Метан (CH4) представляет собой бесцветный газ без запаха с тетраэдрической геометрией. Его химические свойства делают его полезным в качестве обычного источника топлива для производства газообразного водорода для удобрений и взрывчатых веществ, а также для синтеза ценных химикатов. Однако метан также является мощным парниковым газом.
Формула и структура метана
Метан имеет химическую формулу CH4 и молекулярная масса 16,043 г / моль. Молекула метана тетраэдрическая, с атомом углерода в центре и четырьмя атомами водорода по углам тетраэдра. Каждая связь C-H эквивалентна, и каждая связь разделена углом 109,5 °.
Физические свойства метана
Легче воздуха, метан имеет плотность 0,657 г / л при 25 ° C и давлении 1 атм. Он превращается в жидкость при температуре ниже -162 ° C и в твердое вещество при температуре ниже -182,5 ° C. Метан плохо растворяется в воде, его растворимость составляет 22,7 мг / л, но он растворим в различных органических растворителях, таких как:
- спирт этиловый
- диэтиловый эфир
- ацетон
- бензол
Химические свойства
Некоторые из наиболее важных химических реакций с участием метана - это горение и галогенирование.
При сжигании метана выделяются значительные нагревать (891 кДж / моль). Это многоступенчатая реакция окисления, которую можно описать следующим уравнением:
Одна молекула газообразного метана реагирует с двумя молекулами газообразного кислорода в условиях горения с образованием одной молекулы газообразного диоксида углерода, двух молекул водяного пара и энергии.
Высвобождая только углекислый газ и воду, метан является самым чистым горящим ископаемым топливом и составляет большую часть природного газа. Хотя метан относительно стабилен, его можно взрывной когда его содержание в воздухе составляет от 5 до 14 процентов, и это было причиной многих аварий на шахтах.
Хотя в промышленных масштабах это сложно, метан может быть частично окислен до метанола ферментом метанмонооксигеназой. Интересно, что группа бактерий N-DAMO, как было обнаружено, применяла анаэробное окисление метана с нитритом в качестве окислителя.
Метан также может реагировать с галогеном в следующих радикальных условиях:
Радикал хлора сначала образуется радикальным инициатором, таким как ультрафиолетовый свет. Этот радикал хлора отрывает атом водорода от метана с образованием хлорводородного радикала и метильного радикала. Затем метильный радикал вступает в реакцию с молекулой хлора (Cl2), в результате чего образуется хлорметан и радикал хлора, который проходит через другой цикл реакции, если не обрывается другим радикалом.
Использование метана
Метан находит множество промышленных применений благодаря его разносторонним химическим свойствам. Это важный источник водорода и углерода для различных органических материалов.
Метан является основным компонентом природного газа, который является обычным источником топлива. Он широко используется для питания домов, турбин, автомобилей и других вещей. Метан также можно сжижать для облегчения хранения или транспортировки. Очищенный жидкий метан в сочетании с жидким кислородом может служить источником топливо для ракет.
Природный газ также используется для производства водородного газа в промышленных масштабах, поскольку метан может реагировать с паром. при высоких температурах (от 700 до 1100 ° C) с образованием монооксида углерода и газообразного водорода в присутствии катализатор. Затем водород используется для производства аммиака, который является прекурсором для удобрений и взрывчатых веществ. Как хороший источник углерода, метан также используется для синтеза хлороформа, четыреххлористого углерода, нитрометана и метанола. Технический углерод, образующийся при неполном сгорании метана, является армирующим агентом для резины в шинах.
Метан как парниковый газ
В устойчивой системе метан, выбрасываемый в атмосферу, поглощается естественными стоками метана, такими как почва и процесс окисления метана в тропосфере.
Однако увеличение выбросов метана в последние десятилетия способствовало возникновению парникового эффекта. Несмотря на свою небольшую концентрацию, метан нагревает планету в 86 раз больше, чем углекислый газ, еще один парниковый газ. Будем надеяться, что усилия по контролю за выбросами метана могут замедлить парниковый эффект, пока не стало слишком поздно.