Метан, получение, свойства, химические реакции

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

Физические свойства метана

Химические свойства метана

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

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».

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. 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.

  1. 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).

  1. 3. нитрование метана:

См. нитрование этана.

  1. 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.

  1. 5. сульфохлорирование метана:

CH4 + SO2 + Cl2 → CH3-SO2Cl + … (hv).

  1. 6. сульфоокисление метана:

2CH4 + 2SO2 + О2 → 2CH3-SO2ОН (повышенная to).

  1. 7. разложение метана:

CH4 → C + 2H2 (при to > 1000 оС).

  1. 8. дегидрирование метана:

2CH4  → C2H2 + 3H2 (при to > 1500 оС).

  1. 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. 1. газификации твердого топлива:

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

  1. 2. синтеза Фишера-Тропша:

CО + 3H2 → CH4 (kat = Ni, to = 200-300 оС);

  1. 3. реакции взаимодействия оксида углерода (IV) и водорода:

2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (kat, to = 200-300 оС);

  1. 4. гидролиза карбида алюминия:

Al4C3 + 12H2O → CH4 + 4Al(OH)3.

  1. 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

 





карта сайта

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