Метан имеет характерный запах

Содержание

Метан


Общие
Хим. формула	CH₄
Рац. формула	CH₄
Физические свойства
Молярная масса	16,04 г/моль
Плотность	газ (0 °C) 0,7168 кг/м³; 0,6682 кг/м³ в стандартных условиях по ГОСТ 2939—63; жидкость (−164,6 °C) 415 кг/м³ [1]
Термические свойства
Т. плав.	-182,49 °C
Т. кип.	-161,58 °C
Т. свспл.	537,8 °C
Пр. взрв.	4,4-17,0 %
Энтальпия образования	−74 520 Дж/моль [3]
Энтальпия сгорания	−890,3 кДж/моль [4]
Химические свойства
Растворимость в воде	0,02 г/кг [2]
Классификация
Рег. номер CAS	74-82-8
PubChem	297
Рег. номер EINECS	200-812-7
SMILES
RTECS	PA1490000
ChEBI	16183
Номер ООН	1971
ChemSpider	291
Безопасность
Токсичность
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Мета́н (лат. methanum ), C H ₄ [5] — простейший по составу предельный углеводород, при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха [6] .

Малорастворим в воде, почти в два раза легче воздуха.

Метан малотоксичен, но обладает слабым наркотическим действием (ПДК 7000 мг/м 3 ) [7] . Имеются данные, что метан при хроническом воздействии малых концентраций в воздухе неблагоприятно влияет на центральную нервную систему [8] . Токсическое действие метана ослабляется его малой растворимостью в воде и крови и химической инертностью. Класс опасности — четвёртый [9] .

При использовании в быту в метан (природный газ) обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) — летучие вещества со специфическим «запахом газа», чтобы человек вовремя заметил аварийную утечку газа по запаху. На промышленных производствах утечки фиксируют датчики и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств поставляется без добавления одорантов.

Накапливаясь в закрытом помещении в смеси с воздухом метан становится взрывоопасен при концентрации его от 4,4 % до 17 % [10] . Наиболее взрывоопасная концентрация в смеси с воздухом 9,5 об.%.

Метан — третий по значимости парниковый газ в атмосфере Земли (после водяного пара и углекислого газа, его вклад в парниковый эффект оценивается 4—9 %) [11] [12] .

Содержание

История [ править | править код ]

В ноябре 1776 года итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На изучение болотного газа его вдохновила статья Бенджамина Франклина о «горючем воздухе». Вольта собирал газ, выделяемый со дна болота, и в 1778 году выделил чистый метан. Также он продемонстрировал зажигание газа от электрической искры.

Сэр Гемфри Дэви в 1813 г. изучал рудничный газ и показал, что он является смесью метана с небольшими количествами азота N₂ и углекислого газа CO₂ — то есть, что он качественно тождествен по составу болотному газу.

Современное название «метан» в 1866 г. газу дал немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман [13] [14] и происходит от слова «метанол» [ стиль ] .

Нахождение в природе [ править | править код ]

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.

Большие запасы метана сосредоточены в метаногидратах на дне морей и в зоне вечной мерзлоты [11] [12] .

Метан также был обнаружен на других планетах, включая Марс, что имеет значение для исследований в области астробиологии [15] . По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан [16] .

Предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси [17] . Велика доля метановых льдов и на поверхности Седны.

В промышленности [ править | править код ]

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

Классификация по происхождению [ править | править код ]

абиогенный — образован в результате химических реакций неорганических соединений, например, при взаимодействии карбидов металлов с водой;
биогенный — образован как результат химических превращений органических веществ;
бактериальный (микробный) — образован в результате жизнедеятельности бактерий (микроорганизмов);
термогенный — образован в ходе термохимических процессов.

Получение [ править | править код ]

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

2 N a O H + C H 3 C O O H → o t N a 2 C O 3 + H 2 O + C H 4 ↑ <displaystyle <mathsf <2NaOH+CH_<3>COOH<xrightarrow[<>]<^t>>Na_<2>CO_<3>+H_<2>O+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 [18] :

C H 3 C O O N a + N a O H → C H 4 ↑ + N a 2 C O 3 <displaystyle <mathsf <3>COONa+NaOH
ightarrow CH_<4>uparrow +Na_<2>CO_<3>>>>

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

Также возможно биологическое получение метана, см. Биогаз.

Химические свойства [ править | править код ]

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 других, но обладает меньшей реакционной способностью по сравнению с другими алканами.

Для метана специфична реакция с парами воды, в которой в промышленности применяется в качестве катализатора никель, нанесённый на оксиде алюминия (Ni/Al₂O₃) при 800—900 °C или без катализатора при 1400—1600 °C. Образующийся в результате реакции синтез-газ может быть использован для последующих синтезов метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 33,066 МДж на 1 м³, взятый при нормальных условиях. Реакция горения метана в кислороде или воздухе:

C H 4 + 2 O 2 → C O 2 + 2 H 2 O + 891 k J <displaystyle <mathsf <4>+2O_<2>
ightarrow CO_<2>+2H_<2>O+891 >>> .

При комнатной температуре и стандартном давлении метан является бесцветным газом без запаха [19] . Знакомый запах природного газа, который используется дома, обычно достигается добавлением смесио доранта, содержащей трет-бутилтиол, в качестве меры безопасности. Метан имеет температуру кипения −164 ° C при давлении в одну атмосферу [20] . Как газ, он легко воспламеняется при объёмных концентрациях в воздухе от 4,4 % до 17 % при стандартном давлении.

Твердый метан существует в нескольких модификациях. В настоящее время известно девять [21] .

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

C H 4 + C l 2 → C H 3 C l + H C l <displaystyle <mathsf <4>+Cl_<2>
ightarrow CH_<3>Cl+HCl>>> , C H 3 C l + C l 2 → C H 2 C l 2 + H C l <displaystyle <mathsf <3>Cl+Cl_<2>
ightarrow CH_<2>Cl_<2>+HCl>>> , C H 2 C l 2 + C l 2 → C H C l 3 + H C l <displaystyle <mathsf <2>Cl_<2>+Cl_<2>
ightarrow CHCl_<3>+HCl>>> , C H C l 3 + C l 2 → C C l 4 + H C l <displaystyle <mathsf <3>+Cl_<2>
ightarrow CCl_<4>+HCl>>> .

Выше 1400 °C разлагается по реакции:

2 C H 4 → C 2 H 2 + 3 H 2 <displaystyle <mathsf <2CH_<4>
ightarrow C_<2>H_<2>+3H_<2>>>> .

C H 4 + 3 [ O ] → H C O O H + H 2 O <displaystyle <mathsf <4>+3[O]
ightarrow HCOOH+H_<2>O>>> .

Соединения включения [ править | править код ]

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

Применение метана [ править | править код ]

Метан используется в качестве топлива для печей, водонагревателей, автомобилей [22] [23] , турбин и др. Для хранения метана используется активированный уголь. Жидкий метан в сочетании с жидким кислородом также используется в качестве ракетного топлива, например в двигателях BE-4 и Raptor [24] .

Как основной компонент природного газа, метан важен для производства электроэнергии, сжигая его в качестве топлива в газовой турбине или парогенераторе. По сравнению с другими видами углеводородного топлива метан производит меньше углекислого газа на каждую единицу выделенного тепла. При температуре около 891 кДж/моль теплота сгорания метана ниже, чем у любого другого углеводорода. Тем не менее, он производит больше тепла на массу (55,7 кДж/г), чем любая другая органическая молекула из-за его относительно большого содержания водорода, что составляет 55 % теплоты сгорания [25] , но отдаёт только 25 % молекулярной массы метана. Во многих городах метан подается в дома для отопления и приготовления пищи. В этом контексте его обычно называют природным газом, содержание энергии в котором составляет 39 мегаджоулей на кубический метр. Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой преимущественно метан (CH₄), превращаемый в жидкую форму для удобства хранения или транспортировки.

Рафинированный жидкий метан используется в качестве ракетного топлива [26] . Метан, как сообщается, имеет преимущество перед керосином в том, что он наносит меньше углерода на внутренние части ракетных двигателей, что уменьшает сложность повторного использования ускорителей.

Метан используется в качестве сырья в органическом синтезе, в том числе для изготовления метанола.

Физиологическое действие [ править | править код ]

Метан является самым физиологически безвредным газом в гомологическом ряду парафиновых углеводородов. Физиологическое действие метан не оказывает и неядовит (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. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки удушья (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 случаи гибели людей от удушья при вдыхания смеси метана с воздухом весьма редки.

Первая помощь при тяжелом удушье: 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 код ]

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

ПДК метана в воздухе рабочей зоны составляет 7000 мг/м³ [7] .

Биологическая роль [ править | править код ]

Показано, что эндогенный метан способен вырабатываться не только метаногенной микрофлорой кишечника, но и клетками эукариот, и что его образование значительно возрастает при экспериментальном вызывании клеточной гипоксии, например, при нарушении работы митохондрий при помощи отравления организма экспериментального животного азидом натрия, известным митохондриальным ядом. Высказывается предположение, что образование метана клетками эукариот, в частности животных, может быть внутриклеточным или межклеточным сигналом испытываемой клетками гипоксии [27] .

Также показано увеличение образования метана клетками животных и растений под влиянием различных стрессовых факторов, например, бактериальной эндотоксемии или её имитации введением бактериального липополисахарида, хотя, возможно, этот эффект наблюдается не у всех видов животных (в эксперименте исследователи получили его у мышей, но не получили у крыс) [28] . Возможно, что образование метана клетками животных в подобных стрессовых условиях играет роль одного из стрессовых сигналов.

Предполагается также, что метан, выделяемый кишечной микрофлорой человека и не усваиваемый организмом человека (он не метаболизируется и частично удаляется вместе с кишечными газами, частично всасывается и удаляется при дыхании через лёгкие), не является «нейтральным» побочным продуктом метаболизма бактерий, а принимает участие в регуляции перистальтики кишечника, а его избыток может вызывать не только вздутие живота, отрыжку, повышенное газообразование и боли в животе, но и функциональные запоры [29] .

Метан и экология [ править | править код ]

Является парниковым газом, более сильным в этом отношении, 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 того же молярного объёма метана составит 21-25 единиц [30] [31] .

С 1750 года концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась примерно на 150 %, и на её долю приходится 20 % от общего радиационного воздействия всех долгоживущих и глобально смешанных парниковых газов [32] .

Природный газ (метан CH4) не имеет никакого запаха. Чтобы легче обнаруживать его утечку из бытовых нагревательных приборов и газопроводов, к нему добавляют немного фосфина PH3, запах которого ("запах газа") ощущается, если в 10 м3 природного газа находится всего 0,01 мл фосфина. Рассчитайте число молекул фосфина в 0,01 мл (н.у.) этого газа.

Попроси больше объяснений
Следить
Отметить нарушение

11.09.2018

Что ты хочешь узнать?

Ответ

Проверено экспертом

V (PH₃) = 0,01 мл.

1. Найдём количество вещества PH₃. По формуле: n = V : Vm; где n — количество вещества (моль), V — объём (л), Vm — молярный объём (н.у.) газа, постоянная величина, равная 22,4 (л/моль).

V (PH₃) = 0,00001 л : 22,4 л/моль = 0,000000446 (моль).

Теперь найдём число молекул. По формуле: N = Na · n; где N — число молекул, Na — число Авогадро, постоянная величина, равная 6,02 · 10²³ (молекул/моль), n — количество вещества (моль).

N (PH₃) = 6,02 · 10²³ молекул/моль · 0,000000446 моль ≈ 2,69 · 10¹⁷ (молекул).

Ответ: 2,69 · 10¹⁷ молекул.

Основной компонент природных (77—99 %), попутных нефтяных (31—90 %), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, рубце жвачных животных) образуется биогенно. Получается также при коксовании каменного угля, гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.

Классификация по происхождению:

абиогенный — образован как результат химических реакций неорганических соединений;
биогенный — образован как результат химической трансформации органического вещества;
бактериальный (микробный) — образован в результате жизнедеятельности бактерий;
термогенный — образован в ходе термохимических процессов.

Предположительно, что на поверхности Титана (спутник Сатурна) в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано [источник не указан 27 дней] -этановой смеси.

Получение

Возможно получение метана сплавлением ацетата натрия с гидроксидом натрия [7] :

Химические свойства

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1 м³. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 5 до 15 процентов. Точка замерзания −184 o С (при нормальном давлении)

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

Выше 1400 °C разлагается по реакции:

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

Соединения включения

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

Применение метана

Топливо.
Сырьё в органическом синтезе.

Физиологическое действие

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, сходные с горной болезнью.

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

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 глазо-сердечный рефлекс, резко выраженная атропиновая проба, гипотония) из-за весьма слабого наркотического действия этих веществ, сходного с наркотическим действием диэтилового эфира.

Метан и экология

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 [8] .

ПДК метана в воздухе рабочей зоны составляет 7000 мг/м 3 [9] .

Ссылки

Примечания

↑Обзор: Растворимость некоторых газов в воде
↑Статья «Метан» на сайте «Химик»
↑ З. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане «Органическая химия», М. «Химия», 1979, стр. 203.
↑ Куценко С. А. Основы токсикологии / С.А. Куценко. — СПб.: Фолиант, 2004.
↑ГОСТ Р 52136-2003
↑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)
↑Б. А. Павлов, А. П. Терентьев. Курс органической химии. — Издание шестое, стереотипное. — M.: Химия, 1967. — С. 58.
↑EBRD Methodology for Assessment of Greenhouse Gas Emissions, Version 3 February 2009 (англ.)
↑Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»

Углеводороды
Алканы	Метан • Этан • Пропан • Бутан • Пентан • Гексан • Гептан • Октан • Нонан • Декан • Ундекан • Додекан • Тридекан • Тетрадекан • Гексадекан • Эйкозан .
Алкены	Этилен • Пропен • Бутен • Пентен • Гексен • Гептен • Октен .
Алкины	Ацетилен • Пропин • Бутин
Диены	Пропадиен • Бутадиен • Изопрен
Другие ненасыщеные	Винилацетилен • Диацетилен
Циклоалканы	Циклопропан • Циклобутан • Циклопентан • Циклогексан • Декалин • Индан
Ароматические	Бензол • Толуол • Диметилбензолы • Этилбензол • Пропилбензол • Кумол • Стирол • Фенилацетилен • Индан • Циклобутадиен • Дифенил • Дифенилметан • Трифенилметан • Тетрафенилметан
Полициклические	Нафталин • Антрацен • Пентацен • Фенантрен • Пирен • Бензпирен • Азулен • Хризен

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Метан" в других словарях:

МЕТАН — (СН4), УГЛЕВОДОРОД без цвета и запаха, простейший АЛКАН (или парафин). Метан является основным компонентом ПРИРОДНОГО ГАЗА, из которого метан и получают, и РУДНИЧНОГО ГАЗА. Метан взрывается, когда его смешивают с кислородом и поджигают. Этот газ… … Научно-технический энциклопедический словарь

МЕТАН — Метиловый водород, болотный газ, состоящий из двух атомов углерода и четырех атомов водорода. Объяснение 25000 иностранных слов, вошедших в употребление в русский язык, с означением их корней. Михельсон А.Д., 1865. МЕТАН метиловый водород,… … Словарь иностранных слов русского языка

Метан — газообразный углеводород СН4, первый член ряда метановых или парафиновых углеводородов (см Ряды углеводородов гомологические). tкип 161,6°С. Масса 1 л М. при 0°С и давлении 760 мм 0,7168 г. М. главная составная часть большинства природных… … Геологическая энциклопедия

метан — а, м. méthane m. англ. methane <гр. вино. Простейшее соединение водорода с углеродом; болотный или рудничный газ. БАС 1. Метановый ая, ое. Лекс. Брокг. метан; Уш. 1938: мета/н; БСЭ 2: мета/новое брожение … Исторический словарь галлицизмов русского языка

МЕТАН — CH4, бесцветный газ, tкип 164 .C. Основной компонент природных (77 99%), попутных нефтяных (31 90%), рудничного и болотного газов. Горит бесцветным пламенем. С воздухом образует взрывоопасные смеси. Сырье для получения многих ценных продуктов… … Большой Энциклопедический словарь

МЕТАН — МЕТАН, метана, мн. нет, муж. (от греч. methy мед) (хим.). То же, что болотный газ (см. болотный). Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

МЕТАН — МЕТАН, а, муж. Горючий болотный или рудничный газ без цвета и запаха, соединение углерода с водородом. | прил. метановый, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

Метан — CH4, насыщенный углеводород парафинового ряда. В стандартных условиях М. газ без цвета к запаха, относится к пожаро и взрывоопасным веществам. Молекулярная масса 16,04 кг/кмоль, температура плавления 90,66 К, температура кипения 111,67 К,… … Энциклопедия техники

метан — сущ., кол во синонимов: 4 • алкан (37) • газ (55) • топливо (48) • … Словарь синонимов

МЕТАН — (СН4) простейший углеводород; газ без цвета и запаха; легче воздуха; смесь М. с воздухом взрывоопасна. Образуется в природе при разложении органических веществ без доступа воздуха (напр., на дне болот, в рудниках отсюда названия М.: болотный газ … Российская энциклопедия по охране труда