Метан

Метан
Общие
Рац. формула	CH4
Физические свойства
Молярная масса	16,04 г/моль
Плотность	газ (0 °C) 0,7168 кг/м³; жидкость (−164,6 °C) 415 кг/м³
Термические свойства
Т. плав.	−182,49 °C
Т. кип.	−161,58 °C
Т. свспл.	537,8 °C
Пр. взрв.	4,4−17,0 %
Химические свойства
Растворимость в воде	0,02 г/кг
Классификация
Рег. номер CAS	74-82-8
SMILES	C
Безопасность
Токсичность	4 1 0
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Получение метана

Метан — простейший предельный углеводород, имеющий химическую формулу CH₄.

Физические свойства

Метан — бесцветный газ без запаха и вкуса, почти в два раза легче воздуха, растворимый в воде.

Имеет плотность по воздуху 0,555 (при температуре 20 ° C); молекулярная масса 16,04, t_пл = −182,49 °C, t_кип = −161,56 °C, критическое давление 4,58 МПа, критическая температура −82 ° С, температура вспышки 87,8 °C, температура самовоспламенения 537,8 °C.

Химические свойства

Первый член гомологического ряда насыщенных (метановых) углеводородов. Метан представляет собой малоактивное в химическом отношении вещество. При обычных условиях он достаточно устойчив к воздействию кислот, щелочей и окислителей. Так, при пропускании метана через раствор KMnO₄, который является достаточно сильным окислителем, он не окисляется, и фиолетовая окраска раствора не исчезает. В реакции присоединения (ассоциации) метан не вступает, поскольку в его молекуле все четыре валентности атома углерода полностью насыщены. Для метана, как и других насыщенных углеводородов, типичны реакции замещения, при которых атомы водорода замещаются атомами других элементов или атомными группами. Характерна для метана также реакция с хлором, которая происходит при обычной температуре под влиянием рассеянного света (при прямом солнечном свете может произойти взрыв). При этом атомы водорода в молекуле метана последовательно замещаются атомами хлора:

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

Вследствие реакции образуется смесь хлорпроизводных метана.

В атмосфере воздуха метан горит бесцветным пламенем с выделением значительного количества тепла:

• CH₄ + 2O₂ = СО₂ + 2Н₂О

С воздухом метан образует огнеопасную взрывную смесь. При нагревании метана без доступа воздуха до температуры выше 1000 ° C он разлагается на элементы — на углерод (сажу) и водород:

• CH₄ = С + 2Н₂

Распространение в природе

Метан является основным компонентом:

• природных горючих газов (до 99,5 %),
• попутных нефтяных газов (39−91 %),
• болотных (99 %) и рудничных (34−48 %) газов;
• присутствует в газах грязевых вулканов (более 95 %),
• спорадически встречается в вулканических газах и в газах магматических и метаморфических пород.

Большое количество метана растворено в водах океанов, морей, озер. Среднее содержание метана в водах Мирового океана составляет около 10⁻² см³ / л, общее количество — 14 · 10¹² м³. Количество метана, растворенного в пластовых водах, на несколько порядков выше его промышленных запасов.

Метан присутствует также в атмосферах Земли, Юпитера, Сатурна, Урана; в газах поверхностного грунта Луны. Основная масса метана лито- и гидросферы Земли образовалась при биохимической и термокаталитической деструкции рассеянного органического вещества, угля и нефтей. Метан образуется при анаэробном разложении органических веществ, в частности целлюлозы (метановое брожение).

В природе Земли метан достаточно распространен. Горючие природные газы состоят на 90−97 % из метана. Он образует ряд месторождений, из которых добывается и по газопроводам подается к месту использования. На дне болот и прудов метан образуется в результате разложения остатков растений без доступа воздуха. Поэтому его называют еще болотным газом. Под названием «рудничный газ» метан накапливается в угольных шахтах, в результате выделения из пластов угля и сопутствующих пород, в которых находится в свободном и связанном виде. На действующих шахтах наблюдается выделение метана из угольных пластов в объеме до 70−80 м³/т с. б. м. (т с. б. м. — тонна сухой беззольной массы), что делает экономически целесообразным его самостоятельное или сопутствующее (дегазация) извлечения из угольных месторождений.

Рудничный газ очень опасен, так как с воздухом может образовывать взрывчатую смесь. Наиболее взрывоопасные концентрации метана в воздухе — 9−14 %.

Основной компонент природных (77−99 %), попутных нефтяных (31−90 %), рудничного и болотного газов.

При низких температурах метан образует соединения включения — газовые гидраты, широко распространенные в природе.

Газовые гидраты — твердые кристаллические вещества плотностью 880−890 кг/м³, похожие на снег или лед. Гидратообразования происходят в пористой среде осадочного чехла с формированием газогидратных залежей.

Получение

В лабораториях метан можно получить при нагревании ацетата натрия с твердым гидроксидом натрия или при воздействии воды на карбид алюминия:

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

Применение

Большие количества метана используются как удобное и дешевое топливо. Неполное сжигание метана дает сажу, которая идет на изготовление печатной краски и как наполнитель каучука, а при термическом разложении (выше 1000 °C) получают сажу и водород, используемый для синтеза аммиака. Продукт полного хлорирования метана — четырёххлористый углерод CCl₄ — является хорошим растворителем жиров и применяется для извлечения жиров из зерен масличных растений. Метан служит также исходным веществом для получения ацетилена, метилового спирта и многих других химических продуктов.

Метан как рудничный газ

С воздухом метан образует взрывчатые смеси. При содержании в воздухе до 5−6 % метан горит около источника тепла (температура воспламенения 650−750 ° С), при содержании 5−16 % — взрывается, свыше 16 % — может гореть при притоке кислорода, снижение при этом концентрации метана взрывоопасное.

Метан имеет слабое наркотическое действие. ПДК 300 мг/м³. Выделение метана в выработках шахт создает особую опасность при добыче угля. Различают три формы выделения метана в горных выработках: обычное, суфлярное и внезапное. По метанообильности, согласно «Правилам безопасности в угольных шахтах», шахты делятся на 5 категорий. Критерием такого деления является относительная метанообильность, то есть количество метана в кубометрах, выделяемой за сутки на 1 т среднесуточной добычи:

• до 5 м³/т;
• 5−10 м³/т;
• 10−15 м³/т;
• сверхкатегорийные — более 15 м³/т.

Шахты, разрабатывающие пласты, опасные или угрожающие по внезапным выбросам угля, газа и породы, принадлежат к особой категории — опасных по внезапным выбросам.

Перспективным считается добыча метана из угольных пластов. В конце XX века этой проблемой только в США занимались ученые из 40 университетов, задействовано около 100 фирм. В промышленности метан применяют для получения синтез-газа, ацетилена, хлороформа, четыреххлористого углерода, технического углерода и др. Продукты неполного окисления метана являются исходными для изготовления пластмасс, используемых в органическом синтезе.

Литература

• Деркач Ф. А. «Химия» Л. 1968
• Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. В. С. Белецкого. — Донецк: Донбасс, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.

Бинарные соединения водорода ↑ [+]
Гидриды щелочных металлов	LiH • NaH • KH • RbH • CsH
Гидриды щелочноземельных металлов	Be BeH2 Mn MnH2 Ca CaH2 Sr SrH2 Ba BaH2
Гидриды подгруппы бора	B B2H6 Al AlH3 Ga Ga2H6 In InH3 Tl TlH3
Гидриды подгруппы углерода	C Алканы: CH4 • C2H6 • C32H8 • C4H10 • C5H12 • C6H14 Алкены: C2H4 • C3H6 Алкины: C2H2 • C3H4 • C4H6 Si Силаны: SiH4 • Si2H6 • Si3H8 Силены: Si2H4 Ge GeH4 • Ge2H6 Sn SnH4 Pb PbH4
Пниктогеноводороды	N Азаны: NH3 • N2H4 Азены: N2H2 • N3H3 • N4H4 P PH3 As AsH3 Sb SbH3 Bi BiH3
Халькогеноводороды	O H2O • H2O2 • H2O3 S H2S • H2S2 • H2S3 Se H2Se Te H2Te Po H2Po
Галогеноводороды	HF • HCl • HBr • HI • HAt
Гидриды переходных металлов	YH • TiH2 • TiH4
см. также: Неорганические кислоты • Углеводороды