Метан

Мета́н — найпростіша органічна сполука вуглецю з воднем, природний безбарвний газ без запаху, хімічна формула — CH4.

Метан є основною складовою природного газу. Крім того, він міститься в кам'яновугільних пластах — під час їхньої розробки утворюються вибухонебезпечні суміші метану з повітрям, так званий «рудниковий газ».

Зустрічається в осадовому чохлі земної кори у вигляді вільних скупчень (покладів), в розчиненому (в нафті, пластових і поверхневих водах), розсіяному, сорбованому (породами і органічною речовиною) і твердому (газогідратному) станах.

При використанні в побуті, до метану зазвичай додають одоранти зі специфічним «запахом газу».

Поширення у природі Метан є основним компонентом: газів природних горючих (до 99,5 %), нафтових попутних (39–91 %), болотяних (понад 99 %) і рудникових (34–48 %) газів; присутній у газах грязьових вулканів (понад 95 %), спорадично зустрічається у вулканічних газах і в газах магматичних і метаморфічних порід.

Велика кількість метану розчинена у водах океанів, морів, озер. Середній вміст метану у водах Світового океану близько 10−2 см³/л, загальна кількість — 14·1012 м³. Кількість метану, розчиненого у пластових водах, на декілька порядків вища від його промислових запасів.

Метан присутній також в атмосферах Землі, Марса, Юпітера, Сатурна, Урана; в газах поверхневого ґрунту Місяця. Метан, який досягає поверхні й атмосфери, називають . Основна маса метану літо- і гідросфери Землі утворилася при біохімічній і термокаталітичній деструкції розсіяної органічної речовини, вугілля і нафт. Метан утворюється при анаеробному розкладанні органічних речовин, зокрема целюлози (метанове бродіння).

В природі Землі метан досить поширений. Горючі природні гази складаються на 90–97 % з метану. Він утворює багато родовищ, з яких добувається і по газопроводах подається до місця використання. На дні боліт і ставків метан утворюється внаслідок розкладу залишків рослин без доступу повітря. Тому його називають ще болотним газом. Під назвою «рудниковий газ» метан нагромаджується у вугільних шахтах, внаслідок виділення з пластів вугілля і супутніх порід, в яких знаходиться у вільному та зв'язаному вигляді. На діючих шахтах спостерігається виділення метану з вугільних пластів у обсязі до 70−80 м³/т с. б. м. (т с. б. м. — тонна сухої беззольної маси), що робить економічно доцільним його самостійне або супутнє (дегазація) видобування з вугільних родовищ.

Рудниковий газ дуже небезпечний, оскільки з повітрям може утворювати вибухову суміш. Найвибухонебезпечніші концентрації метану у повітрі — 9–14 %.

Основний компонент природних (77–99 %), супутніх нафтових (31–90 %), рудникового та болотяного газів. Є парниковим газом.

При низьких температурах метан утворює сполуки включення — газові гідрати, що широко розповсюджені в природі.

Газові гідрати — тверді кристалічні речовини густиною 880–890 кг/м³, схожі на сніг або лід. Гідратоутворення відбувається в пористому середовищі осадового чохла з формуванням газогідратних покладів.

Фізичні властивості

Метан — безбарвний газ без запаху та смаку, майже удвічі легший від повітря. У воді малорозчинний. На повітрі або в атмосфері кисню він горить слабкосвітним полум'ям. Його суміш з повітрям або киснем вогне- та вибухонебезпечна.

Має густину за повітрям 0,555 (20 °C); молекулярна маса 16,04, tпл = −182,49 °C, tкип = −161,56 °C, критичний тиск 4,58 МПа, критична температура −82 °С, температура спалаху 87,8 °C, температура самозаймання 537,8 °C.

Будова молекули Молекулярна формула СН4. Структурна і електронна формули: Н

Н — С - Н

H

Молекула метану в декартових координатах (в ангстремах):

C 0.000000 0.000000 0.000000 H 0.000000 0.000000 1.089000 H 1.026719 0.000000 -0.363000 H -0.513360 -0.889165 -0.363000 H -0.513360 0.889165 -0.363000

Молекула метану у вигляді z-матриці:

C H 1 1.089000 H 1 1.089000 2 109.4710 H 1 1.089000 2 109.4710 3 120.0000 H 1 1.089000 2 109.4710 3 -120.0000

Отримання У лабораторіях метан можна одержати при нагріванні ацетату натрію з твердим гідроксидом натрію або при дії води на карбід алюмінію: CH3COONa + NaOH → Na2CO3 + CH4 ↑ Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4 ↑

Хімічні властивості Перший член гомологічного ряду насичених (метанових) вуглеводнів. Метан являє собою малоактивну в хімічному відношенні речовину. За звичайних умов він досить стійкий до дії кислот, лугів і окисників. Так, при пропусканні метану через розчин KMnO4, який є досить сильним окисником, він не окислюється і фіолетове забарвлення розчину не зникає. У реакції приєднання (сполучення) метан не вступає, оскільки в його молекулі всі чотири валентності атома вуглецю повністю насичені. Для метану, як і інших насичених вуглеводнів, типовими є реакції заміщення, при яких атоми водню заміщаються атомами інших елементів або атомними групами. Характерна для метану також реакція з хлором, яка відбувається при звичайній температурі під впливом розсіяного світла (при прямому сонячному світлі може статися вибух). При цьому атоми водню в молекулі метану послідовно заміщаються атомами хлору:

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl Внаслідок реакції утворюється суміш хлоропохідних метану.

Також вступає у реакцію сульфохлорування — взаємодію із сумішшю хлору та діоксиду сірки з утворенням метансульфохлориду:

H3C-H +SO2 +Cl2 ->H3C-SO2-Cl +HCl

В атмосфері повітря метан горить безбарвним полум'ям з виділенням значної кількості тепла: CH4 + 2O2 → СО2 + 2Н2О З повітрям метан утворює вогненебезпечну вибухову суміш. При нагріванні метану без доступу повітря до температури вище 1000 °C він розкладається на елементи — на вуглець (сажу) і водень: CH4 → С + 2Н2 При температурі 1500 °C без доступу кисню і наступному охолодженні відбувається піроліз метану до ацетилену і водню: 2CH4 → С2H2 + 3H2

Застосування

Велика кількість метану використовується як зручне і дешеве паливо. Неповне спалювання метану дає сажу, яка йде на виготовлення друкарської фарби і як наповнювач каучуку, а при термічному розкладі (вище 1000 °C) одержують сажу і водень, який використовують для синтезу амоніаку. Продукт повного хлорування метану — тетрахлорид вуглецю CCl4 — є добрим розчинником жирів і застосовується для екстрагування жирів із зерен олійних рослин. Метан служить також вихідною речовиною для одержання ацетилену, метилового спирту і багатьох інших хімічних продуктів.

Метан (природний газ, стиснений природний газ — СПГ, CNG) як моторне пальне — найбезпечніший і екологічно чистий вид пального. Використання СПГ як моторного пального зростає завдяки низці переваг у порівнянні з бензиновим і дизельним паливом.

Метан як рудниковий газ

З повітрям метан утворює вибухові суміші. При вмісті в повітрі до 5−6 % метан горить біля джерела тепла (температура запалення 650−750 °С), при вмісті 5−15,2(16) % — вибухає, понад 16 % — може горіти при припливі кисню, зниження при цьому концентрації метану вибухонебезпечне.

Метан має слабку наркотичну дію. ГДК 300 мг/м³. Виділення метану у виробітках шахт створює особливу небезпеку при видобутку вугілля. Розрізняють три форми виділення метану в гірничих виробках: звичайне, суфлярне і раптове. За метановістю, відповідно до «Правил безпеки у вугільних шахтах», шахти поділяють на п'ять категорій. Критерієм такого поділу є відносна метановість, тобто кількість метану в кубометрах, що виділяється за добу на 1 т середньодобового видобутку: з виділенням метану до 5 м³/т; 5−10 м³/т; 10−15 м³/т; надкатегорійні — понад 15 м³/т; небезпечні за суфлярними виділеннями.

Шахти, що розробляють пласти, небезпечні або загрозливі за раптовими викидами вугілля, газу й породи, належать до особливої категорії — небезпечних за раптовими викидами.

Перспективним вважається видобуток метану з вугільних пластів (Див. метаноносність вугільного пласта, метан вугільних родовищ). Наприкінці XX ст. цією проблемою тільки в США займалися науковці бл. 40 університетів, задіяно бл. 100 фірм. Перші промислові спроби використати попутний метан (при вуглевидобутку) провадяться і в Україні, на Донбасі. У промисловості метан застосовують для одержання синтезгазу, ацетилену, хлороформу, чотирихлористого вуглецю, технічного вуглецю та ін. Продукти неповного окиснення метану є вихідними для виготовлення пластмас, використовуються в органічному синтезі.

Цікаві факти Чорне море багате на поклади метану, вони виявлені на глибинах 300−1000 м. У центральній глибоководній частині моря запаси оцінюють у 20−30 трлн м³, а загалом у Чорному морі, за прогнозами геологів України і Росії, міститься 60−80 трлн м³ цього газуАндрушків Б., Вовк І., Погайдак О. Удосконалення економічного інструментарію пошуку нових ресурсів в умовах пострадянського суспільства // Галицький економічний вісник. Науковий журнал . — 2012. № 3 (36) (с.:80-81) . Очікувані запаси газу тільки в осадових породах в українській частині чорноморського дна — 7−10 трлн м³. Цього, при збереженні рівня споживання 2012 року, вистачить на сто років.

Див. також Болотяний газ Метановість вугільних шахт Метан вугільних родовищ Метанова зона Метановість виробок Метаноємність вугілля Природні горючі гази Сигналізатор метану Термокондуктометричний датчик метану Біометан

Примітки

Джерела Деркач Ф. А. «Хімія» Л. 1968

Органічна хімія: Підруч. для студ. вищ. навч. закл. / Л. Д. Бобрівник, В. М. Руденко, Г. О. Лезенко. — К.; Ірпінь: ВТФ «Перун», 2005. — C. 143—144. Саранчук В. І., Ільяшов М. О., Ошовський В. В., Білецький В. С. Основи хімії і фізики горючих копалин. (Підручник з грифом Мінвузу). — Донецьк: Східний видавничий дім, 2008. — 640 с.

Література Метан і парниковий ефект атмосфери: (екол., біохім. та мікробіол. аспекти) / Л. І. Сологуб, Г. Л. Антоняк, Г. О. Богданов [та ін.]. − Л. : ПАІС, 2008. − 275 с. : табл. − Бібліогр. : с. 185−275 (1057 назв). − ISBN 978-966-7651-81-7. Ластухін Ю. О., Воронов С. А. Органічна хімія. — 3-є. — Львів: Центр Європи, 2006. — 864 с. — ISBN 966-7022-19-6.