Метан

найпростіша органічна сполука вуглецю з воднем

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

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 15994
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
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
ΔfHo
298
−74.6 kJ·mol−1
Ст. ентальпія
згоряння
ΔcHo
298
−891 kJ·mol−1
Ст. ентропія So
298
186.3 J·(K·mol)−1
Теплоємність, co
p
35.7 J·(K·mol)−1
Небезпеки
ГГС піктограми GHS02: Вогненебезпечно
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

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 ред.

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 ред.

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, tпл = −182,49 °C, tкип = −161,56 °C, критичний тиск 4,58 МПа, критична температура −82 °С, температура спалаху 87,8 °C, температура самозаймання 537,8 °C.

Будова молекули ред.

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 ред.

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 ред.

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:

 

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 ред.

 
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

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 ред.

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 ред.

  • 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 ред.

Примітки ред.

  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 H2C2• and HC3•, 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. 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. Процитовано 19 лютого 2024. 
  10. а б 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 ред.

Література ред.

  • 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.