CH4

Метан
Methane-CRC-MW-dimensions-2D.png
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
Рег. номер EINECS 200-812-7
SMILES
InChI
RTECS PA1490000
ChEBI 16183
Номер ООН 1971
ChemSpider
Безопасность
Токсичность
NFPA 704.svg
Hazard F.svg
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Мета́н (лат. methanum), CH4[5] — простейший по составу предельный углеводород, бесцветный газнормальных условиях) без запаха[6]. 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[7]. Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему[8].

Накапливаясь в закрытом помещении, метан становится взрывоопасен. Обогащают одорантами, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. На промышленных производствах утечки фиксируют датчики, и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств поставляется без добавления одорантов.

Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 % до 17 %[9]. Наиболее взрывоопасная концентрация 9,5 %. Проявляет наркотические свойства; наркотическое действие ослабляется малой растворимостью в воде и крови. Класс опасности — четвёртый[10].

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


История

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

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].

По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан[15].

Предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси[16]. Велика доля метановых льдов и на поверхности Седны.

В промышленности

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

Классификация по происхождению

  • 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

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

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[17]:

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

Также возможно биологическое получение метана, см. Биогаз.

Химические свойства

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:

.

С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 4,4 % до 17 %.

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 распространённые в природе.

Применение метана

Физиологическое действие

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

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[19].

Биологическая роль

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[20].

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)[21]. 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[22].

Метан и экология

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[23][24].

Примечания

  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. Smith J. M., H.C. Van Ness, M.M. Abbott Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics // J. Chem. Educ.American Chemical Society, 1950. — Vol. 27, Iss. 10. — P. 789. — ISSN 0021-9584; 1938-1328doi:10.1021/ED027P584.3
  4. https://sites.google.com/site/ellesmerealevelchemistry/module-3-periodic-table-energy/3-2-physical-chemistry-1/3-2-1-enthalpy-changes/3-2-1-d-enthalpy-change-definitions
  5. Львов М. Д. Болотный газ или метан // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  6. Статья «Метан» на сайте «Химик»
  7. З. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане «Органическая химия», М. «Химия», 1979, стр. 203.
  8. Куценко С. А. Основы токсикологии / С. А. Куценко. — СПб.: Фолиант, 2004.
  9. ГОСТ Р 52136-2003
  10. 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)
  11. 1 2 Наталья Ржевская Тепло мерзлоты // В мире науки. — 2016. — № 12. — С. 67—73.
  12. 1 2 Леонид Юрганов. Метан над Арктикой (рус.) // Наука и жизнь. — 2017. — № 11. — С. 24.
  13. A. W. Hofmann (1866) "On the action of trichloride of phosphorus on the salts of the aromatic monoamines, " Proceedings of the Royal Society of London, 15 : 55—62; see footnote on pp. 57-58.
  14. James Michael McBride (1999) «Development of systematic names for the simple alkanes». Available online at Chemistry Department, Yale University (New Haven, Connecticut). Архивная копия от 16 марта 2012 на Wayback Machine
  15. Atreya, S.K.; Mahaffy, P.R.; Niemann, H.B. et al. Composition and origin of the atmosphere of Jupiter—an update, and implications for the extrasolar giant planets (англ.) // Planetary and Space Sciences (англ.) : journal. — 2003. — Vol. 51. — P. 105—112. — DOI:10.1016/S0032-0633(02)00144-7.
  16. Tidal effects of disconnected hydrocarbon seas on Titan
  17. Б. А. Павлов, А. П. Терентьев. Курс органической химии. — Издание шестое, стереотипное. — M.: Химия, 1967. — С. 58.
  18. SpaceX test-fires the engines that could take humans to Mars — The Verge
  19. Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»
  20. Tuboly E. et al. Methane biogenesis during sodium azide-induced chemical hypoxia in rats (англ.) // American Physiological Society (англ.). — 15 January 2013. — Vol. 304, no. 2. — P. 207—214. — DOI:10.1152/ajpcell.00300.2012. — PMID 23174561.
  21. Tuboly E, Szabó A, Erős G, Mohácsi A, Szabó G, Tengölics R, Rákhely G, Boros M. Determination of endogenous methane formation by photoacoustic spectroscopy. // J Breath Res.. — Dec 2013. — Т. 7, вып. 7(4), № 4. — DOI:10.1088/1752-7155/7/4/046004. — PMID 24185326.
  22. Sahakian AB, Jee SR, Pimentel M. Methane and the gastrointestinal tract. // Dig Dis Sci. — Aug 2010. — Т. 55, вып. 55(8), № 8. — С. 2135—2143. — DOI:10.1007/s10620-009-1012-0. — PMID 19830557.
  23. EBRD Methodology for Assessment of Greenhouse Gas Emissions, Version 7, 6 July 2010 Архивная копия от 13 мая 2015 на Wayback Machine (англ.)
  24. Non-CO2 Greenhouse Gases: Scientific Understanding, Control and Implementation (ed. J. van Ham, Springer 2000, ISBN 9780792361992): 4. Impact of methane on climate, page 30 «On a molar basis, an additional mole of methane in the current atmosphere is about 24 times more effective at absorbing infrared radiation and affecting climate than an additional mole of carbon dioxide (WMO, 1999)»

Литература

Ссылки