Метан – отримання, властивості та застосування

Метан: загальна характеристика

Метан — найпростіша сполука гомологічного ряду аліфатичних вуглеводнів. Молекулярна формула метану CH ₄ . Його молекула складається з одного атома вуглецю і чотирьох атомів водню. Усі зв’язки між атомами в молекулі метану є ковалентними (сигма-зв’язки). Експериментально доведено, що вони мають однакову довжину та енергію. Кути між зв’язками дорівнюють 109°28′. Молекула метану має форму правильного тетраедра. Відповідно, атом вуглецю приймає гібридизацію ^sp3 .

Приготування і властивості

Метан досить поширений у природі, основним джерелом якого є природний газ. Поклади цього викопного палива найчастіше знаходяться глибоко під землею або на дні морів і океанів, звідки його добувають. Продукт, отриманий з таких джерел, часто називають органічним газом, тобто газом, що утворюється в результаті перетворення органічної речовини під дією високої температури і тиску. Метан також міститься у вогнищі, що супроводжує вугільні пласти, а також у болотному газі, який виділяється під час розкладання рослинних залишків. В останньому випадку газ є продуктом низки процесів розпаду органічних речовин. Значні обсяги метану накопичуються під морським дном океану у формі метанових клатратів, де газоподібний метан потрапив у своєрідну «клітку», утворену молекулами води. У лабораторних умовах метан отримують кількома способами. Одним з них є прямий синтез з вуглецю та водню при високій температурі (500°C) . Лабораторії часто використовують реакцію карбіду алюмінію з водою для отримання молекул метану, а також гідроксиду алюмінію. При проведенні реакції слід пам’ятати, що метан є газоподібною речовиною, тому, якщо ви хочете зібрати отриманий продукт, вам необхідно підготувати спеціальну систему для уловлювання газоподібних продуктів. Інший лабораторний метод полягає в нагріванні суміші ацетату натрію та гідроксиду натрію при підвищеній температурі (декарбоксилювання). Фізичні та хімічні властивості метану:

• Газ без запаху і кольору при кімнатній температурі.
• Сильно горючий. Горить синім полум’ям.
• Поодинокі молекули метану дуже стійкі, однак його суміш з повітрям або киснем вибухонебезпечна (вміст метану від 5%до приблизно 14%за об’ємом).
• Газ стійкий до хімічних речовин.
• Його щільність нижча, ніж у повітря.
• Він нерозчинний у воді.
• Добре розчиняється в органічних розчинниках.
• Він нетоксичний.

Метан вступає в ряд важливих хімічних реакцій . До найважливіших належать реакції горіння . При необмеженій подачі повітря відбувається повне згоряння метану. В результаті реакції утворюються вуглекислий газ і вода. Цей вид спалювання є найбільш безпечним і ефективним. При обмеженні надходження кисню відбувається неповне згоряння метану. Залежно від кількості кисню, що подається, продукти такого згоряння містять або отруйний оксид вуглецю (II) і воду, або вуглець і воду. Метан не реагує з бромом і марганцевою кислотою. Цим пояснюється відсутність зміни кольору бромної води та розчину перманганату калію (VII). Однак він відносно легко реагує з хлором . Реакції алканів з галогенами дуже екзотермічні. Реакції між метаном і хлором є радикальними. Важливо, що хлорування цього найпростішого алкану не відбувається в темряві (воно зазвичай ініціюється світлом). Для того, щоб відбулася реакція, всю систему потрібно нагріти до температури понад 250°C . Хлорування метану відбувається, коли молекула хлору розпадається на два радикали, які потім реагують з іншим субстратом і призводять до утворення метилових радикалів і хлористого водню. Реакція хлорування не припиняється на стадії монохлорування. Радикали, що утворюються, взаємодіють з молекулами хлору або радикалами хлору. Молекула, яка не піддається подальшому хлоруванню, є чотирихлористим вуглецем, де всі атоми водню заміщені атомами хлору. Насправді кінцева суміш містить усі зазначені похідні.

Ключові застосування метану в промисловості

Одним із основних застосувань метану є його використання як джерела енергії . Енергію отримують шляхом спалювання палива, що містить цю сполуку. Прикладом такого палива є природний газ. Вміст метану в ньому перевищує 90%. Після видобутку він майже безпосередньо надходить приватним споживачам і промисловому сектору. Спалювання метану також використовується в газових турбінах для виробництва електроенергії та тепла. Його також можна використовувати для опалення будинків. Метан використовується для руху автомобілів . Як паливо він продається під назвою CNG (стиснений природний газ) або LNG (скраплений природний газ) . Його згоряння в автомобілях набагато ефективніше, ніж дизель або бензин. Очевидно, що хімічна промисловість є великим споживачем метану. Одним з хімічних застосувань є виробництво водню в процесі, який називається паровим риформінгом. Тому зростаючий інтерес до водню як палива майбутнього також тягне за собою зростання інтересу до метану. Інші хімічні процеси, які використовують метан, включають виробництво метанолу , вугільного газу або пластмас . Метан також опосередковано бере участь у виробництві шин. Сажа, що утворюється в результаті неповного згоряння газу, є одним із інгредієнтів, який використовується для армування гуми, яка використовується для виготовлення автомобільних шин. Цю ж сажу можна використовувати у виробництві фарб і друкарської фарби .

Метан як парниковий газ

Серед газів і викидів, які найбільше впливають на глобальне потепління, вуглекислий газ посідає перше місце. Це тип забруднювача, який зберігається в атмосфері дуже довго, до кількох тисяч років. Однак метан є ще більш небезпечною загрозою для клімату . Як забруднювач, він присутній «лише» протягом приблизно 10-15 років, набагато менше, ніж вуглекислий газ, але його вплив на парниковий ефект набагато сильніший.

Клатрати метану

Цікавим прикладом покладів метану, які потенційно можуть бути цінним джерелом речовини, є так звані клатрати метану. Враховуючи їх хімічну структуру, ви часто можете почути, що їх називають гідратом метану, гідрометаном або метановим льодом. Клатрати метану являють собою комбінацію молекул води та молекул метану. Вода в цьому випадку утворює клітинну структуру, всередині якої затримується метан. Хімічних зв’язків між ними немає. Клатрати характеризуються кристалічною структурою і утворюються при підвищеному тиску. Фізично вони виглядають як білі тверді речовини. Вони не мають запаху і на дотик нагадують пінополістирол . Найчастіше зустрічаються клатрати метану, які складаються з 46 молекул води, які оточують дві малі та шість середніх «клітин». Усередині них утримується метан. Клатрати метану все ще не є повністю вивченим джерелом енергії. Саме через можливість вилучення з них значних кількостей метану для виробництва енергії вони викликають значний інтерес. Отримана сировина може бути дуже хорошою альтернативою звичайним джерелам вуглеводнів , однак недостатні знання про видобуток метану з клатратів становлять великий ризик для навколишнього середовища, що може бути наслідком неконтрольованого викиду метану в атмосферу.

Біометан

Біометан визначається як газ, отриманий з біогазу. З іншого боку, біогаз – це газ, отриманий з біомаси. Він утворюється шляхом трансформації органічних речовин, включаючи відходи рослин і тварин, звалища або очисні споруди. Зазвичай на метан припадає близько 55%біогазу. Біогаз зазвичай використовується безпосередньо, тоді як його очищення до чистого біометану здійснюється лише у виняткових ситуаціях. Біометан буває двох агрегатних станів: газоподібного та рідкого. Утворюється під час метанового бродіння біологічних відходів. Практично весь отриманий таким чином біометан використовується для виробництва енергії. Багато компаній і виробничих підприємств використовують біогаз і біометан, який він містить, для живлення обладнання, яке зараз часто використовує енергію з природного газу. Незважаючи на те, що біометан є відновлюваним джерелом енергії, спалювання біометану призводить до значних викидів вуглекислого газу, який є парниковим газом. Читайте також: етан , пропан , бутан .