Метан

Метан
Загальні властивості
Молекулярна формула	CH4
SMILES	C
Молярна маса	16,04 г/моль
Зовнішній вигляд	безбарвний газ
Номер CAS	[74-82-8]
Властивості
Густина і агрегатний стан	0,717 кг/м³, газ
Розчинність в воді	? г/100 мл (? °C)
Температура плавлення	−182,5 °C при 1 атм
Температура кипіння	−161,6 °C (111,55 K)
Потрійна точка	90,7 K, 0,11 бар
Будова
Форма молекули	Тетраедр
Дипольний момент	нуль
Небезпека
Температура спалаху	−188 °C
Температура самозагоряння	537 °C
Межі вибухонебезпеки	5—15 %
Родинні сполуки
Родинні алкани	Етан Пропан
Інші сполуки	Метанол Хлорметан

Молекула метану

Мета́н (рос. метан, англ. methane, нім. Methan n) — найпростіша органічна сполука вуглецю з воднем, природний безбарвний газ без запаху, хімічна формула — CH₄.

Зустрічається в осадовому чохлі земної кори у вигляді вільних скупчень (покладів), в розчиненому (в нафті, пластових і поверхневих водах), розсіяному, сорбованому (породами і органіч. речовиною) і твердому (газогідратному) станах.

При використанні в побуті, до метану звичайно додають одоранти зі специфічним «запахом газу».

Фізичні властивості

Метан — безбарвний газ без запаху і смаку, майже у два рази легший від повітря. У воді малорозчинний.

Має густину за повітрям 0,555 (20 °C); молекулярна маса 16,04, t_пл = −182,49 °C, t_кип = −161,56 °C, критичний тиск 4,58 МПа, критична температура −82,°С, температура спалаху 87,8 °C, температура самозаймання 537,8 °C.

Будова молекули

Молекулярна формула СН₄. Структурна і електронна формули:

  Н
  |
Н—С-Н
  |
  H

Молекула метану в декартових координатах (в ангстремах):

C     0.000000     0.000000     0.000000
H     0.000000     0.000000     1.089000
H     1.026719     0.000000    -0.363000
H    -0.513360    -0.889165    -0.363000
H    -0.513360     0.889165    -0.363000

Молекула метану у вигляді z-матриці:

C
H   1 1.089000     
H   1 1.089000  2  109.4710      
H   1 1.089000  2  109.4710  3  120.0000   
H   1 1.089000  2  109.4710  3 -120.0000

Хімічні властивості

Перший член гомологічного ряду насичених (метанових) вуглеводнів. Метан являє собою малоактивну в хімічному відношенні речовину. При звичайних умовах він досить стійкий до дії кислот, лугів і окисників. Так, при пропусканні метану через розчин KMnO₄, який є досить сильним окисником, він не окислюється і фіолетове забарвлення розчину не зникає. В реакції приєднання (сполучення) метан не вступає, оскільки в його молекулі всі чотири валентності атома вуглецю повністю насичені. Для метану, як і інших насичених вуглеводнів, типовими є реакції заміщення, при яких атоми водню заміщаються атомами інших елементів або атомними групами. Характерна для метану також реакція з хлором, яка відбувається при звичайній температурі під впливом розсіяного світла (при прямому сонячному світлі може статися вибух). При цьому атоми водню в молекулі метану послідовно заміщаються атомами хлору:

• CH₄ + Cl₂ = CH₃Cl + HCl
• CH₃Cl + Cl₂ = CH₂Cl₂ + HCl
• CH₂Cl₂ + Cl₂ = CHCl₃ + HCl
• CHCl₃ + Cl₂ = CCl₄ + HCl

Внаслідок реакції утворюється суміш хлоропохідних метану.

В атмосфері повітря метан горить безбарвним полум'ям з виділенням значної кількості тепла:

• CH₄ + 2O₂ = СО₂ + 2Н₂О

З повітрям метан утворює вогненебезпечну вибухову суміш. При нагріванні метану без доступу повітря до температури вище 1000 °C він розкладається на елементи — на вуглець (сажу) і водень:

• CH₄ = С + 2Н₂

Поширення в природі

Метан є основним компонентом:

• газів природних горючих (до 99,5 %),
• нафтових попутних (39-91 %),
• болотяних (понад 99 %) і рудникових (34-48 %) газів;
• присутній у газах грязьових вулканів (понад 95 %),
• спорадично зустрічається у вулканічних газах і в газах магматичних і метаморфічних порід.

Велика кількість метану розчинена у водах океанів, морів, озер. Середній вміст метану у водах Світового океану близько 10^-2 см³/л, загальна кількість — 14·10¹² м³. Кількість метану, розчиненого у пластових водах, на декілька порядків вища від його промислових запасів.

Метан присутній також в атмосферах Землі, Юпітера, Сатурна, Урану; в газах поверхневого ґрунту Місяця. Основна маса метану літо- і гідросфери Землі утворилася при біохімічній і термокаталітичній деструкції розсіяної органічної речовини, вугілля і нафт. Метан утворюється при анаеробному розкладанні органічних речовин, зокрема целюлози (метанове бродіння).

В природі Землі метан досить поширений. Горючі природні гази складаються на 90—97 % з метану. Він утворює багато родовищ, з яких добувається і по газопроводах подається до місця використання. На дні болот і ставків метан утворюється внаслідок розкладу залишків рослин без доступу повітря. Тому його називають ще болотним газом. Під назвою «рудниковий газ» метан нагромаджується у вугільних шахтах, внаслідок виділення з пластів вугілля і супутніх порід, в яких знаходиться у вільному та зв'язаному вигляді. На діючих шахтах спостерігається виділення метану з вугільних пластів у обсязі до 70—80 м³/т с. б. м. (т с. б. м. — тонна сухої беззольної маси), що робить економічно доцільним його самостійне або супутнє (дегазація) видобування з вугільних родовищ.

Рудниковий газ дуже небезпечний, оскільки з повітрям може утворювати вибухову суміш. Найбільш вибухонебезпечні концентрації метану у повітрі — 9—14 %.

Основний компонент природних (77—99 %), супутніх нафтових (31—90 %), рудникового та болотного газів. Є парниковим газом.

При низьких температурах метан утворює сполуки включення — газові гідрати, що широко розповсюджені в природі.

Газові гідрати — тверді кристалічні речовини густиною 880—890 кг/м³, схожі на сніг або лід. Гідратоутворення відбувається в пористому середовищі осадового чохла з формуванням газогідратних покладів.

Одержання

У лабораторіях метан можна одержати при нагріванні ацетату натрію з твердим гідроксидом натрію або при дії води на карбід алюмінію:

• CH₃COONa + NaOH = Na₂CO₃ + CH₄ ↑
• Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄ ↑

Застосування

Паливо

Фізичні основи

Сонце · Сонячна радіація Фотосинтез · Рослини · Біомаса Гуміфікація · Скам'яніння Горіння

Викопне паливо

Вугілля · Горючі сланці · Кристалогідрати · Нафта · Природний газ · Торф

Природне невикопне паливо

Водорості · Деревина · Рослинні і тваринні жири та олії · Трава

Штучне паливо

Біопаливо · ВВВС · Генераторні гази · Кокс · Моторні палива

Концепції

Енергетична біосировина

Великі кількості метану використовуються як зручне і дешеве паливо. Неповне спалювання метану дає сажу, яка йде на виготовлення друкарської фарби і як наповнювач каучуку, а при термічному розкладі (вище 1000 °C) одержують сажу і водень, який використовують для синтезу амоніаку. Продукт повного хлорування метану — тетрахлорид вуглецю CCl₄ — є добрим розчинником жирів і застосовується для екстрагування жирів з зерен олійних рослин. Метан служить також вихідною речовиною для одержання ацетилену, метилового спирту і багатьох інших хімічних продуктів.

Метан як фактор вуглевидобутку

З повітрям Метан утворює вибухові суміші. При вмісті в повітрі до 5-6 % Метан горить біля джерела тепла (т-ра запалення 650—750 °С), при вмісті 5-15,2(16)% — вибухає, понад 16 % — може горіти при припливі кисню, зниження при цьому концентрації Метану вибухонебезпечне. Метан має слабку наркотичну дію. ГДК 300 мг/м³. Виділення Метану у виробітках шахт створює особливу небезпеку при видобутку вугілля. Розрізняють три форми виділення Метан в гірничих виробітках: звичайне, суфлярне і раптове. За метановістю, відповідно до «Правил безпеки у вугільних та сланцевих шахтах», шахти поділяють на п'ять категорій. Критерієм такого поділу є відносна метановість, тобто кількість метану у кубометрах, що виділяється за добу на 1 т середньодобового видобутку: з виділенням метану до 5 м³/т; 5 — 10 м³/т; 10 — 15 м³/т; надкатегорійні — понад 15 м³/т; небезпечні за суфлярними виділеннями. Шахти, що розробляють пласти, небезпечні або загрозливі за раптовими викидами вугілля, газу й породи, належать до особливої категорії — небезпечних за раптовими викидами. Перспективним вважається видобуток метану з вугільних пластів (Див. метаноносність вугільного пласта, метан вугільних родовищ). В кінці ХХ ст. цією проблемою тільки в США займалися науковці бл. 40 університетів, задіяно бл. 100 фірм. Перші промислові спроби використати попутний метан (при вуглевидобутку) провадяться і в Україні, на Донбасі. У промисловості метан застосовують для одержання синтезгазу, ацетилену, хлороформу, чотирихлористого вуглецю, технічного вуглецю та ін. Продукти неповного окиснення метану є вихідними для виготовлення пластмас, використовуються в органічному синтезі.

Див. також

• Болотяний газ,
• Гази природні горючі,
• Природний газ,
• Газова промисловість,
• Газовий режим,
• Градієнт метановості вугільних шахт,
• Метан вугільних родовищ
• Метанова зона
• Метановість виробок,
• Метаноємність вугілля,
• Сигналізатор метану
• Термокондуктометричний датчик метану

також гавно вишло

Джерела

• Деркач Ф. А. «Хімія» Л. 1968
• Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.