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
Получение метана в промышленности и лаборатории
Химические реакции – уравнения получения метана
Применение и использование метана
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.
Строение молекулы:
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. Метан — третий по значимости парниковый газ в атмосфере Земли (после водяного пара и углекислого газа). 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».
Также содержится в сланцевой нефти, сланцевом газе и сжиженном газе (сжиженном природном газе).
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/м3 | 0,6682 |
Плотность (при 0 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3 | 0,7168 |
Плотность (при -164,6 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3 | 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, м3/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. конверсия метана в синтез-газ:
CH4 + H2O → CО + 3H2 (kat = Ni/Al2O3 при to = 800-900 оС или без катализатора при to = 1400-1600 оС).
Образующийся в результате реакции синтез-газ может быть использован для последующих синтезов метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.
- 2. галогенирование метана:
CH4 + Br2 → CH3Br + HBr (hv или повышенная to);
CH4 + I2 → CH3I + HI (hv или повышенная to).
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· + Br2 → CH3Br + Br·;
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.
CH4 + Br2 → CH3Br + HBr (hv или повышенная to);
CH3Br + Br2 → CH2Br2 + HBr (hv или повышенная to);
и т.д.
Галогенирование будет происходить и далее пока, не будут замещены все атомы водорода.
CH2Br2 + Br2 → CHBr3 + HBr (hv или повышенная to);
CHBr3 + Br2 → CBr4 + HBr (hv или повышенная to).
- 3. нитрование метана:
См. нитрование этана.
- 4. окисление (горение) метана:
При избытке кислорода:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.
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.
- 5. сульфохлорирование метана:
CH4 + SO2 + Cl2 → CH3-SO2Cl + … (hv).
- 6. сульфоокисление метана:
2CH4 + 2SO2 + О2 → 2CH3-SO2ОН (повышенная to).
- 7. разложение метана:
CH4 → C + 2H2 (при to > 1000 оС).
- 8. дегидрирование метана:
2CH4 → C2H2 + 3H2 (при to > 1500 оС).
- 9. каталитическое окисление метана:
В реакциях каталитического окисления метана могут образовываться спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.
2CH4 + O2 → 2CН3OH (при to = 200 оС, kat); – образуется метанол;
CH4 + O2 → НCНO + H2O (при to = 200 оС, kat); – образуется формальдегид;
2CH4 + 3O2 → 2НCOОН + H2O (при to = 200 оС, 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. газификации твердого топлива:
C + 2H2 → CH4 + H2O (повышенное давление и to, kat = Ni, Mo или без катализатора).
- 2. синтеза Фишера-Тропша:
CО + 3H2 → CH4 (kat = Ni, to = 200-300 оС);
- 3. реакции взаимодействия оксида углерода (IV) и водорода:
CО2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (kat, to = 200-300 оС);
- 4. гидролиза карбида алюминия:
Al4C3 + 12H2O → CH4 + 4Al(OH)3.
- 5. щелочного плавления солей одноосновных органических кислот
CH3-COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3 (повышенная to).
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