Метан — это… Что такое Метан?
Мета́н (лат. Methanum) — простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха[2], химическая формула — CH4. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно меркаптаны) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека[3]. Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему[4]. Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. Обогащение одорантами делается для того, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. На промышленных производствах эту роль выполняют датчики и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств остается без запаха.
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 др.), но обладает меньшей реакционной способностью. Специфична для метана реакция с парами воды, которая протекает на Ni/Al
Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 % до 17 %[5]. Наиболее взрывоопасная концентрация 9,5 %. Является наркотиком; действие ослабляется ничтожной растворимостью в воде и крови. Класс опасности — четвёртый[6].
Источники
Основной компонент природных (77—99 %), попутных нефтяных (31—90 %), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, рубце жвачных животных) образуется биогенно. Получается также при коксовании каменного угля, гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.
Классификация по происхождению:
- абиогенный — образован как результат химических реакций неорганических соединений;
- биогенный — образован как результат химической трансформации органического вещества;
- бактериальный (микробный) — образован в результате жизнедеятельности бактерий;
- термогенный — образован в ходе термохимических процессов.
Предположительно, что на поверхности Титана (спутник Сатурна) в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано[источник не указан 27 дней]-этановой смеси.
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[7]:
Также для лабораторного получения метана используют гидролиз карбида алюминия или некоторых металлорганических соединений (например, метилмагнийбромида).
Химические свойства
Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1 м³. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 5 до 15 процентов. Точка замерзания −184oС (при нормальном давлении)
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 распространенные в природе.Применение метана
- Топливо.
- Сырьё в органическом синтезе.
Физиологическое действие
Метан является самым физиологически безвредным газом в гомологическом ряду парафиновых углеводородов. Физиологическое действие метан не оказывает и не ядовит (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 для дыхания при очень высоких концентрациях метана. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки асфиксии (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, сходные с горной болезнью.
Так как метан легче воздуха, он не скапливается в проветриваемых подземных сооружениях. Поэтому весьма редки случаи гибели людей от вдыхания смеси метана с воздухом, от асфиксии.
Первая помощь при тяжелой асфиксии: 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 глазо-сердечный рефлекс, резко выраженная атропиновая проба, гипотония) из-за весьма слабого наркотического действия этих веществ, сходного с наркотическим действием диэтилового эфира.
Метан и экология
Является парниковым газом, в этом отношении, более сильным, 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 метана составит 21 единицу [8].
ПДК метана в воздухе рабочей зоны составляет 7000 мг/м3[9].
Ссылки
Примечания
- ↑ Обзор: Растворимость некоторых газов в воде
- ↑ Статья «Метан» на сайте «Химик»
- ↑ З. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане «Органическая химия», М. «Химия», 1979, стр. 203.
- ↑ Куценко С. А. Основы токсикологии / С.А. Куценко. — СПб.: Фолиант, 2004.
- ↑ ГОСТ Р 52136-2003
- ↑ 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)
- ↑ Б. А. Павлов, А. П. Терентьев. Курс органической химии. — Издание шестое, стереотипное. — M.: Химия, 1967. — С. 58.
- ↑ EBRD Methodology for Assessment of Greenhouse Gas Emissions, Version 3 February 2009 (англ.)
- ↑ Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»
Таблица. Молярная масса газов (г/моль = кг/кмоль) от азота до хлористого этила.
|
Химические свойства метана, формула, плотность, горение газа, молярная масса, применение в промышленности, термическое разложение, бромирование метана, строение молекулы
Химические свойства метана ничем не отличаются от свойств, присущих всем веществам класса алканов. В школьном курсе химии метан изучают одним из первых веществ органики, так как он является одним из простейших представителей алканов.
В его составе один атом углерода и четыре атома водорода.
Формула метана и способы его получения
| Молекулярная формула метана | Структурная формула метана |
| СH4
| Н | Н — С — Н | Н |
Метан в больших количествах содержится в атмосфере. Мы не обращаем внимания на нахождение этого газа в воздухе, ведь на нашем организме это никак не отражается, а вот канарейки очень чувствительны к метану.
Когда-то они даже помогали шахтерам спускаться под землю. Когда процентное содержание метана изменялась, птицы переставали петь. Это служило сигналом для человека, что он спустился слишком глубоко и нужно подниматься наверх.
Образуется метан в результате распада остатков живых организмов. Не случайно с английского methane переводится, как болотный газ, ведь он может быть обнаружен в заболоченных водоемах и каменноугольных шахтах.
Основным источником газа в агропромышленном комплексе является рогатый скот. Да, метан они выводят из организма вместе с остальными продуктами жизнедеятельности. Кстати, увеличение числа рогатого скота на планете может привести к разрушению озонового слоя, ведь метан с кислородом образуют взрывоопасную смесь.
Метан в промышленности можно получить с помощью нагревания углерода и водорода или синтеза водяного газа, все реакции протекают в присутствии катализатора, чаще всего никеля.
В США разработана целая система по добыче метана, она способна извлечь до 80% газа из природного угля. На сегодняшний день мировые запасы метана оцениваются экспертами в 260 триллионов метров кубических! Даже запасы природного газа значительно меньше.
В лаборатории метан получают путем взаимодействия карбида алюминия (неорганическое соединение алюминия с углеродом) и воды. Также с помощью гидроксида натрия, вступающего в реакцию с ацетатом натрия, более известного как пищевая добавка Е262.
Физические свойства метана
Характеристика:
- Бесцветный газ, без запаха.
- Взрывоопасен.
- Нерастворим в воде.
- Температура кипения: -162oC, замерзания: -183°C.
- Молярная масса: 16,044 г/моль.
- Плотность: 0,656 кг/м³.
Химические свойства метана
Говоря о химических свойствах, выделяют те реакции, в которые вступает метан. Ниже они приведены вместе с формулами.
Горение метана
Как все органические вещества, метан горит. Можно заметить, что при горении образуется голубоватое пламя.
СН4 + 2O2 → СO2↑ + 2Н2O
Называется такая реакция – реакцией горения или полного окисления.
Замещение
Метан также реагирует с галогенами. Это химические элементы 17 группы в периодической таблице Менделеева. К ним относятся: фтор, хлор, бром, йод и астат. Реакция с галогенами называется – реакцией замещения или галогенирования. Такая реакция проходит только в присутствии света.
Хлорирование и бромирование
Если в качестве галогена используется хлор, то реакция будет называться – реакцией хлорирования. Если в качестве галогена выступает бром, то – бромирование, и так далее.
CH4 + Cl2 → CH3Cl + НСl
CH4 + Br2 → CH3Br + НBr
Хлорирование. Низшие алканы могут прохлорировать полностью.
CH4 + Cl2 → CH3Cl + НСl
CH3Cl + Cl2 → CH2Сl2 + НСl
CH2Сl2+ Cl2 → CHCl3 + НСl
CHCl3 + Cl2 → CСl4 + НСl
Точно так же метан может полностью вступать в реакцию бромирования.
CH4 + Br2 → CH3Br + Н Br
CH3Br + Br2 → CH2Br2 + НBr
CH2Br2 + Br2 → CHBr3 + НBr
CHBr3 + Br2 → CBr4 + НBr
С йодом такой реакции уже нет, а с фтором наоборот сопровождается быстрым взрывом.
Разложение
Так же этому углеводороду свойственна реакция разложения. Полное разложение:
СН4 → С + 2H₂
И неполное разложение:
2СН4 → С2Н2 + 3Н2
Реакция с кислотами
Метан реагирует с концентрированной серной кислотой. Реакция носит название сульфирования и происходит при небольшом нагревании.
2СН4 + Н2SО4 → СН3SО3Н + Н2О
Окисление
Как уже было сказано, СH4 может полностью окисляться, но при недостатке кислорода возможно неполное окисление.
2СН4 + 3O2 → 2CO + 4Н2O
СН4 + О2 → С + 2Н2O
Помимо прочего для этого газа характерно каталитическое окисление. Оно происходит в присутствии катализатора. При разном соотношении моль вещества получаются разные конечные продукты реакции. В основном это:
Реакция протекает при температуре 1500°C. Данная реакция также носит название – крекинг – термическое разложение.
Нитрование метана
Существует также реакция нитрования или реакция Коновалова, названная в честь ученого, который доказал, что с предельными углеводородами действует разбавленная азотная кислота. Продукты реакции получили название – нитросоединения.
CH4 + НNО3 → СН3NO2 + H2O
Реакция проводится при температуре 140-150°C.
Дегидрирование метана
Кроме того, для метана характерна реакция дегидрирования (разложения) – отцепление атомов водорода и получения ацетилена, в данном случае.
2CН4 → C2H2 + 3Н2
Применение метана
Метан, как и остальные предельные углеводороды, широко используется в повседневной жизни. Его применяют в производстве бензина, авиационного и дизельного топлива.
Используют в качестве базы для получения различного органического сырья на предприятиях. Также метан широко используется в медицине и косметологии.
Метан применяют для получения синтетического каучука, красок и шин.
Атлеты используют так называемый жидкий метан для быстрого набора массы за короткий промежуток времени.
А при хлорировании метана образуется вещество, которое в дальнейшем используется для обезжиривания поверхностей или как компонент в средствах для снятия лака. Некоторое время продукт взаимодействия метана и хлора использовали в качестве наркоза.
Плотность метана. Свойства газов метанового ряда Cnh3n+2
В таблице указана плотность метана при различных температурах, включая плотность этого газа при нормальных условиях (при 0°С). Также приведены его теплофизические свойства и характеристики других газов метанового ряда.
Представлены следующие теплофизические свойства газов метанового ряда: коэффициент теплопроводности λ, динамическая вязкость η, число Прандтля Pr, кинематическая вязкость ν, массовая удельная теплоемкость Cp, отношение теплоемкостей (показатель адиабаты) k, коэффициент температуропроводности a и плотность газов метанового ряда ρ. Свойства газов даны при нормальном атмосферном давлении в зависимости от температуры — в интервале от 0 до 600°С.
К газам метанового ряда относятся углеводороды с брутто-формулой CnH2n+2 такие, как: метан CH4, этан C2H6, пропан C3H8, бутан C4H10, пентан C5H12, гексан C6H14, гептан C7H16, октан C8H18. Их еще называют гомологический ряд метана.
Плотность газов метанового ряда при увеличении их температуры снижается из-за теплового расширения газа. Такой характер зависимости плотности от температуры свойственен и многим другим газам. Следует также отметить, что плотность газов метанового ряда растет по мере увеличения количества атомов углерода и водорода в молекуле газа (числа n в формуле CnH2n+2).
Наиболее легким газом из рассмотренных в таблице является метан — плотность метана при нормальных условиях равна 0,7168 кг/м3. Метан при нагревании расширяется и становиться менее плотным. Так, например при температуре 0°С и 600°С, плотность метана отличается приблизительно в 3 раза.
Теплопроводность газов метанового ряда снижается при увеличении числа n в формуле CnH2n+2. При нормальных условиях она изменяется в диапазоне от 0,0098 до 0,0307 Вт/(м·град). По данным в таблице следует, что наибольшей теплопроводностью обладает такой газ, как метан — его коэффициент теплопроводности, например при 0°С, равен 0,0307 Вт/(м·град).
Наименьшая теплопроводность (0,0098 Вт/(м·град) при 0°С) свойственна газу октану. Следует отметить, что при нагревании газов метанового ряда их теплопроводность увеличивается.
Удельная массовая теплоемкость газов, входящих в гомологический ряд метана при нагревании увеличивается. Также увеличивают свои значения такие их свойства, как вязкость и температуропроводность.
Источник:
Казанцев Е. И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования.
Молярная масса
Молярная масса
Молярная масса вещества (M) – масса, которую имеет 1 моль данного вещества.
Эта величина, равная отношению массы m вещества к количеству вещества ν, имеет размерность кг/моль или г/моль. Молярная масса, выраженная в г/моль (кг/моль), численно равна относительной молекулярной массе MrMr – безразмерная величина.Для отдельных химических элементов молярной массой является масса одного моля атомов этого элемента. При этом молярная масса элемента, выраженная в г/моль (кг/моль), численно совпадает с относительной атомной массой ArAr – безразмерная величина этого элемента.
Молярная масса вещества равна сумме молярных масс элементов, входящих в состав его молекул.
Например, молярная масса метана CH4 определяется следующим образом: М(CH4) = M(C) + 4·M(H) = 12 + 4 = 16 г/моль.
Это означает, что 16 г CH4 содержат 6,02·1023 молекул (1 моль).
Молярную массу вещества можно вычислить, если известны его масса m и количество (число молей) ν, по формуле:
Соответственно, зная массу и молярную массу вещества, можно рассчитать число его молей: или найти массу вещества по числу молей и молярной массе: m = ν • MНеобходимо отметить, что значение молярной массы вещества определяется его качественным и количественным составом, то есть зависит от Mr и Ar. Поэтому разные вещества при одинаковом количестве молей имеют различные массы m (веществу с большей молярной массой соответствует большее значение m).
- Пример
Вычислить массы метана CH4 и этана С2H6, взятых в количестве ν = 2 моль каждого.Решение
Молярная масса метана M(CH4) равна 16 г/моль;
молярная масса этана M(С2Н6) = 2 • 12 + 6 = 30 г/моль.
Отсюда:
m(CH4) = 2 моль • 16 г/моль = 32 г;
m(С2Н6) = 2 моль • 30 г/моль = 60 г.
Таким образом, моль – это порция вещества, содержащая одно и то же число частиц, но имеющая разную массу для разных веществ, так как частицы вещества (атомы и молекулы) не одинаковы по массе.
ν(CH4) = ν(С2Н6), но m(CH4) (С2Н6)
Плотность метана (Ch5), значение и примеры
Плотность метана и другие его физические свойства
Метан – главная составная часть нефтяного и природного газов. Он применяется как высококалорийное топливо в составе природного газа.
Основные константы метана приведены в таблице ниже.
Таблица 1. Физические свойства и плотность метана.
|
Плотность, кг/м3 |
0,7168 (0oС) 0,6682 (25oС) |
|
Температура плавления, oС |
-182,49 |
|
Температура кипения, oС |
-161,58 |
|
Молярная масса, г/моль |
16,04 |
Химический состав и строение молекулы метана
Химический состав молекулы метана выражается эмпирической формулой CH4. Рассмотрим более подробно её строение, для чего необходимо ввести понятие «гибридизации атомных орбиталей в молекуле».
Гибридизацией называется изменение формы и энергии различных орбиталей одного атома, приводящее к образованию одинаковых (гибридных) орбиталей.
В молекуле метана (рис. 1) гибридизации подвергаются одна s-орбиталь и три p-орбитали атома углерода. Вид и число орбиталей, участвующих в гибридизации определяет её тип. В пространстве эти орбитали расположены относительно друг друга под одинаковыми углами и направлены к вершинам тетраэдра.Тип гибридизации атомов углерода в молекуле метана – sp3.
Рис. 1. Строение молекулы метана.
При образовании молекулы метана sp3— гибридизованные орбитали атома углерода перекрываются с p-орбиталями атомов водорода. Гибридные орбитали атома углерода направлены к вершинам воображаемого тетраэдра, что и объясняет тетраэдрическую форму молекулы метана.
Краткое описание химических свойств и плотность метана
Метан – первый представитель гомологического ряда предельных углеводородов – алканов. Он способен вступать в реакции радикального замещения (галогенирование, нитрование [Коновалова], сульфохлорирование [Рида], сульфоокисление и т.д.), однако ему не свойственна высокая реакционная способность.
Реакция галогенирования метана протекает по цепному механизму и обязательно на свету:
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl;
CH3Cl + Cl2 = CH2Cl2 + HCl;
CH2Cl2 + Cl2 = CHCl3 + HCl;
CHCl3 + Cl2 = CCl4 + HCl.
Метан, как и другие органические соединения сгорает на воздухе сине-голубоватым пламенем, выделяя при этом значительное количество теплоты:
CH4 + O2 = CO2 + H2O.
Метан используется как сырье для получения целого ряда органических веществ, например метанола, уксусной кислоты, ацетальдегида:
CO + 2H2 = CH3OH.
Примеры решения задач
Формула метана в химии
Определение и формула метана
Формула –
Молярная масса равна г/моль.
Физические свойства – в обычных условиях бесцветный газ, не имеющий запаха.
Плохо растворяется в воде.
Известный физик А. Вольта обнаружил метан в болоте в 1776 году.
Метан является главным компонентом природного газа, он содержится в больших количествах в атмосфере газовых гигантов.
Химические свойства метана
Получение
В лабораторных условиях метан получают нагреванием безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой:
Другой способ получения основывается на сплавлении ацетата натрия с :
Применение
Метан широко используется в качестве промышленного и бытового газа. химически перерабатывается главным образом в ацетилен, газовую сажу, фторо- и хлоропроизводные.
Примеры решения задач
| Понравился сайт? Расскажи друзьям! | |||