Метан — производство, свойства, использование
Метан принято считать одним из принципиально важных органических соединений на нашей планете. По мнению специалистов, его открыл в 1770-е годы знаменитый итальянский физик Вольта. По современной классификации, это вещество — простое одноуглеродное органическое соединение, с которого отсчитывают гомологический ряд алканов. Метан можно оценивать очень по-разному, он имеет одновременно как положительное, так и негативное значение. При сжигании этого ископаемого топлива выделяется большое количество энергии, однако тот же газ в 28 раз превышает углекислоту по парниковой активности, и дополнительно провоцирует большое число пожаров, взрывов в угольных шахтах. Обманчивая простота химического строения не мешает очень широко использовать метан.Характеристика вещества
Метан — самый простой по структуре алифатический углеводород с молекулярной формулой CH4, что означает объединение 1 атома углерода с 4 водородными атомами. 100% химических связей в метановых молекулах ковалентного типа, иначе это называется сигма-связь. Непосредственные измерения показали, что длина таких «контактов» и их энергия строго одинаковы. Все связи образуют углы одинаковой величины (10928), а сама молекула напоминает тетраэдр, то есть четырёхгранник правильной формы. Из-за наличия углерода происходит sp3-гибридизация.Источники и основные свойства метана
Это вещество — одно из самых частых органических соединений на Земле; чаще всего его извлекают при переработке природного газа, извлекаемого из подземных или морских скважин. Появляется такой метан по причине преобразования остатков живых организмов палеозойской эры; процесс идёт при сильном нагреве и высоком давлении. Наткнуться на этот газ можно ещё в любой угольной шахте. «Свежий» метан постоянно зарождается, когда гниют органические остатки (от 50 до 95% объёма болотных газов приходится именно на метан). Огромные количества этого вещества скопились в придонных слоях морей и открытого океана. Там оно присутствует не в чистом виде, а в формате «клатрата», то есть напоминающей лёд структуру, внутри которой углеводород заперт словно в клетке.
Искусственно получить такое соединение можно различными способами. Иногда лаборанты просто соединяют углерод и водород, разогретые до 500 градусов. Гораздо чаще, впрочем, применяется реакция карбида алюимния с водой (побочный продукт — гидроксид алюминия, а основное целевое вещество улавливают специальными приборами). Наконец, в лабораториях могут ещё смешивать ацетат и гидроксид натрия, затем нагревая смесь.
Физико-химическая картина
В домашних условиях газ метан совершенно бесцветен и не распознаётся по запаху. Зажечь его очень легко, при этом появляется характерный голубоватый огонь. В чистом виде газ стабилен, однако смешивание с чистым кислородом или воздухом создаёт взрывоопасное соединение; критична концентрация ниже 5 и выше 15%. Высокая устойчивость химических связей почти исключает реакции. Плотность метана не только ниже, чем у воздуха, он ещё и легче природного газа в целом. Растворить его в воде нельзя, но можно использовать органические растворители.Хотя метан не ядовит в узком смысле слова, он всё же может вызвать удушье, потому что механически вытесняет воздух из замкнутого пространства.
Чаще всего люди сталкиваются с окислительными реакциями метана (то есть горением). При непрерывном поступлении воздуха или в атмосфере чистого кислорода этот углеводород выгорает полностью до воды и углекислоты, при недостаточном окислении появляется угарный газ.
Взаимодействие с бромом, а также с марганцевой кислотой исключено, бромная вода не обесцвечивается в присутствии метана. Однако хлор достаточно активен, чтобы воздействовать даже на это сравнительно инертное вещество — но только под влиянием ультрафиолетовых лучей или при высоких температурах. Любые алканы с галогенами реагируют интенсивно, при этом выделяется много теплоты. Хлорировать метан можно только на свету, при затемнении процесс не начинается, если температура ниже 250 градусов.
При соблюдении таких условий молекула хлора делится на пару радикалов, которые уже и являются движущей силой реакции. Поначалу формируются метильные радикалы и хлористый водород, но процесс идёт дальше, пока не возникнет четырёххлористый углерод. Надо помнить, что в получившейся смеси могут присутствовать и продукты промежуточного звена.
Как используется этот углеводород
Высокая энергетическая ценность CH4 заставляет людей сжигать его соединения. Практически всегда подразумевается природный газ, где концентрация метана может превышать 90%. Конечной целью сжигания выступает выработка тепла и электрической энергии. На метане ездят многие автомобили, использовать могут как CNG (сжатую), так и LNG (сжиженную) форму. Стоимость такого горючего существенно ниже, чем цена бензина, соляра, однако высокие стартовые инвестиции, взрывоопасность и ограниченная сеть заправок мешают расширить количество «газовых» автомобилей.Огромные количества метана закупают химические заводы. Чаще всего они производят с его помощью:
- водород (по методу парового риформинга);
- метанол;
- угольный газ;
- полиэтилен;
- полипропилен;
- сажу, которой упрочняют автомобильную резину.
Парниковый эффект
Известно, что углекислота вносит наибольший количественный «вклад» в изменение климата. Она способна держаться в атмосфере веками и даже тысячелетиями. Метановые молекулы удаляются из воздуха «только лишь» за 10–15 лет, однако они гораздо интенсивнее задерживают солнечное тепло.Клатраты метана
В поиске новых источников этого важного органического соединения специалисты обратили внимание на клатраты, они же гидраты, метановый лёд. Термин «клетка» в данном случае не метафора, именно на клетку внешне похожа конфигурация молекул воды вокруг частиц газа. Стоит учесть, что химическое взаимодействие между веществами не происходит, связей они не формируют; причина появления таких необычных структур — повышенное давление. Визуально клатраты скорее похожи на пенопласт, в основном они формируются из 46 молекул воды.Изученность таких веществ пока ещё недостаточна, хотя уже ясно, что они могут принести большую пользу энергетике. По мере исчерпания запасов наземных углеводородов добыча клатратов будет становиться всё актуальнее, но эксперты пока не могут продумать надёжную технологию их извлечения. Нельзя исключить при нынешнем уровне техники, что эти вещества начнут попадать в атмосферу.
Биометан
Его получают путём разложения биогаза, то есть аналога природного газа, сделанного напрямую из биомассы, и впоследствии дополнительно очищенного. Доля метана в составе биогаза составляет примерно 55%. Выделять этот компонент специально не стремятся, кроме особых случаев.Биометан может быть в жидкой или газообразной фазе. Практически полностью это вещество расходуют для энергетических целей. Невзирая на экологичность процесса получения биологического метана, при его сгорании выделяется огромное количество углекислоты, усиливающей парниковый эффект.