на няколко места в Слънчевата система. В повечето случаи се смята, че е бил създаден от абиотични процеси. Възможни изключения са Марс и Титан.

• Луна - открити са следи от изпускане на повърхността;
• Марс - атмосферата съдържа 10 ppb метан. През януари 2009 г. беше обявено, че учени са открили, че планетата изпуска метан в атмосферата в определени области. Това накара някои учени да спекулират, че това може да е знак за биологична активност под повърхността;
• Юпитер - атмосферата му съдържа около 0.3% метан;
• Сатурн - атмосферата съдържа около 0,4% метан;
  • Япет
  • Титан - атмосферата му съдържа 1,6% метан. На повърхността му има хиляди метанови езера. В горните слоеве на атмосферата метана се превръща в по-сложни молекули, включително и ацетилен. Това е процес, при който се произвежда и молекулярен водород. Има данни, че ацетилена и водорода се превръщат в метан в близост до повърхността. Това предполага наличието или на екзотичен катализатор, или на непозната форма на метаногенен живот;
  • Енцелад - атмосферата съдържа 1,7% метан;
• Уран - атмосферата съдържа 2,3% метан;
  • Ариел - метан се смята за съставна част на повърхността лед Ариел;
  • Миранда
  • Оберон - около 20% от повърхностния лед на Оберон е съставен от метан, свързан с въглерод/азотни съединения;
  • Титания - около 20% от повърхностния лед на Титания се състои от метан, свързан с органични съединения;
  • Умбриел - метан е основен елемент в повърхностния лед на Умбриел;
• Нептун - атмосферата съдържа 1,6% метан;
  • Тритон - Тритон има разредена атмосфера от азот с малки количества метан в близост до повърхността;
• Плутон - спектроскопски анализ на повърхността на Плутон показва тя съдържа следи от метан
  • Харон - метана се смята, че присъства на Харон, но това не е напълно потвърдено;
• Ерис - инфрачервена светлина от обекта подсказва за наличие на лед от метан;
• Халеевата комета
• Комета Хиакутаке - наземните наблюдения показват наличие етан и метан в комета;
• Извънслънчева планетата HD 189733b - Това е първото откриване на органично съединение на планета извън Слънчевата система. Произходът е неизвестен, тъй като високата температура на планетата (700 ° C) обикновено благоприятства за образуването на въглероден окис вместо метан;
• Междузвездни облаци