Газ википедия и физика природного газа. строение, свойства, химический состав и основные физические особенности природного газового соединения

Краткая характеристика

Природный метан образуется при гниении останков живых организмов. В переводе с английского «methane» означает «болотный газ», так как чаще всего его обнаруживают в болотах и каменноугольных шахтах.

Почти 95% реагента появляется в результате биологических процессов. Пятая часть годовых выбросов газа в атмосферу приходится на коз и коров, в желудках которых живут бактерии, вырабатывающие метан. В атмосферу он попадает, когда рогатый скот выводит из организма продукты своей жизнедеятельности.

Другими источниками вещества являются:

• термиты;
• рис-сырец;
• болотистые водоёмы;
• фильтрация природного газа;
• фотосинтез растений;
• вулканы;
• давно погибшие организмы.

Поскольку вещество обычно связано с живыми организмами, то учёные полагают, что его присутствие на планете указывает на наличие жизни. Так, когда этот газ был обнаружен в атмосферах Марса, специалисты начали тщательное изучение планеты именно на предмет существования живых организмов. Но дальнейшие исследования показали, что на удалённых планетах Солнечной системы метана значительно больше, хотя там он появился в результате химических реакций.

На Земле вещество просачивается через трещины в земной коре, находящиеся на океанском дне, в больших количествах выделяется во время горных разработок и при лесных пожарах. Кроме того, недавно учёными был обнаружен новый источник газа, который никогда ранее в таком ключе не рассматривался.

Физические качества

Метан представляет собой самый простой углеводород. Считается, что он имеет специфический запах, но это распространённое заблуждение. Чистый газ не имеет запаха, характерный аромат он приобретает благодаря специальным добавкам, которые добавляют в вещество для предупреждения о его утечке, ведь цвета химическое соединение также не имеет.

Кроме того, к физическим свойствам метана относятся:

• Горение голубым пламенем.
• Сгорание без выделения вредных продуктов.
• Плохая растворимость в воде.
• Он легче воздуха.
• Основная составляющая природных, попутных нефтяных, рудничного и болотного газов.
• Кипение при температуре -161 °C.
• Замерзание при температуре -183 °C.
• Молярная масса составляет 16,044 г/моль.
• Плотность — 0,656 кг/м³.
• При соединении с воздухом образуются взрывоопасные смеси.
• В жидком виде представляет собой бесцветную жидкость без запаха.

Наиболее опасен метан, который выделяется во время подземных разработок полезных ископаемых, а также на фабриках, занимающихся переработкой и обогащением угля. Когда количество газа в воздухе достигает 5−6%, то он начинает гореть рядом с источниками тепла.

Если уровень вещества поднимается до 14−16%, то может произойти взрыв. При увеличении концентрации вещество горит при постоянном поступлении кислорода. 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.

При соприкосновении с источником тепла метан воспламеняется с небольшой задержкой. Это свойство вещества применяется при изготовлении предохранительных взрывчатых веществ и электрооборудования, безопасного при взрывах. На всех объектах, где существует опасность выброса метана, действуют правила техники безопасности «газовый режим».

Химические свойства

В химии формула метана — CH4. Соединение плохо вступает в химические связи.

В обычных условиях оно не реагирует со следующими веществами:

• концентрированные кислоты;
• расплавленные и концентрированные щелочи;
• щелочные металлические реагенты;
• галогены;
• перманганат калия;
• дихромат калия в кислой среде.

При температуре около 200 °C и давлении от 30 до 90 атмосфер болотный газ окисляется, преобразуясь в муравьиную кислоту. Вещество образует соединения, называемые газовыми гидратами, которые часто встречаются в природе.

По своим химическим свойствам метан схож с другими реагентами, относящимися к алканам. А потому он вступает в такие химические реакции, как:

• Конверсия в синтез-газ. Синтез-газ, который образуется в результате указанной реакции, используется для получения метанола, углеводородов и так далее.
• Галогенирование. Такая реакция является цепной. При ней молекула брома или йода подвергается воздействию света и распадается на радикалы, которое затем атакуют молекулы метана. В результате от соединения отрывается атом водорода, а газ становится свободным метилом CH3. Получившееся вещество сталкивается с молекулами брома или йода, которые разрушаются, образуя новые радикалы этих реагентов.
• Нитрование.
• Окисление или горение. Эта реакция происходит при избытке кислорода и описывается следующим уравнением: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O. В этом случае пламя имеет голубой цвет. Если кислорода недостаточно, то результатом реакции становится выработка не углекислого газа, а оксида углерода. Если же кислорода ещё меньше, то взаимодействие веществ приведёт к выделению мелкодисперсного углерода.
• Сульфохлорирование.
• Сульфоокисление.
• Разложение.
• Дегидрирование.
• Каталитическое окисление. В подобных реакциях из болотного газа образуются карбоновые кислоты, спирты, альдегиды.

Получение в промышленности и лаборатории

В промышленных условиях вещество получают посредством нагревания углерода и водорода или синтеза водяного газа. Для того чтобы реакция протекала успешно, используют катализатор, обычно в этом качестве применяется никель. В США для добычи простейшего углеводорода используется специальная система, способная извлекать соединение из природного угля. Но также метан выделяется в виде подобного продукта при термической переработке нефти и нефтепродуктов, коксовании и гидрировании каменного угля.

В лаборатории для получения вещества применяются следующие методы:

• Реакция гидроксида натрия с ацетатом натрия.
• Взаимодействие карбида алюминия.
• Нагревание натристой извести с уксусной кислотой. Для этой реакции необходима безводная среда, а потому в ней применяется гидроксид натрия, который является наименее гигроскопичным.

Болотный газ самый термически устойчивый углеводород, а потому он широко применяется и в быту, и в промышленности. Хлорирование вещества даёт возможность получения метилхлорида, метиленхлорида, хлороформа, четырёххлористого углерода. Результатом его неполного сгорания является сажа, Если метан каталитически окисляется, то получается формальдегид. А его реакция с серой приводит к образованию сероуглерода.

К важным методам получения ацетилена из простейшего углеводорода относятся:

• термоокислительный крекинг,
• электрокрекинг.

Газ также применяется для производства синильной кислоты. Кроме того, он даёт водород, необходимый для выработки водяного газа, который, в свою очередь, применяется для создания углеводородов, альдегидов и тому подобного. Кроме того, метан необходим при производстве нитрометана.

В настоящее время газ стал часто использоваться в качестве автомобильного топлива. Но его плотность в 1000 раз меньше плотности бензина, а потому, чтобы заправить автомобиль метаном на тот же объём, что и бензином, при равном давлении необходим соответствующий бак. В таком случае для обычной поездки потребовалось бы возить прицеп с топливом.

Учёные решили эту проблему, увеличив плотность газа до 200−250 атмосфер. Сжатое вещество закачивается в специальные баллоны, установленные на автомобилях особой конструкции.

Парниковый эффект

Метан является одним из газов, создающих на планете парниковый эффект. Чтобы измерить уровень его парниковой активности, необходимо принять за единицу меру воздействия на климат нашей планеты диоксида углерода. При таком соотношении влияние метана будет равно 23. Специалисты в области изучения парникового эффекта отмечают, что количество указанного газа в земной атмосфере значительно выросло за последние два столетия.

Объём метана в современной атмосфере в среднем составляет 1,8 части на миллион. Это количество в 200 раз меньше того же показателя углекислого газа. Необходимо отметить, что молекулы соединения рассеивают и удерживают теплоту, которую излучает нагретая солнцем планета, гораздо лучше, чем молекулы углекислого газа. И также необходимо отметить, что углеводород поглощает земное излучение в тех спектральных областях, которые свободно проходят через другие газовые соединения, создающие эффект парника.

Но тем не менее такие газы планете необходимы. Без двуокиси углерода, водяных паров, метана и других составляющих атмосферы температура на поверхности Земли была бы значительно ниже средних 15 градусов тепла.

Влияние на организм человека

Человек может отравиться, надышавшись метаном при аварии на производстве или из-за неправильного обращения с приборами, работающими на этом газе. Возможна такая ситуация и при длительном нахождении на болоте, в шахте. Если концентрация вещества в воздухе составляет 20 и более процентов, то отравление может быть очень тяжёлым, вплоть до летального исхода.

Работники химических производств, рудников и шахт подвержены другому способу отравления углеводородом. Зачастую эти люди на протяжении длительного времени регулярно вдыхают небольшие дозы вещества.

Кроме того, хроническая интоксикация может наступить из-за заболеваний кишечника, например, дисбактериоза. В таких случаях в организме больного метан образуется в повышенном количестве. Этот газ не станет причиной серьёзной интоксикации, но всё же он может вызвать в организме разные нарушения, привести к желудочно-кишечному дискомфорту и общему ухудшению самочувствия.

Отличить острое отравление метаном можно по следующим признакам:

• головокружение;
• шум в ушах;
• сонливость;
• общая слабость;
• потеря координации;
• нарушение речи;
• резь в глазах;
• слезотечение;
• удушье;
• усиленное сердцебиение;
• понижение артериального давления;
• тошнота;
• приступы рвоты;
• синюшность кожных покровов и слизистых оболочек.

Если отравление тяжёлое, то человек теряет сознание, у него начинаются судороги, за которыми следует кома. А также возможна остановка дыхания и сердцебиения.

Если отравление метаном является хроническим, то пострадавший страдает от частых головных болей, общего недомогания, низкого артериального давления и снижения работоспособности. Человек становится бледным и вялым, испытывает упадок сил. Гипотония может вызывать обмороки. И также возможно истощение нервной системы, которое выражается в повышенной раздражительности, нервозности и тому подобном.

Метан известен, как один из самых опасных газов. Он токсичен, горюч и взрывоопасен. Вещество не имеет ни цвета, ни запаха, а потому обнаружить его в воздухе крайне сложно. Чтобы не подвергать своё здоровье и жизнь опасности, следует внимательно относится к технике безопасности и соблюдать осторожность при работе или бытовом использовании метана.

У этого термина существуют и другие значения, см. Метан (значения).

Метан — первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов (алканов), наиболее устойчив к химическим воздействиям. Подобно другим алканам вступает в реакции радикального замещения (галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления, нитрования и др.), но обладает меньшей реакционной способностью. Специфична для метана реакция с парами воды, которая протекает на Ni/Al₂O₃ при 800—900 °C или без катализатора при 1400—1600 °C; образующийся синтез-газ может быть использован для синтеза метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Получение

В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и кальция) или безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой.

Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.

Также для лабораторного получения метана используют гидролиз карбида алюминия или некоторых металлорганических соединений (например, метилмагнийбромида).

Химические свойства

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1 м³. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 5 до 15 процентов. Точка замерзания −184^oС (при нормальном давлении)

Вступает с галогенами в реакции замещения, которые проходят по свободно радикальному механизму:

Выше 1400 °C разлагается по реакции:

Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200 °C и давлении 30—90 атм. по цепному радикальному механизму:

Соединения включения

Метан образует соединения включения — газовые гидраты, широко распространенные в природе.

Применение метана

• Топливо.
• Сырьё в органическом синтезе.

Физиологическое действие

Метан является самым физиологически безвредным газом в гомологическом ряду парафиновых углеводородов. Физиологическое действие метан не оказывает и не ядовит (из-за малой растворимости метана в воде и плазме крови и присущей парафинам химической инертности). Погибнуть человеку в воздухе, с высокой концентрацией метана можно только от недостатка кислорода в воздухе для дыхания при очень высоких концентрациях метана. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки асфиксии (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, сходные с горной болезнью.

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.

Первая помощь при тяжелой асфиксии: удаление пострадавшего из вредной атмосферы. При отсутствии дыхания немедленно (до прихода врача) искусственное дыхание изо рта в рот. При отсутствии пульса — непрямой массаж сердца.

Хроническое действие метана

У людей, работающих в шахтах или на производствах, где в воздухе присутствуют в незначительных количествах метан и другие газообразные парафиновые углеводороды, описаны заметные сдвиги со стороны вегетативной нервной системы (положительный глазо-сердечный рефлекс, резко выраженная атропиновая проба, гипотония) из-за весьма слабого наркотического действия этих веществ, сходного с наркотическим действием диэтилового эфира.

Ссылки

• Чем метан лучше пропана
• Термодинамические свойства метана.
• Свойства метана

(рудничный, болотный газ) СН ₄, мол. м. 16,04; бесцв. газ без запаха; т. пл. -182,48 °С, т. кип. -161,49 °С: d₄^-164 0,415; t _крит -82,4°С, p _крит 4,6 МПа, d _крит 160,4 кг/м ³; С ⁰_p 2,22кДж/(кг ^. К); DH⁰ _исп 8,22 кДж/моль, DH⁰ _обр -84,9 кДж/моль, DH⁰ _сгор -882 кДж/моль; S⁰₂₉₈ 186,2 Дж/(моль ^. К); DG⁰ _обр — 50,6 кДж/моль. Р-римость в воде (г в 100 мл): 0,005563, 0,003308 и 0,00170 соотв. при 0, 20 и 100 °С; раств. в этаноле, эфире, ССl₄, в углеводородах. Молекула М. имеет тетраэдрич. строение (sp -гибридизация углеродного атома).

М.-первый член гомологич. ряда насыщенных углеводородов, наиб. устойчив к хим. воздействиям. Подобно др. алканам вступает в р-ции радикального замещения (гало-генирования, сульфохлорирования, сульфоокисления, нитрования и др.), но обладает меньшей реакц. способностью. Специфична для М. р-ция с парами воды, к-рая протекает на Ni/Al₂O₃ при 800-900 °С или без катализатора при 1400-1600 °С; образующийся синтез-газ м. б. использован для синтеза метанола, углеводородов, уксусной к-ты, аце-тальдегида и др. продуктов. Нек-рые характерные для М. р-ции приведены на схеме:

Разрабатываются р-ции окислит. дегидроизомеризации М. в этилен и др. углеводороды, а также прямого окисления М. в метанол и формальдегид на оксидных катализаторах,

М.-основной компонент природного и рудничного газов (до 98%), образуется также в результате анаэробного (ме-танового) брожения целлюлозы (болотный газ, биогаз). М. составляет основу атмосферы ряда планет — Сатурна, Юпитера и его спутника Титана.

В пром-сти М. выделяют из природного или крекинг-газа низкотемпературной дистилляцией или адсорбцией на цеолитах. М. б. получен также гидрированием СО и СО ₂ на катализаторе при 200-300 °С. В лаб. условиях получают сплавлением ацетата Na с NaOH, гидролизом карбида Аl или разложением метилмагнийгалогенидов.

В составе природного коксового и биогазов М. используют в качестве топлива. В пром-сти его применяют для получения синтез-газа, водорода, ацетилена, техн. углерода, HCN, метил- и метиленхлоридов, СНСl₃, ССl₄, CH₃NO₂, фреонов.

С воздухом М. образует взрывоопасные смеси, что является осн. причиной взрывов на угольных шахтах. Т. всп. -187,9 °С, т. самовоспл. 537,8 °С, КПВ 5-15%. М. нетоксичен, ПДК 300 мг/м ³.

Лит.: Метан, М., 1978; Катализ в С ₁ -химии, пер. с англ., Л., 1987; «Успехи химии», 1989, т. 58, в. 1. А. А. Братков.

Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
.
.

Горная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
Под редакцией Е. А. Козловского.
.

Bloomberg Creative / Getty Images

Метан (CH4) – это бесцветный газ без запаха, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Метан также является мощным парниковым газом; при выбросе он остается в атмосфере и влияет на климат Земли. Это вторая по значимости причина глобального потепления после углекислого газа. (1)

С 1750 года люди увеличили количество метана в атмосфере примерно на 150%. Добыча ископаемых видов топлива, таких как нефть, газ и уголь, является крупнейшим источником выбросов метана. Люди также увеличили выбросы метана из-за интенсивных методов ведения сельского хозяйства, животноводства и удаления отходов. (2)

Откуда берется метан?

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.

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.

По данным NASA, около 30% выбросов метана приходится на водно-болотные угодья. Еще 30% приходится на добычу нефти, газа и угля. Сельское хозяйство, особенно животноводство, выращивание риса и управление отходами составляют 20%. Остальные 20% поступают из более мелких источников, включая океан, сжигание биомассы, вечную мерзлоту и – подождите – термитов. (3)

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. После добычи нефть и газ перемещаются по трубопроводам.

Метан имеет много полезных применений. Природный газ используется для отопления, приготовления пищи, в качестве альтернативного топлива для некоторых автомобилей и автобусов, а также для производства органических химикатов. Десять лет назад промышленность продвигала природный газ в качестве более чистого «мостового топлива», помогающего отказаться от нефти. Но хотя в момент сгорания природный газ выделяет меньше парниковых газов, он производит на самом деле не меньше выбросов, чем другие ископаемые виды топлива, на протяжении всего своего жизненного цикла из-за широко распространенных утечек.

Воздействие метана

Парниковые газы, такие как метан, остаются в атмосфере Земли, позволяя солнечному свету проходить через нее, но задерживая тепло. Увеличивая концентрацию парниковых газов в атмосфере, люди вызывают глобальное потепление.

Хотя метан в целом составляет гораздо меньшую часть парниковых газов, чем углекислый газ, и распадается примерно через 10 лет, он сильнее воздействует. Метан примерно в 28 раз мощнее углекислого газа. После падения в начале 2000-х годов уровни выбросов метана впоследствии выросли как из-за использования ископаемого топлива, так и из-за производства продуктов питания, поскольку люди потребляли больше мяса. (4, 5)

Выбросы от ископаемого топлива

Утечки газа могут происходить из труб и другой инфраструктуры в сетях природного газа, а также из простаивающих и заброшенных скважин. Сжигание и сброс во время добычи – два других значительных источника антропогенных выбросов метана. Если вы когда-нибудь видели, как при добыче нефти или газа из высокой трубы вырывается пламя – это сжигание природного газа в воздухе. (6)

Сжигание производится по разным причинам, в том числе по соображениям безопасности. 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.

Производители и дистрибьюторы нефти и газа оценивают выбросы во время бурения, удаления газов и сжигания в факелах, а также любого газа, который вытекает из миллионов труб и соединений, составляющих газовую сеть. Но независимые исследования показывают, что выбросы метана намного больше, чем сообщается в отраслевых отчетах. (7)

Новые исследования показывают, что пластиковые изделия, такие как пластиковые пакеты, предметы домашнего обихода и синтетическая одежда, являются дополнительными источниками выбросов метана. Это вызывает обеспокоенность, поскольку производство пластика может удвоиться в следующие два десятилетия, однако прямые выбросы от пластиковых изделий не учитывались ни в глобальном бюджете метана, ни в климатических моделях. (8)

Сельское хозяйство, животноводство и пищевые отходы

Tim Graham/ Getty Images

Выбросы метана в сельском хозяйстве включают животноводство, выращивание риса и сточные воды. Животноводство составляет самую большую долю, а также растущую долю, поскольку мировое потребление мяса продолжает расти. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO), животноводство составляет 14,5% от общих антропогенных выбросов парниковых газов. (9, 10)

Основная часть выбросов домашнего скота происходит от жвачных, таких как крупный рогатый скот, буйволы, овцы и верблюды, которые производят много метана во время пищеварения, большая часть которого выделяется при отрыжке. Навоз домашнего скота вносит дополнительный вклад, особенно в системах интенсивного сельского хозяйства. Из выбросов метана от жвачных животных наибольший вклад вносят мясной и молочный скот. (10)

Пищевые отходы – еще одна серьезная проблема. По данным FAO, около трети всех продуктов питания, производимых в мире для потребления человеком, никогда не употребляется в пищу. Эти пищевые отходы вносят значительный вклад в общие выбросы парниковых газов (около 8%) и являются основным источником выбросов метана при разложении пищевых продуктов. (11)

Хотя наиболее важными источниками антропогенных выбросов метана являются сельское хозяйство и добыча ископаемого топлива, люди вносят свой вклад в выбросы другими способами. По данным EPA, полигоны твердых бытовых отходов являются третьим по величине источником антропогенных выбросов метана. Есть также косвенные воздействия изменения климата. Потепление планеты приводит к таянию вечной мерзлоты, что может привести к выбросу большего количества метана. Еще одна причина – сжигание биомассы от лесных пожаров и преднамеренное сжигание. (12, 13, 14, 15)

Последствия для здоровья человека

Помимо косвенного воздействия, связанного с климатом, выбросы метана отрицательно сказываются на качестве воздуха. Метан и другие углеводороды в природном газе соединяются с оксидами азота, образуя озоновое загрязнение. Приземный озон, также известный как смог, обостряет респираторные заболевания, такие как астма и хронический бронхит. (16)

Исследования также связывают бурение и гидравлический разрыв пласта с загрязнением питьевой воды настолько серьезным, что вода из кранов в домах вблизи буровых работ может воспламениться из-за высокого уровня метана. Хотя ограниченные исследования показывают, что метан не вреден для питья, он может вызывать взрывы и накапливаться в закрытых помещениях. (17, 18)

Регулирование

Поскольку метан является одновременно очень сильным парниковым газом и недолговечным по сравнению с двуокисью углерода, значительное сокращение выбросов метана окажет быстрое и важное влияние на атмосферное потепление. (19)

Одно недавнее исследование показало, что быстрое сокращение выбросов метана может замедлить скорость потепления Земли на целых 30%. Но времени мало: в 2020 году уровень метана резко увеличился. Важные меры по обращению вспять этой тенденции включают сокращение утечек, связанных с нефтью и газом, и преднамеренных выбросов газа, очистку заброшенных угольных шахт, сокращение потребления мяса и молочных продуктов, использование кормовых добавок для крупного рогатого скота, снижающих отрыжку, а также внедрение технологий для улавливания выбросов со свалок. (20, 21)

В 2020 году Европейский союз принял стратегию по сокращению выбросов метана в рамках Европейского зеленого курса, в котором изложен амбициозный план по достижению углеродной нейтральности к 2050 году, включая сокращение выбросов метана. По мере того, как мир готовился к саммиту по климату COP26 в Глазго, на Китай также нарастает давление, чтобы он делал больше. Неизвестно, хватит ли коллективных усилий, чтобы замедлить глобальное потепление и избежать катастрофической переломной точки, но импульс набирает обороты. (22)

Технологии тоже играют свою роль. Технологии улавливания метана позволяют хранить и повторно использовать метан, выбрасываемый свалками, сжиганием ископаемого топлива, навозом и другими источниками, в качестве топлива или даже в качестве компонента таких товаров, как одежда и упаковочные материалы. Сами по себе технологические инновации не повернут вспять тенденцию к увеличению выбросов. Но на счету каждое усилие.

Научный журналист, освещающий широкий круг тем, касающихся окружающей среды, климатического кризиса, загрязнения и жизни людей. Внештатный автор сайта «Знание – свет».

насыщенный углеводород с формулой CH4

Метан (US : или UK : ) — химическое соединение с химической формулой CH4(один атом углерода и четыре атома водорода ). Это гидрид группы 14 и простейший алкан, и он является основным компонентом природного газа. Относительное содержание метана на Земле делает его экономически привлекательным топливом, хотя его улавливание и хранение создает технические проблемы из-за его газообразного состояния при нормальном условия для температуры и давления.

Природный метан находится как под землей, так и под морским дном, и образуется в результате как геологических, так и биологических процессов. Самый большой резервуар метана находится под морским дном в виде клатратов метана. Когда метан достигает поверхности и атмосферы, он известен как атмосферный метан. Концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась примерно на 150% с 1750 года, и на нее приходится 20% от общего радиационного воздействия от всех долгоживущих и глобально смешанных парниковые газы. Метан также был обнаружен на других планетах, включая Марс, что имеет значение для астробиологических исследований.

Свойства и связывание

Метан — это тетраэдрическая молекула с четырьмя эквивалентными связями C – H. Его электронная структура описывается четырьмя связывающими молекулярными орбиталями (МО), возникающими в результате перекрытия валентных орбиталей на C и H. MO с наименьшей энергией является результатом перекрытия 2s-орбиталей на углероде с синфазной комбинацией 1s-орбиталей на четырех атомах водорода. Выше этого энергетического уровня находится тройной вырожденный набор МО, который включает перекрытие 2p-орбиталей на углероде с различными линейными комбинациями 1s-орбиталей на водороде. Полученная схема соединения «три на один» согласуется с измерениями фотоэлектронной спектроскопии.

При комнатной температуре и стандартном давлении метан представляет собой бесцветный газ без запаха. Знакомый запах природного газа, который используется в домах, достигается добавлением одоранта, обычно смесей, содержащих трет-бутилтиол, в качестве меры безопасности. Метан имеет точку кипения -164 ° C (-257,8 ° F ) при давлении в одну атмосферу. Как газ он горюч в диапазоне концентраций (5,4–17%) в воздухе при стандартном давлении.

Твердый метан существует в нескольких модификациях. В настоящее время известно девять. Охлаждение метана при нормальном давлении приводит к образованию метана I. Это вещество кристаллизуется в кубической системе (пространственная группа Fm3m). Положение атомов водорода в метане I не фиксировано, т.е. молекулы метана могут свободно вращаться. Следовательно, это пластиковый кристалл.

Химические реакции

Основные химические реакции метана: горение, паровой риформинг в синтез-газ и галогенирование. В общем, реакции с метаном трудно контролировать.

Селективное окисление

Частичное окисление метана до метанола является сложной задачей, потому что реакция обычно протекает полностью до двуокиси углерода и вода даже при недостаточной подаче кислорода. фермент метанмонооксигеназа производит метанол из метана, но не может использоваться для реакций в промышленном масштабе. Были разработаны некоторые системы с гомогенным катализом и гетерогенные системы, но все они имеют существенные недостатки. Обычно они работают, производя защищенные продукты, которые защищены от чрезмерного окисления. Примеры включают систему Catalytica, медные цеолиты и железные цеолиты, стабилизирующие альфа-кислород активный центр.

Одна группа бактерии запускают окисление метана с помощью нитрита в качестве окислителя в отсутствие кислорода, вызывая так называемое анаэробное окисление метана..

Кислотно-основные реакции

Как и другие углеводороды, метан является очень слабой кислотой. Его pKa в ДМСО оценивается в 56. Его нельзя депротонировать в растворе, но конъюгат основания известен в таких формах, как метиллитий.

Было обнаружено множество положительных ионов, полученных из метана, в основном как нестабильные частицы в газовых смесях низкого давления. К ним относятся метений или метил-катион CH. 3, метановый катион CH. 4и метан или протонированный метан CH. 5. Некоторые из них были обнаружены в космическом пространстве. Метан также может быть получен в виде разбавленных растворов из метана с суперкислотами. Катионы с более высоким зарядом, такие как CH. 6и CH. 7, были теоретически изучены и предположительно являются стабильными.

Несмотря на прочность связей C – H, они имеют Большой интерес вызывают катализаторы, которые облегчают активацию связи C – H в метане (и других алканах с меньшими номерами ).

Горение

Пузырьки метана можно сжечь на влажной рука без травм.

Теплота сгорания метана составляет 55,5 МДж / кг. Горение метана представляет собой многостадийную реакцию, резюмируемую следующим образом:

CH4+ 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O (ΔH = -891 k J /моль, при стандартных условиях)

Четырехступенчатая химия Петерса — это систематически сокращенный четырехступенчатый химический процесс, который объясняет горение метана.

Реакции метановых радикалов

При соответствующих условиях метан реагирует с галогеновыми радикалами следующим образом:

X • + CH 4 → HX + CH 3•

CH3• + X 2 → CH 3 X + X •

где X — га logen : фтор (F), хлор (Cl), бром (Br) или йод (I). Этот механизм этого процесса называется свободнорадикальным галогенированием. Он инициируется, когда УФ-свет или какой-либо другой радикальный инициатор (например, пероксиды ) образует атом галогена . Возникает двухстадийная цепная реакция, в которой атом галогена отрывает атом водорода от молекулы метана, что приводит к образованию молекулы галогенида водорода и метильного радикала (CH 3 •). Затем метильный радикал вступает в реакцию с молекулой галогена с образованием молекулы галогенметана с новым атомом галогена в качестве побочного продукта. Подобные реакции могут происходить с галогенированным продуктом, приводя к замене дополнительных атомов водорода атомами галогена структурами дигалогенметана, тригалогенметана и, в конечном итоге, тетрагалометана, в зависимости от условия реакции и отношение галогена к метану.

Использует

Метан используется в промышленных химических процессах и может транспортироваться в виде охлажденной жидкости (сжиженный природный газ или СПГ ). В то время как утечки из охлаждаемого контейнера для жидкости изначально тяжелее воздуха из-за повышенной плотности холодного газа, газ при температуре окружающей среды легче воздуха. Газопроводы транспортируют большие объемы природного газа, основным компонентом которого является метан.

Топливо

Метан используется в качестве топлива для печей, домов, водонагревателей, печей, автомобилей, турбин и прочего. Активированный уголь используется для хранения метана. Очищенный жидкий метан используется в качестве а ракетного топлива в сочетании с жидким кислородом, как в BE-4 и Двигатели Raptor.

Как основной компонент природного газа, метан важен для выработки электроэнергии, поскольку он сжигается в качестве топлива в газе турбина или парогенератор. По сравнению с другими углеводородными видами топлива, метан производит меньше диоксида углерода на каждую единицу выделяемого тепла. При примерно 891 кДж / моль теплота сгорания метана ниже, чем у любого другого углеводорода. Однако он выделяет больше тепла на массу (55,7 кДж / г), чем любая другая органическая молекула, из-за относительно большого содержания водорода, на который приходится 55% теплоты сгорания, но составляет только 25% от молекулярной массы метана. Во многих городах метан подается по трубам в дома для бытового отопления и приготовления пищи. В этом контексте он обычно известен как природный газ, который, как считается, имеет энергетическое содержание 39 мегаджоулей на кубический метр, или 1000 БТЕ на <251.>стандартный кубический фут. Сжиженный природный газ (СПГ) — это преимущественно метан (CH 4), преобразованный в жидкую форму для облегчения хранения или транспортировки.

В качестве ракетного топлива метан имеет преимущество перед керосином в том, что он производит небольшие молекулы выхлопных газов. Благодаря этому на внутренних частях ракетных двигателей остается меньше сажи, что снижает трудность повторного использования ускорителя. Более низкая молекулярная масса выхлопа также увеличивает долю тепловой энергии, которая находится в форме кинетической энергии, доступной для движения, увеличивая удельный импульс ракеты. Жидкий метан также имеет диапазон температур (91–112 К), почти совместимый с жидким кислородом (54–90 К).

Химическое сырье

Природный газ, который в основном состоит из метана, используется для производства газообразного водорода в промышленных масштабах. Паровой риформинг метана (SMR), или просто известный как паровой риформинг, является наиболее распространенным методом производства товарного газообразного водорода в больших объемах. Ежегодно во всем мире (2013 г.) добывается более 50 миллионов метрических тонн, в основном из природного газа SMR. Большая часть этого водорода используется на нефти нефтеперерабатывающих заводах, в производстве химикатов и в пищевой промышленности. В промышленном синтезе аммиака.

используются очень большие количества водорода при высоких температурах (700 — 1100 ° C) и в присутствии катализатора на основе металла (никель ), водяной пар реагирует с метаном с образованием смеси CO и H2, известной как «водяной газ» или «синтез-газ»:

CH4+ H2O ⇌ CO + 3 H2

Эта реакция является сильно эндотермической (расходуется тепло, ΔH r = 206 кДж / моль). Дополнительный водород получают реакцией CO с водой посредством реакции конверсии водяного газа.

CO + H 2 O ⇌ CO2 + H 2

Эта реакция является умеренно экзотермической (выделяется тепло, ΔH r = -41 кДж / моль).

Метан также подвергается свободнорадикальному хлорированию при производстве хлорметанов, хотя метанол является более типичным предшественником.

Поколение

Геологические маршруты

Двумя основными маршрутами геологического образования метана являются (i) органический (генерируемый термически или термогенный) и (ii) неорганический (абиотический ). Термогенный метан возникает из-за разрушения органических веществ при повышенных температурах и давлениях в глубоких осадочных слоях . Большая часть метана в осадочных бассейнах термогенная; Следовательно, термогенный метан является наиболее важным источником природного газа. Компоненты термогенного метана обычно считаются реликтовыми (более ранними). Как правило, образование термогенного метана (на глубине) может происходить в результате разрушения органических веществ или органического синтеза. Оба пути могут быть связаны с микроорганизмами (метаногенез ), но могут также происходить неорганически. Соответствующие процессы также могут потреблять метан с микроорганизмами и без них.

Более важный источник метана на глубине (кристаллическая порода) — абиотический. Абиотический означает, что метан создается из неорганических соединений без биологической активности либо в результате магматических процессов, либо в результате реакций вода-порода, которые происходят при низких температурах и давлениях, таких как серпентинизация.

Биологические пути

Большинство Земной метан биогенный и вырабатывается метаногенезом, формой анаэробного дыхания, которое, как известно, осуществляется только некоторыми членами домена архей. Метаногены населяют свалки и другие почвы, жвачные животные (например, коровы или крупный рогатый скот ), кишки термитов и бескислородные отложения под морским дном и дном озер. Рисовые поля также выделяют большое количество метана во время роста растений. Этот многоступенчатый процесс используется этими микроорганизмами для получения энергии. Итоговая реакция метаногенеза:

CO2+ 4 H 2→ CH 4 + 2 H 2O

Конечная стадия процесса катализируется ферментом метилкофермент М редуктаза (MCR).

Тестирование австралийских овец на выработку выдыхаемого метана (2001), CSIRO На этом изображении изображено жвачное животное, точнее овца, производящая метан на четырех стадиях гидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и т. и метаногенез.

Жвачные животные

Жвачные животные, такие как крупный рогатый скот, отрыгивают метан, что составляет ~ 22% годовых выбросов метана в атмосферу в США. Одно исследование показало, что сектор животноводства в целом (в основном крупный рогатый скот, куры и свиньи) производит 37% всего антропогенного метана. Исследование 2013 года показало, что на домашний скот приходится 44% антропогенного метана и ~ 15% антропогенных выбросов парниковых газов. В настоящее время предпринимаются многочисленные усилия по сокращению производства метана домашним скотом, такие как лечение и корректировка рациона питания, а также улавливание газа для использования в качестве энергии.

Отложения морского дна

Большая часть подпольного дна составляет бескислородный, потому что кислород удаляется аэробными микроорганизмами в пределах первых нескольких сантиметров осадка. Ниже насыщенного кислородом морского дна метаногены производят метан, который либо используется другими организмами, либо попадает в ловушку газовых гидратов. Эти другие организмы, которые используют метан для получения энергии, известны как метанотрофы (поедающие метан), и являются основной причиной того, что небольшое количество метана, образующегося на глубине, достигает поверхности моря. Консорциумы архей и бактерий окисляют метан посредством анаэробного окисления метана (AOM); за это ответственны анаэробные метанотрофные археи (ANME) и сульфатредуцирующие бактерии (SRB).

Промышленные пути

Мало стимул для промышленного производства метана. Метан получают путем гидрирования диоксида углерода по процессу Сабатье. Метан также является побочным продуктом гидрирования монооксида углерода в процессе Фишера-Тропша, который практикуется в больших масштабах для получения молекул с более длинной цепью, чем метан.

Примером крупномасштабной газификации угля в метан является установка Great Plains Synfuels, запущенная в 1984 году в Беуле, Северная Дакота, как способ разработки обильных местных ресурсов с низким содержанием бурый уголь, ресурс, который иначе трудно транспортировать из-за его веса, содержания золы, низкой теплотворной способности и склонности к самовозгоранию при хранении и транспортировке.

Получение метана — это технология, в которой электроэнергия используется для производства водорода из воды с помощью электролиза и используется реакция Сабатье для объединения водорода с диоксид углерода для получения метана. По состоянию на 2016 год он в основном находится в стадии разработки и не используется в больших масштабах. Теоретически этот процесс можно использовать в качестве буфера для избыточной и непиковой мощности, генерируемой сильно колеблющимися ветряными генераторами и солнечными батареями. Однако, поскольку в настоящее время на электростанциях используется очень большое количество природного газа (например, CCGT ) для производства электроэнергии, потери в эффективности неприемлемы.

Лабораторный синтез

Метан можно получить путем протонирования метиллития и иодида метилмагния. На практике потребность в чистом метане будет удовлетворяться за счет стального газового баллона от стандартных поставщиков.