Метан — производство, свойства, использование

Общая характеристика метана

Метан – простейшее соединение гомологического ряда алифатических углеводородов. Молекулярная формула метана: CH₄. Молекула этого вещества состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Все связи между атомами в молекуле метана ковалентные (это сигма-связи). Экспериментально показано, что они имеют одинаковую длину и энергию. Углы между связями одинаково велики и составляют 109ᵒ28′. Молекула этого соединения принимает форму тетраэдра, т.е. правильного четырехгранника. Следовательно, атом углерода предполагает гибридизацию, известную как sp³.

Получение и свойства

В природе метан встречается очень часто. Его основным источником является природный газ. Залежи этого ископаемого топлива чаще всего находятся глубоко под землей или на дне морей и океанов,  откуда его добывают. Часто сырье из таких источников называют органическим газом, т.е. получаемым в результате трансформации органического вещества в условиях высокой температуры и давления. Метан также присутствует в шахтных газах, сопровождающих каменноугольные пласты, а также в болотных газах, выделяющихся при разложении растительных остатков. Этот газ в таком случае является продуктом ряда процессов гниения органических субстанций. Большие объемы метана находятся на дне морей и океанов в виде клатратов метана, где газ метан заперт внутри своеобразной клетки, состоящей из молекул воды.

Метан в лабораторных условиях получается несколькими способами. Одним из них является непосредственный синтез углерода и водорода при высокой температуре (500ᵒC). В лаборатории часто используют реакцию карбида алюминия с водой, в результате которой образуются молекулы метана и гидроксида алюминия. Проводя эту реакцию помните, что метан – газообразное вещество и для сбора полученного продукта следует подготовить специальную систему улавливания газообразных продуктов. Другим лабораторным способом является нагревание смеси ацетата натрия и гидроксида натрия при повышенной температуре (декарбоксилирование).

Физико-химические свойства метана:

• При комнатной температуре — это газ без запаха и цвета.
• Легковоспламеняющееся вещество. Горит голубоватым пламенем.
• Отдельные молекулы метана очень стабильны, но его смесь с воздухом или кислородом взрывоопасна (содержание метана от 5% до около 14% от объема).
• Этот газ устойчив к воздействию химических веществ.
• Его плотность меньше плотности газа.
• Он не растворяется в воде.
• Хорошо растворяется в органических растворителях.
• Он нетоксичен.

Метан подвергается нескольким важным химических реакциям. К самым важным из них принадлежит реакция горения. При неограниченном доступе воздуха метан сгорает полностью. В результате образуются углекислый газ и вода. Этот вид сжигания является самым безопасным и экономичным. В случае ограниченного доступа кислорода метан сгорает не полностью.  С учетом количества доступного кислорода продуктами такого сгорания являются оксид углерода (II) (ядовитый угарный газ) и вода или углерод и вода.

Метан не вступает в реакцию с бромом и марганцевой кислотой. Поэтому не происходит обесцвечивания бромной воды и раствора перманганата калия (VII). В то же время относительно легко реагирует с хлором. Реакции алканов с галогенами сильно экзотермичны. Превращения, происходящие между метаном и хлором, носят радикальный характер. Важно отметить, что хлорирование этого простейшего алкана не происходит в темноте (чаще всего оно инициируется светом). Чтобы это произошло, всю систему пришлось бы нагревать до температуры более 250ᵒC. Механизм хлорирования метана заключается в том, что молекула хлора распадается на два радикала, которые затем реагируют со вторым субстратом и приводят к образованию метильных радикалов и хлористого водорода. Реакция хлорирования не прекращается на стадии монохлорирования. Образующиеся радикалы взаимодействуют с молекулами хлора или радикалами хлора. Молекулой, которая уже не подлежит дальнейшему хлорированию, является четыреххлористый углерод – все атомы водорода замещены атомами хлора. Фактически конечная смесь содержит все упомянутые производные.

Наиболее важные применения метана в промышленности

Одним из основных применений метана является его использование как источника энергии. Такая энергия получается путем сжигания топлива, содержащего это соединение. Примером такого топлива является природный газ. Содержания метана в нем составляет более 90%. После добычи он попадает практически непосредственно к частным потребителям и в промышленный сектор. Сжигание метана также используется в газовых турбинах для производства электроэнергии и тепла. Ним можно также обогревать дом.

Метан используется как топливо для транспортных средств. В виде топливо он известен как CNG (сжатый природный газ) или LNG (сжиженный природный газ). Его использование в автомобилях значительно более выгодно,  чем бензин или дизельное топливо.

Очевидно, что метан охотно использует химическая промышленность. Одним из таких применений является производство водорода с использованием технологии парового риформинга. В связи с растущей заинтересованностью водородом, как топливом будущего, увеличивается также заинтересованность метаном.  Другие химические процессы, использующие метан, это производство метанола, угольного газа или пластмасс.

Метан косвенно участвует также в производстве шин. Сажа, образующаяся при неполном сгорании этого газа, является одним из ингредиентов, используемых для упрочнения резины, предназначенной для производства автомобильных шин. Та же сажа может использоваться в производстве красок, в т.ч. для печати.

Метан как парниковый газ

Среди газов и выбросов, оказывающих наибольшее влияние на глобальное потепление, на первом месте находится углекислый газ. Это пример загрязнения, которое сохраняется в атмосфере очень долго – до нескольких тысяч лет. Но более опасной угрозой для климата является метан. Его присутствие в качестве загрязнителя сохраняется «всего» в течении от 10 до 15 лет, что намного меньше, чем в случае с углекислым газом, но его влияние на парниковый эффект гораздо больше.

Клатраты метана

Интересным примером месторождений метана, которые являются потенциально ценным источником этого вещества, являются так называемые клатраты метана. Учитывая их химическую структуру, их также часто называют гидратами метана или метановым льдом. Клатраты метана — это соединение молекул воды и молекул метана. Вода в этом случае создает конструкцию, которая напоминает клетку. Внутри клетки собирается метан. Между ними не возникает химических связей. Клатраты характеризуются кристаллической структурой и образуются под воздействием  повышенного давления. Физической формой они напоминают белые твердые тела. Они не имеют запаха и по ощущениям напоминают пенопласт. Чаще всего встречаются клатраты метана, созданные с 46 молекул воды, которые окружают 2 маленьких и 6 средних клеток. Внутри находится метан.

Клатраты метана до сих пор остаются не до конца изученным источником энергии. Они вызывают большой интерес именно с учетом возможности получения с них большого количества метана для энергетических целей. Полученное таким способом сырье может быть очень хорошей альтернативой традиционным источникам углеводородов, однако недостаточные знания об эксплуатации метана из клатратов создают значительную угрозу для окружающей среды, что может быть следствием его неконтролируемого выброса атмосферу.

Биометан

Биометан определяется как газ, полученный с биогаза. В свою очередь биогаз — это газ, полученный с биомассы. Он образуется в результате процессов трансформации органических соединений, в том числе отходов растительного и животного происхождения, на свалках и очистных сооружениях. Метан обычно составляет около 55% биогаза. Обычно биогаз используется напрямую, но в исключительных ситуациях предпринимаются меры, направленные на его очистку до чистого биометана.

Биометан существует в двух состояниях: жидком и газообразном. Его получают в ходе метанового брожения биологических отходов. Практически весь метан, получаемый таким образом, предназначен для энергетических целей.  Многие предприятия и производства используют биогаз и содержащийся в нем биометан для питания устройств, которые в настоящее время часто получают энергию из природного газа. Не смотря на то, что он является экологическим источником энергии, сжигание биометана связано со значительными выбросами углекислого газа, который является парниковым газом.

Читайте также: этан, пропан, бутан.