Подобно другим алканам вступает в реакции радикального замещения (галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления, нитрования и др.), но обладает меньшей реакционной способностью. 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. Мета́н (лат. methanum; болотный газ, CH4) — простейший по составу предельный углеводород, при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха. Газ нетоксичен, но при высокой концентрации в воздухе обладает слабым наркотическим действием (ПДК 7000 мг/м3)[7] и относится к четвёртому классу токсичности[8].
Поскольку природный газ часто является побочным продуктом добычи нефти, производитель нефти может улавливать газ для использования в своей деятельности или поставлять его на рынок природного газа. Но когда у производителя нет доступа к трубопроводам или другой инфраструктуре для сбора и транспортировки газа, его сжигают. Низкие цены на газ также могут сделать сжигание газа дешевле, чем его продажу. С другой стороны, метан также могут выбрасывать в атмосферу без его сжигания.
Откуда берется метан и почему он опасен?
Метан способен в больших количествах накапливаться в газогидратной форме в многолетней мерзлоте и на океанском дне. В составе метангидрата молекула внедряется в полости внутри кристаллической решетки водяного льда. При таянии льда газ высвобождается и поступает в атмосферу.
За миллионы лет огромное количество органического вещества растений и животных, как в море, так и на суше, попадает в ловушку отложения и постепенно сжимается, и продвигается все глубже в землю. Давление и тепло вызывают молекулярный распад, в результате которого образуется термогенный метан. Высказывается предположение, что образование метана клетками эукариот, в частности животных, может быть внутриклеточным или межклеточным сигналом испытываемой клетками гипоксии[31]. Поэтому случаи гибели людей от удушья при вдыхании смеси метана с воздухом весьма редки.
- На всех объектах, где существует опасность выброса метана, действуют правила техники безопасности «газовый режим».
- Поэтому случаи гибели людей от удушья при вдыхании смеси метана с воздухом весьма редки.
- Давление и тепло вызывают молекулярный распад, в результате которого образуется термогенный метан.
- Это может иметь место, если произведенный водород используется исключительно в качестве газа для сжигания, как это реализуется на заводе, расположенном в Небраске ( Таблица 2).
- В реальных приложениях КПД ниже, например, из-за тепловых потерь.
В промышленности метан выделяют из природного газа и получают при коксовании (прокаливании) каменного угля. Так как метан легче воздуха, он не скапливается в проветриваемых подземных сооружениях. Поэтому весьма редки случаи гибели людей от вдыхания смеси метана с воздухом, от асфиксии.
Десять лет назад промышленность продвигала природный газ в качестве более чистого «мостового топлива», помогающего отказаться от нефти. Природный газ представляет собой крупнейший антропогенный источник выбросов метана и выделяется при добыче нефти и газа. Нефтяные и газовые резервуары, которые часто встречаются вместе, существуют на тысячи метров ниже поверхности Земли. Чтобы добраться до них, нужно выкопать глубоко в земле колодцы. При комнатной температуре и стандартном давлении метан — бесцветный газ без запаха[19].
Метан и парниковый эффект
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. Осуществить превращения «метан — ацетилен» можно несколькими способами. В первом случае природный газ пропускают через предварительно раскаленные электроды. Второй способ основан на использовании тепла, которое образуется в результате частичного сгорания ацетилена. Благодаря физическим и химическим свойствам метан используется в качестве топлива. Сжигание производится по разным причинам, в том числе по соображениям безопасности.
- Если желаемым продуктом является только водород без углерода, теоретическая эффективность процесса составляет 59% (уравнение (2) ).
- Он находится в природном и попутном газе, образуется на дне морей, выделяется как конечный продукт жизнедеятельности кишечных бактерий.
- Недавно обнаружен новый, совершенно неожиданный источник метана — высшие растения, но механизмы образования и значение данного процесса для самих растений пока не выяснены.
- Низкие цены на газ также могут сделать сжигание газа дешевле, чем его продажу.
- Метан образует соединения включения — газовые гидраты, широко распространённые в природе.
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. Основным источником газа в агропромышленном комплексе является рогатый скот. Да, метан они выводят из организма вместе с остальными продуктами жизнедеятельности. Кстати, увеличение числа рогатого скота на планете может привести к разрушению озонового слоя, ведь метан с кислородом образуют взрывоопасную смесь.
Без таких катализаторов реакция хлорирования по ионному механизму почти не происходит, поскольку гетеролитических расщепления молекулы хлора на катион и анион требует значительной энергии (1130 кДж / моль). 1 молекула метана при взаимодействии с 2 молекулами кислорода образует 1 молекулу двуокиси углерода и 2 молекулы воды. В процессе реакции выделяется тепловая энергия, равная 891 кДж. Основной компонент природных (77—99 %), попутных нефтяных (31—90 %), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, рубце жвачных животных) образуется биогенно.
Соединения включения
Мета́н (лат. Methanum) — простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха[2], химическая формула — CH4. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно меркаптаны) со специфическим «запахом газа». Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему[4]. 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 остается без запаха. Природный газ используется для отопления, приготовления пищи, в качестве альтернативного топлива для некоторых автомобилей и автобусов, а также для производства органических химикатов.
С другой стороны, биогенный метан вырабатывается микроорганизмами в аноксической (бескислородной) среде, которые разлагают органические вещества в процессе, называемом ферментацией, в результате чего образуется метан. Аноксическая среда включает водно-болотные угодья, такие как озера, болота и торфяники. Микробы в пищеварительной системе животных и людей также производят метан, который выделяется отхождением кишечных газов и отрыжкой. Если желаемым продуктом является только водород без углерода, теоретическая эффективность процесса составляет 59% (уравнение (2) ).
Если же в этот момент количество метана начнёт снижаться, то результатом также может стать взрыв. При взрыве огонь, подпитываемый газом, движется со скоростью от 500 до 700 м/сек. Давление же вещества в этот момент в замкнутом пространстве составляет 1 Мн/м2.
Применение метана
Не случайно с английского methane переводится, как болотный газ, ведь он может быть обнаружен в заболоченных водоемах и каменноугольных шахтах. Когда процентное содержание метана изменялась, птицы переставали петь. Это служило сигналом для человека, что он спустился слишком глубоко и нужно подниматься наверх.
Соединения включения[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.
Гидрат метана абсолютно инертен при постоянной температуре, но способен воспламеняться при ее повышении. При изменении давления химическое соединение распадается на воду и метан. Метан может выделяться из пластов горных пород постоянно или кратковременно. Кратковременное появление представляет собой выброс из зоны скопления при возникновении трещин и разломов в пласте.
При этом одновременно образуется катион хлора, который затем взаимодействует с молекулой метана и гетеролитично разрывает связь $C-H$. Такое взаимодействие приводит к образованию метильного карбкатиона. Последний дальше вступает в реакцию с молекулой хлора и образует хлористый метил и катион хлора, реагирует с другой молекулой метана. Такие ионные реакции, в которых промежуточными частицами являются положительно заряженные ионы, называют электрофильными. В присутствии катализаторов ( кислот Льюиса $A1C1_3$, $SbF_5$), способствующих ионному механизму реакции, процесс хлорирования в кислой среде имеет электрофильный характер ($Sе$). Химизм взаимодействия електроноакцепторного хлорида алюминия с молекулой хлора заключается в значительной поляризации неполярной связи $C-C$, что вызывает её диссоциацию с образованием электрофильного агента.
Наркотическое действие метана CH4 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 систему[9]. В связи с этим он отщепляет от молекулы $Cl_2$ атом хлора с парой электронов.
Следовательно, этот процесс менее сложен, чем, например, «классический» процесс паровой конверсии метана (SMR) [27] , [28] . В зависимости от требуемой чистоты водорода и степени конверсии водорода такие процессы могут работать без какой-либо дополнительной очистки или повышения качества газа. Это может иметь место, если произведенный водород используется исключительно в качестве газа для сжигания, как это реализуется на заводе, расположенном в Небраске ( Таблица 2). Если необходима высокая чистота получаемого водорода, необходима последующая стадия разделения водорода и метана. Ученые выявили наличие залежей гидрата метана на океаническом шельфе Карского моря в местах вечной мерзлоты.
Строение и свойства молекулы метана важны для понимания всей органической химии, так как большинство органических соединений содержит метильные группы -СН2. 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[37]. Поэтому не каждое столкновение реагирующих частиц вызывает их взаимодействие, а только те, которые достаточны для преодоления этого барьера. Природный газ — самое чистое для сжигания ископаемое, имеющее простой состав и не выделяющее в воздух вредных химических веществ. Так как природный газ на 95% состоит из метана, то при его сжигании побочные продукты почти не образуются, или их образуется намного меньше, чем при использовании других видов ископаемого топлива.