Метан

Статья на основе материалов из Википедии

Мета́н (лат. Methanum) — простейший по составу углеводород, бесцветный газнормальных условиях) без запаха[3], химическая формула — CH4[4]. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека[5]. Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему[6].

Накапливаясь в закрытом помещении, метан становится 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 поставляется без добавления одорантов.

Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 % до 17 %[7]. Наиболее взрывоопасная концентрация 9,5 %. Проявляет наркотические свойства; наркотическое действие ослабляется малой растворимостью в воде и крови. Класс опасности — четвёртый[8].

Метан — второй по значимости парниковый газ в атмосфере Земли (после углекислого газа)[9][2].

История

В ноябре 1776 года итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На поиски его вдохновила статья, написанная Бенджамином Франклином о «горючем воздухе». Вольта собирал газ, выделяемый болотом, и в 1778 году получил чистый метан. Также он показал возможность зажечь газ от электрической искры.

Сэр Гемфри Дэви (учёный-химик) ещё в 1813 г. заключил из своих анализов, что рудничный газ есть смесь метана CH4 с небольшим количеством азота N2 и угольного ангидрида СО2 — то есть, что он качественно тождествен по составу газу, выделяющемуся из болот.

Нахождение в природе

Основной компонент природного газа (77—99 %), попутных нефтяных газов (31—90 %), рудничного и болотного газов (отсюда произошли другие названия метана — болотный или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, кишечнике жвачных животных) образуется биогенно в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.

Большие запасы метана сосредоточены в метаногидратах на дне морей в зоне вечной мерзлоты[1][2].

По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан .

Предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси[10]. Велика доля метановых льдов и на поверхности Седны.

В промышленности

Образуется при коксовании каменного угля, гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.

Классификация по происхождению

  • абиогенный — образован в результате химических реакций неорганических соединений, например, при взаимодействии карбидов металлов с водой;
  • биогенный — образован как результат химических превращений органических веществ;
  • бактериальный (микробный) — образован в результате жизнедеятельности бактерий (микроорганизмов);
  • термогенный — образован в ходе термохимических процессов.

Получение

В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и кальция) или безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой.

`\mathsf{2NaOH + CH_3COOH \xrightarrow[]{^ot} Na_2CO_3 + H_2O + CH_4\uparrow}`

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[11]: `\mathsf{CH_3COONa + NaOH \rightarrow CH_4\uparrow + Na_2CO_3}`

Также для лабораторного получения метана используют гидролиз карбида алюминия или некоторых металлорганических соединений (например, метилмагнийбромида).

Также возможно биологическое получение метана, см. Биогаз

Химические свойства

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/Al2O3 при 800—900 °C или без катализатора при 1400—1600 °C; образующийся синтез-газ может быть использован для синтеза метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 33,066 МДж на 1 м³. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 4,4 % до 17 %. Температура кипения −161,5oС (при нормальном давлении)

Вступает с галогенами в реакции замещения, которые проходят по свободно-радикальному механизму:

`\mathsf{CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl}` `\mathsf{CH_3Cl + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl_2 + HCl}` `\mathsf{CH_2Cl_2 + Cl_2 \rightarrow CHCl_3 + HCl}` `\mathsf{CHCl_3 + Cl_2 \rightarrow CCl_4 + HCl}`

Выше 1400 °C разлагается по реакции: `\mathsf{2CH_4 \rightarrow C_2H_2 + 3H_2}`

Реакция горения метана: `\mathsf{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O}`

Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200 °C и давлении 30—90 атм. по цепному радикальному механизму: `\mathsf{CH_4 + 3O \rightarrow HCOOH + H_2O}`

Соединения включения

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

Применение метана

Физиологическое действие

Метан является самым физиологически безвредным газом в гомологическом ряду парафиновых углеводородов. Физиологическое действие метан не оказывает и неядовит (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. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки удушья (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, характерные для горной болезни.

Так как метан легче воздуха, он не скапливается в проветриваемых подземных сооружениях. Поэтому случаи гибели людей от удушья при вдыхания смеси метана с воздухом весьма редки.

Первая помощь при тяжелом удушье: 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 глазосердечный рефлекс, резко выраженная атропиновая проба, гипотония) из-за очень слабого наркотического действия этих веществ, сходного с наркотическим действием диэтилового эфира.

ПДК метана в воздухе рабочей зоны составляет 7000 мг/м³[13].

Биологическая роль

Показано, что эндогенный метан способен вырабатываться не только метаногенной микрофлорой кишечника, но и клетками эукариот, и что его образование значительно возрастает при экспериментальном вызывании клеточной гипоксии, например, при нарушении работы митохондрий при помощи отравления организма экспериментального животного азидом натрия, известным митохондриальным ядом. Высказывается предположение, что образование метана клетками эукариот, в частности животных, может быть внутриклеточным или межклеточным сигналом испытываемой клетками гипоксии[14].

Также показано увеличение образования метана клетками животных и растений под влиянием различных стрессовых факторов, например, бактериальной эндотоксемии или её имитации введением бактериального липополисахарида, хотя, возможно, этот эффект наблюдается не у всех видов животных (в эксперименте исследователи получили его у мышей, но не получили у крыс)[15]. Возможно, что образование метана клетками животных в подобных стрессовых условиях играет роль одного из стрессовых сигналов.

Предполагается также, что метан, выделяемый кишечной микрофлорой человека и не усваиваемый организмом человека (он не метаболизируется и частично удаляется вместе с кишечными газами, частично всасывается и удаляется при дыхании через лёгкие), не является «нейтральным» побочным продуктом метаболизма бактерий, а принимает участие в регуляции перистальтики кишечника, а его избыток может вызывать не только вздутие живота, отрыжку, повышенное газообразование и боли в животе, но и функциональные запоры[16].

Метан и экология

Является парниковым газом, более сильным в этом отношении, 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 того же молярного объёма метана составит 21-25 единиц[17][18].

Примечания

  1. Леонид Юрганов Метан над Арктикой Наука и жизнь, 2017 — 11 — 24
  2. Статья «Метан» на сайте «Химик»
  3. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.), 1890—1907
  4. З. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане «Органическая химия», М. «Химия», 1979, стр. 203.
  5. Куценко С. А. Основы токсикологии / С. А. Куценко. — СПб.: Фолиант, 2004.
  6. ГОСТ Р 52136-2003
  7. 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)
  8. Наталья Ржевская Тепло мерзлоты // В мире науки. — 2016. — № 12. — С. 67—73. — URL: https://sciam.ru/articles/details/teplo-merzloty
  9. Tidal effects of disconnected hydrocarbon seas on Titan
  10. Б. А. Павлов, А. П. Терентьев. Курс органической химии — Издание шестое, стереотипное — M. : Химия, 1967 — 58
  11. SpaceX test-fires the engines that could take humans to Mars - The Verge
  12. Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»
  13. Tuboly E. et al Methane biogenesis during sodium azide-induced chemical hypoxia in rats — American Journal of Physiology — Cell Physiology, 15 January 2013 — 304 — 2 — 207—214 — 10.1152/ajpcell.00300.2012 — 23174561
  14. Tuboly E, Szabó A, Erős G, Mohácsi A, Szabó G, Tengölics R, Rákhely G, Boros M. Determination of endogenous methane formation by photoacoustic spectroscopy. — https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24185326 — J Breath Res., Dec 2013 — 7 — 7(4) — 4 — 10.1088/1752-7155/7/4/046004 — 24185326
  15. Sahakian AB, Jee SR, Pimentel M. Methane and the gastrointestinal tract. — Dig Dis Sci, Aug 2010 — 55 — 55(8) — 8 — 2135-2143 — 10.1007/s10620-009-1012-0 — 19830557
  16. EBRD Methodology for Assessment of Greenhouse Gas Emissions, Version 7, 6 July 2010
  17. Non-CO2 Greenhouse Gases: Scientific Understanding, Control and Implementation (ed. J. van Ham, Springer 2000, ISBN 9780792361992): 4. Impact of methane on climate, page 30 «On a molar basis, an additional mole of methane in the current atmosphere is about 24 times more effective at absorbing infrared radiation and affecting climate than an additional mole of carbon dioxide (WMO, 1999)»

Литература

Ссылки

Углеводороды
АлканыМетан • Этан • Пропан • Бутан • Пентан (Изопентан) (Неопентан)  • Гексан • Гептан • Октан • Нонан • Декан • Ундекан • Додекан • Тридекан • Тетрадекан • Пентадекан • Гексадекан • Гептадекан • Октадекан • Нонадекан • Пристан • Эйкозан • Генэйкозан • Докозан • Тетракозан • Гентриаконтан • Гектан
АлкеныЭтилен • Пропен • Бутены • Пентены • Гексены • Гептены • Октен
АлкиныАцетилен • Пропин • Бутин
ДиеныПропадиен • Бутадиен • Изопрен • Циклобутадиен
Другие ненасыщенныеВинилацетилен • Диацетилен  • Каротин
ЦиклоалканыЦиклопропан • Циклобутан • Циклопентан • Циклогексан • Циклогептан • Циклооктан • Циклононан • Циклодекан • Циклоундекан • Циклододекан • Циклотридекан • Циклотетрадекан • Циклопентадекан
АроматическиеБензол • Толуол • Диметилбензолы • Этилбензол • Пропилбензол • Кумол • Стирол • Фенилацетилен • Дифенил • Дифенилметан • Трифенилметан • Тетрафенилметан
ПолициклическиеДекалин
Полициклические ароматическиеНафталин • Антрацен • Бензантрацен • Пентацен • Фенантрен • Пирен • Бензпирен • Азулен • Хризен • Инден • Индан
Относящиеся к нескольким классамИндан -->