Мета́н (; болотный газ, ) — простейший по составу предельный углеводород, при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха. Малорастворим в воде, почти в два раза легче воздуха. Газ нетоксичен, но при высокой концентрации в воздухе обладает слабым наркотическим действием (ПДК 7000 мг/м3)Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны» и относится к четвёртому классу токсичностиГазохроматографическое 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). Наркотическое действие метана ослабляется его малой растворимостью в воде и крови, а также химической инертностью. Имеются данные, что метан при хроническом воздействии малых концентраций в воздухе неблагоприятно влияет на центральную нервную системуКуценко С. А. Основы токсикологии / С. А. Куценко. — СПб.: Фолиант, 2004..
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. 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 до . Наиболее взрывоопасная концентрация в смеси с воздухом В угольных шахтах он выделяется из угольных пластов, что иногда приводит к взрывам, последствия которых могут быть катастрофическими.
Метан — третий по значимости парниковый газ в атмосфере Земли (после водяного пара и углекислого газа, его вклад в парниковый эффект оценивается Наталья Ржевская Тепло мерзлоты // В мире науки. — 2016. — № 12. — С. 67—73..
История 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 году 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 году газу дал немецкий химик Август Вильгельм фон ГофманHofmann A. W. (1866) "On the action of trichloride of phosphorus on the salts of the aromatic monoamines, " Proceedings of the Royal Society of London, 15 : 55—62; see footnote on pp. 57—58.James Michael McBride (1999) «Development of systematic names for the simple alkanes». Available online at Chemistry Department, Yale University (New Haven, Connecticut). , оно образовано от слова «метанол».
Нахождение в природе Основной компонент природного газа (77—99 %), попутных нефтяных газов 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.
Метан также был обнаружен на других планетах, включая Марс, что имеет значение для исследований в области астробиологии. По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан.
Предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси. 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 Возможно получение метана реакцией Сабатье — взаимодействием углекислого газа и водорода в присутствии катализатора при повышенной температуре и давлении:
CO2 + 4 H2 -> CH4 ^ + 2 H2O, ∆H=−165.0 кДж/моль
В лаборатории метан можно получить нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и гидроксида кальция) или безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой:
2 NaOH + CH3COOH -> Na2CO3 + H2O + CH4 ^.
Для этой реакции важно отсутствие воды в реагентах, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.
Возможно получение метана сплавлением ацетата натрия с гидроксидом натрия:
CH3COONa + NaOH -> CH4 ^ + Na2CO3.
Также для лабораторного получения метана используют гидролиз карбида алюминия:
Al4C3 + 12 H2O -> 4 Al(OH)3 + 3CH4 ^,
или некоторых металлорганических соединений (например, метилмагнийбромида).
Возможно биологическое получение метана, см. Биогаз.
Физические свойства
При комнатной температуре и стандартном давлении метан — бесцветный газ без запаха. Знакомый запах бытового природного газа достигается специальным добавлением в газ смеси одорантов, содержащей трет-бутилтиол, в качестве меры безопасности для обнаружения аварийных утечек метана по запаху.
При стандартном давлении метан имеет температуру плавления и температуру кипения Methane Phase change data // NIST Chemistry Webbook..
Легко воспламеняется при объёмных концентрациях в воздухе от при стандартном давлении. Пределы взрываемости в смесях метана с кислородом при атмосферном давлении от
При высоком давлении твёрдый метан может существовать в различных модификациях. По состоянию на 1997 год было известно девять таких модификаций.
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 других, но обладает меньшей реакционной способностью по сравнению с другими алканами.
Для метана специфична реакция с парами воды — реакция парового риформинга, для которой в промышленности в качестве катализатора применяется никель, нанесённый на оксиде алюминия (Ni/Al2O3) при или без применения катализатора при Образующийся в результате реакции синтез-газ может быть использован для последующих синтезов метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов, это основной экономичный способ производства водорода:
CH4 + H2O -> CO ^ + 3H2.
Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около на метана, взятого при нормальных условиях. Реакция горения метана в кислороде или воздухе:
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O + 891 кДж.
Вступает с галогенами в реакции замещения, которые проходят по свободно-радикальному механизму (реакция металепсии)? например, реакции последовательного хлорирования до четырёххлористого углерода:
CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl, CH3Cl + Cl2 -> CH2Cl2 + HCl, CH2Cl2 + Cl2 -> CHCl3 + HCl, CHCl3 + Cl2 -> CCl4 + HCl.
Выше 1400 °C разлагается по реакции:
2 CH4 -> C2H2 ^ + 3 H2.
Окисляется до муравьиной кислоты при и давлении по цепному радикальному механизму:
CH4 + 3[O] -> HCOOH + H2O.
Соединения включения Метан образует соединения включения — газовые гидраты, широко распространённые в природе.
Применение Метан используется в качестве топлива для печей, водонагревателей, автомобилей, турбин и др. Для хранения метана может использоваться активированный уголь.
Как основной компонент природного газа метан используется для производства электроэнергии при сжигании его в газовых турбинах или парогенераторах. По сравнению с другими видами углеводородного топлива при сжигании метана производится меньше углекислого газа на единицу выделенного тепла.
Удельная теплота сгорания метана около что ниже, чем у любого другого углеводорода. Тем не менее, он производит больше тепла на единицу массы (55,7 кДж/г), чем любое другое органическое вещество из-за относительно большого содержания водорода вносящего вклад в теплоту сгорания в размере около , но составляет только 25 % молекулярной массы метана.
Во многих городах метан подаётся в дома для отопления и приготовления пищи. При этом его обычно называют природным газом, содержание энергии в котором составляет Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой преимущественно метан, сжижаемый для удобства хранения и/или транспортировки.
Метан активно применяется в качестве топлива для транспортных средств. Многие страны используют метан в качестве топлива для автобусов, грузовиков и легковых автомобилей. В развитых странах уже существует разветвленная инфраструктура для заправки транспортных средств метаном, что способствует распространению автомобилей, работающих на этом экологически чистом топливе.
Жидкий метан, в сочетании с жидким кислородом, рассматривается в качестве перспективного ракетного топлива и используется в таких двигателях, как РД-0162, BE-4 и Raptor. Метан имеет преимущества перед керосином в том, что он: даёт больший удельный импульс; оставляет меньше продуктов сгорания на внутренних частях ракетных двигателей; позволяет легче освободить полости двигателя от остатков топлива. Это упрощает повторное использование ракет.
Метан используется в качестве сырья в органическом синтезе, в том числе для производства метанола.
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. Так, при содержании в воздухе 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 вдыхании смеси метана с воздухом весьма редки.
Первая помощь при тяжёлом 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.
Предельно допустимая концентрация метана в воздухе рабочей зоны составляет .
Биологическая роль