Метан

Метан
Стерео, скелетна формула метану з доданими вимірами
Модель метану з кульок і паличок	Компактна модель метану
Систематична назва	Carbane (не рекомендується ніколи[1])
Інші назви	болотний газ природний газ карбону тетрагідрид карбюрований гідроген гідрогену карбід
Ідентифікатори
Номер CAS	74-82-8
PubChem	297
Номер EINECS	200-812-7
DrugBank	DB15994
KEGG	C01438
Назва MeSH	Methane
ChEBI	16183
RTECS	PA1490000
SMILES	C
InChI	InChI=1S/CH4/h1H4
Номер Бельштейна	1718732
Номер Гмеліна	59
3DMet	B01453
Властивості
Молекулярна формула	CH4
Молярна маса	16,04 г/моль
Зовнішній вигляд	безбарвний газ
Запах	без запаху
Густина	0.657 kg·m^−3 (газ, 25 °C, 1 atm) 0.717 kg·m^−3 (газ, 0 °C, 1 atm)[2] 422.8 g·L^−1 (рідина, −162 °C)[3]
Тпл	-182.456
Критична точка (T, P)	190,56 К (−82,59 °C; −116,66 °F), 4,5992 мегапаскаля (45,391 атм)
Розчинність (вода)	22.7 mg·L^−1[4]
Розчинність	розчинний в етанолі, діетиловому етері, бензені, толуені, метанолі, ацетоні і нерозчинний у воді
Структура
Геометрія	тетраедр
Дипольний момент	0 D
Термохімія
Ст. ентальпія утворення ΔfH^o 298	−74.6 kJ·mol^−1
Ст. ентальпія згоряння ΔcH^o 298	−891 kJ·mol^−1
Ст. ентропія S^o 298	186.3 J·(K·mol)^−1
Теплоємність, c^o p	35.7 J·(K·mol)^−1
Небезпеки
ГГС піктограми
ГГС формулювання небезпек	220
ГГС запобіжних заходів	210
NFPA 704	4 2 0
Вибухові границі	4.4–17 %
Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

Молекула метану

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

Метан є основною складовою природного газу. Крім того, він міститься в кам'яновугільних пластах — під час їхньої розробки утворюються вибухонебезпечні суміші метану з повітрям, так званий «рудниковий газ».

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

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

Поширення у 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, Марса, Юпітера, Сатурна, Урана; в газах поверхневого ґрунту Місяця^[6]. Метан, який досягає поверхні й атмосфери, називають атмосферний метан^[en][7]. 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 боліт 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. Найвибухонебезпечніші концентрації метану у повітрі — 9—14 %.

Основний компонент природних (77—99 %), супутніх нафтових (31—90 %), рудникового та болотяного 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.

Фізичні властивості

Метан — безбарвний газ без запаху та смаку, майже у два рази легший від повітря. У воді малорозчинний. На повітрі або в атмосфері кисню він горить слабкосвітним полум'ям. Його суміш з повітрям або киснем вогне- та вибухонебезпечна.

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

Отримання

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 ↑

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. У 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.

Також вступає у реакцію сульфохлорування — взаємодію із сумішшю хлору та діоксиду сірки з утворенням метансульфохлориду:

${\displaystyle {\ce {H3C-H +SO2 +Cl2 ->H3C-SO2-Cl +HCl}}}$

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

При температурі 1500 °C без доступу кисню і наступному охолодженні відбувається піроліз метану до ацетилену і водню:

2CH₄ → С₂H₂ + 3H₂

Застосування

Паливо

Фізичні основи

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

Викопне паливо

Вугілля · Горючі сланці · Гідрат метану · Нафта · Природний газ · Торф

Природне невикопне паливо

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

Штучне паливо

Біопаливо · Генераторні гази · Кокс · Моторні палива

Концепції

Енергетична біосировина

п о р

Велика кількість метану використовується як зручне і дешеве паливо^[8][9]. 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 із зерен олійних рослин. Метан служить також вихідною речовиною для одержання ацетилену, метилового спирту і багатьох інших хімічних продуктів.

Метан (природний газ, стиснений природний газ — СПГ, CNG) як моторне пальне — найбезпечніший і екологічно чистий вид пального. Використання СПГ як моторного пального зростає завдяки низці переваг у порівнянні з бензиновим і дизельним паливом.

Метан як рудниковий газ

З повітрям метан утворює вибухові суміші. При вмісті в повітрі до 5−6 % метан горить біля джерела тепла (температура 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 метану в гірничих виробках: звичайне, суфлярне і раптове. За метановістю, відповідно до «Правил безпеки у вугільних шахтах», шахти поділяють на п'ять категорій. Критерієм такого поділу є відносна метановість, тобто кількість метану в кубометрах, що виділяється за добу на 1 т середньодобового видобутку:

• з виділенням метану до 5 м³/т;
• 5—0 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). Наприкінці XX 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.

Цікаві факти

• Чорне море багате на поклади метану, вони виявлені на глибинах 300—1000 м. У центральній глибоководній частині моря запаси оцінюють у 20—30 трлн м³, а загалом у Чорному морі, за прогнозами геологів України і Росії, міститься 60—80 трлн м³ цього газу^[10]. Очікувані запаси газу тільки в осадових породах в українській частині чорноморського дна — 7—10 трлн м³. Цього, при збереженні рівня споживання 2012 року, вистачить на сто років^[10].

Див. також

• Болотяний газ
• Градієнт метановості вугільних шахт
• Метан вугільних родовищ
• Метанова зона
• Метановість виробок
• Метаноємність вугілля
• Природні горючі гази
• Сигналізатор метану
• Термокондуктометричний датчик метану
• Біометан

Примітки

1. Front Matter. Nomenclature of Organic Chemistry : IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013 (Blue Book). Cambridge: The Royal Society of Chemistry. 2014. с. 3—4. doi:10.1039/9781849733069-FP001. ISBN 978-0-85404-182-4. Methane is a retained name (see P-12.3) that is preferred to the systematic name ‘carbane’, a name never recommended to replace methane, but used to derive the names ‘carbene’ and ‘carbyne’ for the radicals H₂C^2• and HC^3•, respectively.
2. Gas Encyclopedia. Архів оригіналу за 26 грудня 2018. Процитовано 7 листопада 2013.
3. Haynes, p. 3.344
4. Haynes, p. 5.156
5. NOAA Office of Response and Restoration, US GOV. METHANE. noaa.gov. Архів оригіналу за 9 січня 2019. Процитовано 20 березня 2015.
6. Etiope, Giuseppe; Sherwood Lollar, Barbara (1 квітня 2013). Abiotic Methane on Earth. Reviews of Geophysics. Т. 51. с. 276—299. doi:10.1002/rog.20011. ISSN 8755-1209. Процитовано 19 лютого 2024.
7. Khalil, M. A. K. (1999-11). N ON -CO 2 G REENHOUSE G ASES IN T HE A TMOSPHERE. Annual Review of Energy and the Environment (англ.). Т. 24, № 1. с. 645—661. doi:10.1146/annurev.energy.24.1.645. ISSN 1056-3466. Процитовано 19 лютого 2024.
8. Lumber Company Locates Kilns at Landfill to Use Methane - Energy Manager Today. web.archive.org. 9 липня 2019. Архів оригіналу за 9 липня 2019. Процитовано 19 лютого 2024.
9. Natural Gas Cars: CNG Fuel Almost Free in Some Parts of the Country | Gas 2. web.archive.org. 20 січня 2019. Архів оригіналу за 20 січня 2019. Процитовано 19 лютого 2024.
10. Андрушків Б., Вовк І., Погайдак О. Удосконалення економічного інструментарію пошуку нових ресурсів в умовах пострадянського суспільства [Архівовано 14 жовтня 2013 у Wayback Machine.] // Галицький економічний вісник. Науковий журнал [Архівовано 14 жовтня 2013 у Wayback Machine.]. — 2012. № 3 (36) (с.:80-81) [Архівовано 14 жовтня 2013 у Wayback Machine.]

Джерела

• Деркач Ф. А. «Хімія» Л. 1968
• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.
• Органічна хімія: Підруч. для студ. вищ. навч. закл. / Л. Д. Бобрівник, В. М. Руденко, Г. О. Лезенко. — К.; Ірпінь: ВТФ «Перун», 2005. — C. 143—144.
• Саранчук В. І., Ільяшов М. О., Ошовський В. В., Білецький В. С. Основи хімії і фізики горючих копалин. (Підручник з грифом Мінвузу). — Донецьк: Східний видавничий дім, 2008. — 640 с.

Література

• Метан і парниковий ефект атмосфери: (екол., біохім. та мікробіол. аспекти) / Л. І. Сологуб, Г. Л. Антоняк, Г. О. Богданов [та ін.]. − Л. : ПАІС, 2008. − 275 с. : табл. − Бібліогр. : с. 185−275 (1057 назв). − ISBN 978-966-7651-81-7.
• Ластухін Ю. О., Воронов С. А. Органічна хімія. — 3-є. — Львів: Центр Європи, 2006. — 864 с. — ISBN 966-7022-19-6.