Общие сведения о метане, его характеристики и методы использования. Жидкий метан: особенности и применение

Природный газ - газообразные углеводороды, образующиеся в недрах земли. Его относят к полезным ископаемым, а составляющие используются в качестве топлива.

Свойства и состав природного газа

Природный газ горюч и взрывоопасен в соотношении примерно с 10% объемом воздуха. Он легче воздуха в 1,8 раз, бесцветен и не имеет запаха, эти свойства обусловлены высоким содержанием газообразных алканов (СН4 - С4Н10). В составе природного газа преобладает метан (СH4), он занимает от 70 до 98%, остальной объем заполнен его гомологами, углекислым газом, сероводородом, меркаптанами, ртутью и инертными газами.

Классификация природных газов

Существует всего 3 группы:

• Первая из них - почти исключающие содержание углеводородов с более чем двумя углеродными соединениями, так называемые сухие газы, получаемые исключительно в месторождениях, предназначенных только для добычи газов.
• Вторая - газы, добываемые одновременно с первичным сырьем. Это сухой, сжиженный газы и газовый бензин, смешанные между собой.
• К третьей группе относятся газы, состоящие из сухого газа и значительного объема тяжелых углеводородов, из коих выделяют бензиновые, лигроиновые и керосиновые. К тому же в составе присутствует незначительное количество других веществ. Добываются эти вещества из газоконденсатных месторождений.

Свойства составляющих веществ

Четыре первых члена гомологического ряда при обычных условиях - горючие газы, не обладающие цветом и запахом, взрывоопасны и горючи:

Метан

Первое вещество ряда алканов наиболее устойчиво к температурам. Оно малорастворимо в воде и легче воздуха. Горение метана в воздухе знаменуется появлением голубого пламени. Самый мощный взрыв происходит, при смешивании одного объема метана с десятью объемами воздуха. При других объемных соотношениях тоже происходит взрыв, но меньшей силы. Помимо этого, человеку может быть нанесен непоправимый вред при вдыхании газа высокой концентрации.

Метан может находиться в твердом агрегатном состоянии в виде газовых гидратов.

Применение:

Его используют в качестве промышленного топлива и сырья. Метан применяют для получения ряда важных продуктов - водорода, фреонов, муравьиной кислоты, нитрометана и многих других веществ. С помощью для производства метилхлорида и его гомологичных соединений, метан подвергают хлорированию. При незаконченном сгорании метана получается мелкодисперсный углерод:

CH4 + O2 = C + 2H2O

Формальдегид появляется посредством протекания реакции окисления, а при реакции с серой - сероуглерод.

Разлом углеродных связей метана под воздействием температур и тока реализует получение ацетилена, используемого в промышленности. Синильная кислота производится посредством окисления метана с аммиаком. Метан - производное водорода в генерации аммиака, а также получения синтез-газа происходит с его участием:

CH4 + H2O -> CO+ 3H2

Используемого для связки углеводородов, спиртов, альдегидов и других веществ. Метан активно используют в качестве горючего для транспортных средств.

Этан

Углеводород предельного ряда С2Н6 - это бесцветное вещество в газообразном состоянии, слабо освещающее при горении. Растворяется в спирте в отношении 3:2, как говорится, «подобное в подобном», но почти нерастворим в воде. При температуре свыше 600° С, в отсутствие ускорителя реакции этан разлагается на этилен и водород:

CH4 + H2O -> CO+ 3H2

Этан не используют топливной промышленности, основная цель его использования в промышленности - получение этилена.

Пропан

Этот газ плохо растворяется водой и является широко используемым видом топлива. Он производит много тепла при сгорании, практичен в использовании. Пропан - побочный продукт процесса kracking в нефтепромышленности.

Бутан

Имеет малую токсичность,специфический запах, обладает одурманивающими свойствами, вдыхание бутана вызывает асфиксию и сердечную аритмию, негативно влияет на нервную систему. Появляется при крекинге попутного нефтяного газа.

Применение:

Неоспоримыми достоинствами пропана являются низкая стоимость простота транспортировки. Пропан-бутановую смесь используют в качестве топлива в населенных пунктах, где не подведен природный газ, при обработке легкоплавких материалов с небольшой толщиной, вместо ацетилена. Пропан зачастую применим при заготовке сырья и переработке металлолома. В быту сферой необходимости является отопление помещений и приготовление пищи на газовых плитах.

Помимо предельных алканов в состав природного газа входят:

Азот

Азот состоит из двух изотопов 14A и 15A, используется для поддержания давления в скважинах при бурении. Для получения азота сжижают воздух и разделяют его разгонкой, этот элемент составляет 78% состава воздуха. В основном его используют для производства аммиака, из которого получают азотную кислоту, удобрения и взрывчатые вещества.

Диоксид углерода

Соединение, переходящее при атмосферном давлении из твердого (сухой лед) в газообразное состояние. Оно выделяется при дыхании живых существ, также содержится в минеральных источниках и воздухе. Диоксид углерода является пищевой добавкой, используется в баллонах огнетушителей и пневматическом оружии.

Сероводород

Очень токсичный газ - самый активный из серосодержащих соединений, а потому очень опасен для человека прямым воздействием на нервную систему. Бесцветный газ в нормальных условиях, характеризующийся сладковатым вкусом и отвратительным запахом протухших яиц. Хорошо растворим в этаноле, в отличие от воды. Из него получают серу, серную кислоту и сульфиты.

Гелий

Это уникальный продукт, медленно накапливающийся в коре Земли.Его получают методом глубокой заморозки содержащих гелий газов. В газообразном состоянии - инертный газ, не обладающий внешним выражением. Гелий в жидком состоянии, также не имеющая ни запаха, ни цвета, но может поражать живые тканей. Гелий не токсичный, не может взорваться или воспламениться, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает удушье. Его используют при работе с металлами и в качестве наполнителя воздушных шаров и дирижаблей.

Аргон

Благородный негорючий, не ядовитый, не имеющий вкусовых и цветовых качеств. Добывается как эскортный разделению воздуха на кислород и азот газ. Используется для вытеснения воды и кислорода, с целью продлить срок хранения продуктов питания, его также используют при сварке металлов и резке.

Атом углерода в молекуле метана находится в состоянии sp3- гибридизации.В результате перекрывания четырёх гибридных орбиталей атома углерода с s-орбиталями атомов водоорда образуется весьма прочная молекула метана.
Метан-газ без цвета и запаха,легче воздуха,малорастворим в воде.Предельные углеводороды способны гореть,образуя оксид углерода (IV) и воду.Метан горит бледным синеватым пламенем: CH4+2O2=2H2O
В смеси с воздухом (или с кислородом,особенно в соотношении по объему 1:2, что видно из уравнения реакции) метан образует взрывчатые смеси.Поэтому он опасен как в быту (утечка газа через краны),так и в шахтах.При неполном сгорании метана образуется сажа.Так её получают в промышленных условиях.В присутствии катализаторов при окислении метана получают метиловый спирт и формальдегид
При сильном нагревании метан распадается по уравнению:CH4=C+2H2
В печах специальной конструкции распад метана может быть осуществлён до промежуточного продукта-ацителена:
2CH4=C2H 2+3H2
Для метана характерны реакции замещения.На свету или обычной температуре галогены-хлор и бром-постепенно (по стадиям) вытесняют из молекулы метана водород,образуя так называемые галогенопроизводные.Атомы хлора замещяют атомы водорода в ней с образованием смеси различных соединенний:
CH3Cl-хлорметана (хлористого метила),CH2Cl2-дихлорметана,CHCl3-трихлорметана,CCl4-тетрахлорметана
Из этой смеси каждое соединение может быть выделено.Важное значение имеют хлороформ итетрахлорметан как растворители смол,жиров,каучука и других органических веществ.
Образование галогенопроизводных метана протекают по цепному свободнорадикальному механизму.Под действием света молекулы хлора распадаются на неорганические радикалы:Cl2=2Cl
Неорганический радикал Cl отрывает от молекулы метана атом водорода с одним электроном,образуя HCl и свободный радикал CH3 H H
H:C_| H+Cl=H:C +HCl
H| H
Cвободный радикал взаимодействует с молекулой хлора Cl2 ,образуя галогенопроизводное и радикал хлора:
CH3+Cl_| Cl=CH3-Cl+Cl
Метан при обычной температуре обладает большей стойкостью к кислотам,щелочам и многим окислителям.Однако он вступает в реакцию с азотной кислотой:
CH4+HNO3=CH3NO2 +H2O
нитрометан
Метан не способен к реакциям присоединения,поскольку в его молекуле все валентности насыщены.
Приведенные реакции замещения сопровождаются разрывом связей C-H.Однако известны процессы,при которых происходит не только расщепление связей C-H,но и разрыв цепи углеродных атомов (у гомологов метана).Эти реакции протекают при высоких температурах и в присутствии катализаторов.Например:
C4H10+H2 -процесс дегидрогенизации
C4H10-|
C2H6 + C2H4-крекинг

Получение метана.
Метан широко распространён в природе.Он является главной составной частью многих горючих газов как природных (90-98%),так и искусственных,выделяющихся при сухой перегонке дерева,торфа,каменного угля,а также при крекинге нефти
Метан выделяется со дна болот и из каменноугольных пластов в рудниках,где он образуется при медленном разложении растительных остатков без доступа воздуха,Поэтому метан часто называют болотным газом или рудничным газом
В лабороторных условиях метан получают при нагревании смесси ацетата натрия с гидроксидом натрия:
200 *C
CH3|COONa +NaO|H=Na2CO3 + CH4|
или при взаимодействии карбида алюминия с водой:
Al4C3 +12H2O=4Al(OH)3 +3CH4|
В последнем случае метан получается весьма чистым.
Метан может быть получен из простых веществ при нагревании в присутствии катализатора: Ni
C+2H2=CH4

А также синтезом на основе водяного газа
Ni
CO+3H2 =CH4 +H2O
Гомологи метана,как и метан,в лабораторных условиях получают прокаливанием солей соответствующих органических кислот с щелочами.Другой способ-реакция Вюрца, т.е. нагревание моногалогенопроизводных с металлическим натрием,например
C2H5 |Br+2Na+Br|C2H5= C2H5-C2H5+2NaBr

В технике для получения синтетического бензина (смесь углеводородов,содержащих 6-10 атомов углерода) применяют синтез из оксида углерода (II) и водорода в присутствии катализатора (соединения кобальта) и при повышенном давлении.Процесс можно выразить уравнением:
200*С
nCO+(2n+1)H2=CnH2n+2+nH2O

Применение алканов
Благодаря большой теплотворной способности метан в больших количествах расходуется в качестве топлива (в быту-бытовой газ и в промешленности.Широко применяются получаемые из него вещества:водород,ацителен,сажа.Он служит исходным сырьём для получения формальдегида,метилового спирта,а также различных синтетических продуктов
Большое промышленное значение имеет окисление высших предельных углеводородов-парафинов с числом углеродных атомов 20-25.Этим путём получают синтетические жирные кислоты с различной длиной цепи,которые используются для производства мыл,различных моющих средств,смазочных материалов,лаков и эмалей.
Жидкие углеводороды используются как горючее (они входят в состав бензина и керосина).Алканы широко используются в органическом синтезе.

, взрывоопасные газы , парниковый эффект

Часто этот взрывоопасный газ называют «болотным». Всем известен его специфический запах, но на самом деле это — специальные добавки «с запахом газа», которые добавляются для того, чтобы его распознать. При сгорании он практически не оставляет вредных продуктов. Помимо всего прочего, этот газ довольно активно участвует в образовании всем известного парникового эффекта.

Газ, обычно связанный с живыми организмами. Когда в атмосферах Марса и Титана обнаружился метан, у ученых появилась надежда на то, что на этих планетах существует жизнь. На Красной планете метана немного, а вот Титан буквально «залит» им. И уж если не для Титана, то для Марса биологические источники метана столь же вероятны, как и геологические. Метана много на планетах-гигантах - Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне, где он возник как продукт химической переработки вещества протосолнечной туманности. На Земле он редок: его содержание в атмосфере нашей планеты - всего 1750 частей на миллиард по объему (ppbv).

Источники и получение метана

Метан - простейший углеводород, бесцветный газ без запаха. Его химическая формула - CH 4 . Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты со специфическим «запахом газа». Основной компонент природных (77-99%), попутных нефтяных (31-90%), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана - болотный или рудничный газ).

На 90–95% метан имеет биологическое происхождение. Травоядные копытные животные, такие как коровы и козы, испускают пятую часть годового выброса метана: его вырабатывают бактерии в их желудках. Другими важными источниками служат термиты, рис-сырец, болота, фильтрация естественного газа (это продукт прошлой жизни) и фотосинтез растений. Вулканы вносят в общий баланс метана на Земле менее 0,2%, но источником и этого газа могут быть организмы прошлых эпох. Промышленные выбросы метана незначительны. Таким образом, обнаружение метана на планете типа Земли указывает на наличие там жизни.

Метан образуется при термической переработке нефти и нефтепродуктов (10-57% по объёму), коксовании и гидрировании каменного угля (24-34%). Лабораторные способы получения: сплавление ацетата натрия со щелочью, действие воды на метилмагнийиодид или на карбид алюминия.

В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и калия) или безводного гидроксида натрия с уксусной кислотой. Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.

Свойства метана

горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1м 3 . С воздухом образует взрывоопасные смеси . Особую опасность представляет метан, выделяющийся при подземной разработке месторождений полезных ископаемых в горные выработки, а также на угольных обогатительных и брикетных фабриках, на сортировочных установках. Так, при содержании в воздухе до 5–6% метан горит около источника тепла (температура воспламенения 650-750 °С), от 5–6% до 14–16% взрывается, свыше 16% может гореть при притоке кислорода извне. Снижение при этом концентрации метана может привести к взрыву. Кроме того, значительное увеличение концентрации метана в воздухе бывает причиной удушья (например, концентрации метана 43% соответствует 12% O 2).

Взрывное горение распространяется со скоростью 500-700 м/сек; давление газа при взрыве в замкнутом объёме равно 1 Мн/м 2 . После контакта с источником тепла воспламенение метана происходит с некоторым запаздыванием. На этом свойстве основано создание предохранительных взрывчатых веществ и взрывобезопасного электрооборудования. На объектах, опасных из-за присутствия метана (главным образом, угольные шахты), вводится т.н. газовый режим.

При 150-200 °С и давлении 30-90 атм метан окисляется до муравьиной кислоты.

Метан образует соединения включения - газовые гидраты, широко распространенные в природе.

Применение метана

Метан - наиболее термически устойчивый насыщенный углеводород. Его широко используют как бытовое и промышленное топливо и как сырьё для промышленности . Так, хлорированием метана производят метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, четырёххлористый углерод.

При неполном сгорании метана получают сажу , при каталитическом окислении - формальдегид , при взаимодействии с серой - сероуглерод .

Термоокислительный крекинг и электрокрекинг метана- важные промышленные методы получения ацетилена .

Каталитическое окисление смеси метана с аммиаком лежит в основе промышленного производства синильной кислоты. Метан используют как источник водорода в производстве аммиака, а также для получения водяного газа (т. н. синтез-газа): CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 , применяемого для промышленного синтеза углеводородов, спиртов, альдегидов и др. Важное производное метана - нитрометан .

Автомобильное топливо

Метан широко используется в качестве моторного топлива для автомобилей. Однако плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20-25 МПа (200-250 атмосфер). Для хранения газа в таком состоянии используются специальные баллоны, которые устанавливаются на автомобилях.

Метан и парниковый эффект

Метан является парниковым газом . Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы. Содержание в атмосфере метана росло очень быстро на протяжении последних двух столетий.

Сейчас среднее содержание метана CH 4 в современной атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million , частей на миллион). И, хотя это в 200 раз меньше, чем содержание в ней углекислого газа (CO 2), в расчете на одну молекулу газа парниковый эффект от метана - то есть его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей - существенно выше, чем от СО 2 . Кроме того, метан поглощает излучение Земли в тех «окошках» спектра, которые оказываются прозрачными для других парниковых газов. Без парниковых газов - СO 2 , паров воды, метана и некоторых других примесей средняя температура на поверхности Земли была бы всего –23°C , а сейчас она около +15°C.

Метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов. Недавно обнаружен новый, совершенно неожиданный источник метана - высшие растения, но механизмы образования и значение данного процесса для самих растений пока не выяснены.

Метан на Земле

Недалеко от Санта-Барбары со дна океана в больших объемах в виде пузырьков выделяется метан – активный парниковый газ

Особенно опасен метан при проведении горных работ

Метан вместо бензина? Легко

Когда в атмосфере Марса был обнаружен метан, у ученых появилась надежда найти на планете следы жизни

Метан - первый представитель ряда алканов с формулой СН 4 . Это бесцветный природный газ без запаха. Благодаря физическим и химическим свойствам метан используется в качестве топлива.

Строение

Молекула метана представляет собой тетраэдр, в середине которого находится углерод, соединённый простыми (одинарными) σ-связями с атомами водорода. Строение и свойства молекулы метана важны для понимания всей органической химии, так как большинство органических соединений содержит метильные группы -СН 2 .

Рис. 1. Строение молекулы метана.

Метан образует гомологический ряд алканов. Каждый последующий гомолог отличается от предыдущего на одну группу -СН 2 .

Из-за тетраэдрической конфигурации длинные молекулы алканов имеют вид изогнутых цепочек.

Получение

Метан - распространённый газ во Вселенной. Он находится в природном и попутном газе, образуется на дне морей, выделяется как конечный продукт жизнедеятельности кишечных бактерий. Метан входит в состав атмосферы планет-гигантов. На поверхности Титана - спутника Сатурна - находятся этан-метановые озёра и реки.

Рис. 2. Спутник Титан.

В промышленности метан выделяют из природного газа и получают при коксовании (прокаливании) каменного угля.

В лаборатории метан образуется при нагревании сухого гидроксида натрия с уксусной кислотой, а также при плавлении ацетата с гидроксидом натрия:

• 2NaOH + CH 3 COOH → Na 2 CO 3 + H 2 O + CH 4 ;
• CH 3 COONa + NaOH → CH 4 + Na 2 CO 3 .

Впервые метан обнаружил на болотах физик Алессандро Вольта в 1776 году. Два года спустя он выделил из болотного газа чистый метан.

Свойства

Основные физические свойства:

• легче воздуха;
• без запаха и вкуса;
• плохо растворяется в воде;
• молекулярная масса - 16;
• температура плавления - -182,49°С;
• температура кипения - -161,56°С;
• температура вспышки - 87,8°С;
• температура самовоспламенения - 537,8°С.

Метан определяет физико-химические свойства гомологического ряда алканов. При обычных условиях метан и его гомологи малоактивны и вступают в реакции под действием высокой температуры и катализатора. Дополнительные условия необходимы для расщепления связи С-Н.

Основные реакции метана:

• нитрование:

  CH 4 + HONO 2 → CH 3 -NO 2 + H 2 O;

• галогенирование:

  CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl;

• сульфохлорирование:

  CH 4 + SO 2 + Cl 2 → CH 3 -SO 2 Cl + HCl;

• каталитическое окисление под действием солей меди и марганца:

  2CH 4 + O 2 → 2CH 3 OH;

• полное окисление (горение):

  CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O + Q;

• окисление водяным паром:

  CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ;

• крекинг (метод переработки нефти):

  2CH 4 → HC≡CH + 3H 2 .

Рис. 3. Горение метана.

Концентрация метана в воздухе более 4 % взрывоопасна. Поэтому метану специально придают запах, смешивая газ с тиолами, содержащими серу. Это помогает контролировать утечку бытового газа.

Что мы узнали?

Метан - простейший представитель класса алканов, образующий гомологический ряд. Это бесцветный горючий газ, выделяемый из природного газа и получаемый при коксовании угля. Метан используется в качестве топлива. При высокой температуре самовоспламеняется. Газ подвержен нитрованию, галогенированию, сульфохлорированию, окислению под действием катализатора, водяного пара, горения, а также крекингу, используемого в переработке нефти.