Что делают из метана

Что делают из метана

Метан, получение, свойства, химические реакции.

Метан, CH4 – простейший по составу предельный углеводород, органическое вещество класса алканов. В природе содержится в природном газе, добываемом из газовых и газоконденсатных месторождений, в попутном нефтяном газе, в рудничном и болотном газах. Растворен в нефти, в пластовых и поверхностных водах. В твердом состоянии встречается в виде газогидратов.

Метан, формула, газ, характеристики:

Метан (лат. methanum) – простейший по составу предельный углеводород, органическое вещество класса алканов , состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода.

Химическая формула метана CH4, рациональная формула CH4. Изомеров не имеет.

Метан – в обычных условиях лёгкий бесцветный газ, без вкуса и запаха. Однако в метан, используемый в качестве технического газа, могут добавляться одоранты — вещества, имеющие резкий неприятный запах для предупреждения его утечки.

Метан – это основной компонент природного газа.

Является одним из парниковых газов. Его вклад в парниковый эффект составляет 4-9 %.

В природе содержится в природном газе , добываемом из газовых и газоконденсатных месторождений, в попутном нефтяном газе . Для выделения из природного и попутного нефтяного газа производят их очистку и сепарацию газа. Также содержится в рудничном и болотном газах (отсюда произошли другие названия метана – болотный или рудничный газ), свалочном газе .

В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, на дне прудов и стоячих вод, где он образуется при разложении растительных остатков без доступа воздуха, в кишечнике жвачных животных, биореакторах, биогазовых установках и пр.) образуется биогенно в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.

В растворенном виде содержится в нефти, в пластовых и поверхностных водах. При переработке нефти метан выделяют отдельно для дальнейшего использования.

Помимо газообразного состояния в природе встречается еще и в твердом состоянии на дне морей, океанов и в зоне вечной мерзлоты в виде метаногидратов ( гидратов природного газа ), именуемых «горючий лёд».

Пожаро- и взрывоопасен.

Почти не растворяется в воде и других полярных растворителях. Зато растворяется в некоторых неполярных органических веществах (метанол, ацетон, бензол, тетрахлорметан, диэтиловый эфир и другие).

Метан по токсикологической характеристике относится к веществам 4-го класса опасности (малоопасным веществам) по ГОСТ 12.1.007.

Физические свойства метана:

Наименование параметра: Значение:
Цвет без цвета
Запах без запаха
Вкус без вкуса
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.) газ
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м 3 0,6682
Плотность (при 0 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м 3 0,7168
Плотность (при -164,6 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м 3 415
Температура плавления, °C -182,49
Температура кипения, °C -161,58
Температура самовоспламенения, °C 537,8
Критическая температура*, °C -82,4
Критическое давление, МПа 4,58
Критический удельный объём, м 3 /кг 0,0062
Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом, % объёмных от 4,4 до 17,0
Удельная теплота сгорания, МДж/кг 50,1
Коэффициент теплопроводности (при 0 °C и атмосферном давлении 1 атм.), Вт/(м·К) 0,0302
Коэффициент теплопроводности (при 50 °C и атмосферном давлении 1 атм.), Вт/(м·К) 0,0361
Молярная масса, г/моль 16,04
Растворимость в воде, г/кг 0,02

* при температуре выше критической температуры газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении.

Химические свойства метана:

Метан трудно вступает в химические реакции. В обычных условиях не реагирует с концентрированными кислотами, расплавленными и концентрированными щелочами, щелочными металлами, галогенами (кроме фтора), перманганатом калия и дихроматом калия в кислой среде.

Химические свойства метана аналогичны свойствам других представителей ряда алканов. Поэтому для него характерны следующие химические реакции:

  1. 1. конверсия метана в синтез-газ:

CH4 + H2O → CО + 3H2 (kat = Ni/Al2O3 при t o = 800-900 о С или без катализатора при t o = 1400-1600 о С).

Образующийся в результате реакции синтез-газ может быть использован для последующих синтезов метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

  1. 2. галогенирование метана:

Реакция носит цепной характер. Молекула брома или йода под действием света распадается на радикалы, затем они атакуют молекулы метана, отрывая у них атом водорода, в результате этого образуется свободный метил CH3·, который сталкиваются с молекулами брома (йода), разрушая их и образуя новые радикалы йода или брома :

Br2 → Br·+ Br· (hv); – инициирование реакции галогенирования;

CH4 + Br· → CH3· + HBr; – рост цепи реакции галогенирования;

CH3· + Br· → CH3Br; – обрыв цепи реакции галогенирования.

Галогенирование — это одна из реакций замещения. В первую очередь галогенируется наименее гидрированый атом углерода (третичный атом, затем вторичный, первичные атомы галогенируются в последнюю очередь). Галогенирование метана проходит поэтапно – за один этап замещается не более одного атома водорода.

Галогенирование будет происходить и далее пока, не будут замещены все атомы водорода .

  1. 3. нитрование метана:
  1. 4. окисление (горение) метана:

При избытке кислорода:

Горит голубоватым пламенем.

При нехватке кислорода вместо углекислого газа (СО2) получается оксид углерода (СО), при еще меньшем количестве кислорода выделяется мелкодисперсный углерод (сажа в различном виде, в т.ч. в виде графена , фуллерена и пр.) либо их смесь.

  1. 5. сульфохлорирование метана:
  1. 6. сульфоокисление метана:
  1. 7. разложение метана:

CH4 → C + 2H2 (при t o > 1000 о С).

  1. 8. дегидрирование метана:
  1. 9. каталитическое окисление метана:
Читайте также:  Лиотон от варикоза отзывы

В реакциях каталитического окисления метана могут образовываться спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.

2CH4 + O2 → 2CН3OH (при t o = 200 о С, kat); – образуется метанол;

CH4 + O2 → НCНO + H2O (при t o = 200 о С, kat); – образуется формальдегид;

2CH4 + 3O2 → 2НCOОН + H2O (при t o = 200 о С, kat); – образуется муравьиная кислота.

Получение метана в промышленности и в лаборатории. Химические реакции – уравнения получения метана:

Так как метан в большом количестве встречается в природе. Например, содержится в природном газе, попутном нефтяном газе и выделяется при крекинге нефтепродуктов , его, как правило, не получают искусственно. Его выделяют при очистке и сепарации из природного газа , ПНГ и нефти при перегонке. Кроме того, его получают из метаногидратов (гидратов природного газа), в процессе эксплуатации биогазовых установок и пр.

Метан в промышленных и лабораторных условиях получается в результате следующих химических реакций:

  1. 1. газификации твердого топлива:

C + 2H2 → CH4 + H2O (повышенное давление и t o , kat = Ni, Mo или без катализатора).

CО + 3H2 → CH4 (kat = Ni, t o = 200-300 о С);

  1. 3. реакции взаимодействия оксида углерода (IV) и водорода:
  1. 4. гидролиза карбида алюминия:
  1. 5. щелочного плавления солей одноосновных органических кислот

Применение и использование метана:

– как топливо для автомобилей, судов, газовых плит, печей, паяльных ламп, зажигалок и пр. бытовых приборов;

– как сырье в химической промышленности для проведения реакций органического синтеза.

Примечание: © Фото //www.pexels.com, //pixabay.com

как получить метан этилен реакция ацетилен этен 1 2 вещество хлорметан метанол кислород водород связь является углекислый газ бромная вода
уравнение реакции масса объем полное сгорание моль молекула смесь превращение горение получение метана
напишите уравнение реакций метан

Метан
Общие
Хим. формула CH₄
Рац. формула CH4
Физические свойства
Молярная масса 16,04 г/моль
Плотность газ (0 °C) 0,7168 кг/м³; 0,6682 кг/м³ в стандартных условиях по ГОСТ 2939—63;
жидкость (−164,6 °C) 415 кг/м³ [1]
Термические свойства
Т. плав. -182,49 °C
Т. кип. -161,58 °C
Т. свспл. 537,8 °C
Пр. взрв. 4,4-17,0 %
Энтальпия образования −74 520 Дж/моль [3]
Энтальпия сгорания −890,3 кДж/моль [4]
Химические свойства
Растворимость в воде 0,02 г/кг [2]
Классификация
Рег. номер CAS 74-82-8
PubChem 297
Рег. номер EINECS 200-812-7
SMILES
RTECS PA1490000
ChEBI 16183
Номер ООН 1971
ChemSpider 291
Безопасность
Токсичность

Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Мета́н (лат. methanum ), C H 4 [5] — простейший по составу предельный углеводород, при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха [6] .

Малорастворим в воде, почти в два раза легче воздуха.

Метан малотоксичен, но обладает слабым наркотическим действием (ПДК 7000 мг/м 3 ) [7] . Имеются данные, что метан при хроническом воздействии малых концентраций в воздухе неблагоприятно влияет на центральную нервную систему [8] . Токсическое действие метана ослабляется его малой растворимостью в воде и крови и химической инертностью. Класс опасности — четвёртый [9] .

При использовании в быту в метан (природный газ) обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) — летучие вещества со специфическим «запахом газа», чтобы человек вовремя заметил аварийную утечку газа по запаху. На промышленных производствах утечки фиксируют датчики и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств поставляется без добавления одорантов.

Накапливаясь в закрытом помещении в смеси с воздухом метан становится взрывоопасен при концентрации его от 4,4 % до 17 % [10] . Наиболее взрывоопасная концентрация в смеси с воздухом 9,5 об.%.

Метан — третий по значимости парниковый газ в атмосфере Земли (после водяного пара и углекислого газа, его вклад в парниковый эффект оценивается 4—9 %) [11] [12] .

Содержание

История [ править | править код ]

В ноябре 1776 года итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На изучение болотного газа его вдохновила статья Бенджамина Франклина о «горючем воздухе». Вольта собирал газ, выделяемый со дна болота, и в 1778 году выделил чистый метан. Также он продемонстрировал зажигание газа от электрической искры.

Сэр Гемфри Дэви в 1813 г. изучал рудничный газ и показал, что он является смесью метана с небольшими количествами азота N2 и углекислого газа CO2 — то есть, что он качественно тождествен по составу болотному газу.

Современное название «метан» в 1866 г. газу дал немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман [13] [14] и происходит от слова «метанол» [ стиль ] .

Нахождение в природе [ править | править код ]

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 и в зоне вечной мерзлоты [11] [12] .

Метан также был обнаружен на других планетах, включая Марс, что имеет значение для исследований в области астробиологии [15] . По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан [16] .

Предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси [17] . Велика доля метановых льдов и на поверхности Седны.

В промышленности [ править | править код ]

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

Классификация по происхождению [ править | править код ]

  • 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 [ править | править код ]

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

2 N a O H + C H 3 C O O H → o t N a 2 C O 3 + H 2 O + C H 4 ↑ <displaystyle <mathsf <2NaOH+CH_<3>COOH<xrightarrow[<>]<^t>>Na_<2>CO_<3>+H_<2>O+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 [18] :

C H 3 C O O N a + N a O H → C H 4 ↑ + N a 2 C O 3 <displaystyle <mathsf <3>COONa+NaOH
ightarrow CH_<4>uparrow +Na_<2>CO_<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 [ править | править код ]

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 других, но обладает меньшей реакционной способностью по сравнению с другими алканами.

Для метана специфична реакция с парами воды, в которой в промышленности применяется в качестве катализатора никель, нанесённый на оксиде алюминия (Ni/Al2O3) при 800—900 °C или без катализатора при 1400—1600 °C. Образующийся в результате реакции синтез-газ может быть использован для последующих синтезов метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 33,066 МДж на 1 м³, взятый при нормальных условиях. Реакция горения метана в кислороде или воздухе:

C H 4 + 2 O 2 → C O 2 + 2 H 2 O + 891 k J <displaystyle <mathsf <4>+2O_<2>
ightarrow CO_<2>+2H_<2>O+891 >>> .

При комнатной температуре и стандартном давлении метан является бесцветным газом без запаха [19] . Знакомый запах природного газа, который используется дома, обычно достигается добавлением смесио доранта, содержащей трет-бутилтиол, в качестве меры безопасности. Метан имеет температуру кипения −164 ° C при давлении в одну атмосферу [20] . Как газ, он легко воспламеняется при объёмных концентрациях в воздухе от 4,4 % до 17 % при стандартном давлении.

Твердый метан существует в нескольких модификациях. В настоящее время известно девять [21] .

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

C H 4 + C l 2 → C H 3 C l + H C l <displaystyle <mathsf <4>+Cl_<2>
ightarrow CH_<3>Cl+HCl>>> , C H 3 C l + C l 2 → C H 2 C l 2 + H C l <displaystyle <mathsf <3>Cl+Cl_<2>
ightarrow CH_<2>Cl_<2>+HCl>>> , C H 2 C l 2 + C l 2 → C H C l 3 + H C l <displaystyle <mathsf <2>Cl_<2>+Cl_<2>
ightarrow CHCl_<3>+HCl>>> , C H C l 3 + C l 2 → C C l 4 + H C l <displaystyle <mathsf <3>+Cl_<2>
ightarrow CCl_<4>+HCl>>> .

Выше 1400 °C разлагается по реакции:

2 C H 4 → C 2 H 2 + 3 H 2 <displaystyle <mathsf <2CH_<4>
ightarrow C_<2>H_<2>+3H_<2>>>> .

C H 4 + 3 [ O ] → H C O O H + H 2 O <displaystyle <mathsf <4>+3[O]
ightarrow HCOOH+H_<2>O>>> .

Соединения включения [ править | править код ]

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

Применение метана [ править | править код ]

Метан используется в качестве топлива для печей, водонагревателей, автомобилей [22] [23] , турбин и др. Для хранения метана используется активированный уголь. Жидкий метан в сочетании с жидким кислородом также используется в качестве ракетного топлива, например в двигателях BE-4 и Raptor [24] .

Как основной компонент природного газа, метан важен для производства электроэнергии, сжигая его в качестве топлива в газовой турбине или парогенераторе. По сравнению с другими видами углеводородного топлива метан производит меньше углекислого газа на каждую единицу выделенного тепла. При температуре около 891 кДж/моль теплота сгорания метана ниже, чем у любого другого углеводорода. Тем не менее, он производит больше тепла на массу (55,7 кДж/г), чем любая другая органическая молекула из-за его относительно большого содержания водорода, что составляет 55 % теплоты сгорания [25] , но отдаёт только 25 % молекулярной массы метана. Во многих городах метан подается в дома для отопления и приготовления пищи. В этом контексте его обычно называют природным газом, содержание энергии в котором составляет 39 мегаджоулей на кубический метр. Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой преимущественно метан (CH4), превращаемый в жидкую форму для удобства хранения или транспортировки.

Рафинированный жидкий метан используется в качестве ракетного топлива [26] . Метан, как сообщается, имеет преимущество перед керосином в том, что он наносит меньше углерода на внутренние части ракетных двигателей, что уменьшает сложность повторного использования ускорителей.

Метан используется в качестве сырья в органическом синтезе, в том числе для изготовления метанола.

Физиологическое действие [ править | править код ]

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 [ править | править код ]

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 [7] .

Биологическая роль [ править | править код ]

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 [27] .

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) [28] . 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 [29] .

Метан и экология [ править | править код ]

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 [30] [31] .

С 1750 года концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась примерно на 150 %, и на её долю приходится 20 % от общего радиационного воздействия всех долгоживущих и глобально смешанных парниковых газов [32] .

В первую очередь, природный газ нам известен как источник энергии и тепла, однако возможности использования этого уникального ресурса гораздо шире, чем могло показаться. Сейчас вы узнаете обо всём, что можно сделать из природного газа!

Экологичное топливо

Природный газ – основа коммунального хозяйства и энергетики. Его иногда называют "зелёным топливом", так как это самый чистый и безопасный для экологии вид топлива, поскольку при сгорании образует лишь воду и углекислый газ, объём которого минимален, в то время как при сгорании угля и нефтепродуктов образуется копоть и зола.

"Пища" для моторов

Природный газ идеален в качестве моторного топлива, и этому есть несколько причин:

  • низкая стоимость по сравнению с бензином;
  • меньше вредных выбросов, соответствие экологическому стандарту Евро-4;
  • газовый двигатель более долговечен, чем бензиновый;
  • возможность производства жидкого топлива с помощью технологии GTL (gas to liquid), например, топливо, которое мы знаем как дизельное.

Помимо топлива из природного газа можно синтезировать также различные смазочные масла, парафины и даже "синтетическую нефть".

Продукты отбензинивания

"Сырой", необработанный природный газ, помимо метана, содержит целый спектр примесей: гелий, вода, углекислый газ, азот, сероводород, а также лёгкие углеводороды, алканы – этан, пропан, бутан и др., которые мы называем бензиновой фракцией.

Процедура отбензинивания даёт нам ряд полезных и ценных продуктов: сам отбензиненный газ (именно он, очищенный, осушенный и повышенный, течёт по магистральному трубопроводу), и нестабильный газовый бензин (те же вышеописанные легкие углеводороды). Последний становится сырьем для получения различных полимеров и каучуков, а также известной нам пропан-бутановой фракции.

Химическое производство

В процессе нехитрых химических превращений из природного газа получают метанол, который является сырьём для различных веществ, востребованных как в производственной сфере, так и в быту. Среди них – различные клеи, лакокрасочные покрытия, изоляционные материалы, формальдегиды, уксусные кислоты и присадки для топлива. Также метанол помогает устранить гидратные пробки в нефте- и газопроводах и добывающих скважинах углеводородов.

Специальная обработка позволяет получить из природного газа высококачественные минеральные удобрения, а также газы гелий и аммиак, широко применяемые в производстве, медицине и приборостроении.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector