Метан (СН4) - це безбарвний газ без запаху з чотиригранною геометрією. Хімічні властивості роблять його корисним як загальне джерело палива для виробництва газоподібного водню для добрив та вибухових речовин, а також для синтезу цінних хімічних речовин. Однак метан також є потужним парниковим газом.
Формула і структура метану
Метан має хімічну формулу СН4 і молекулярна маса 16,043 г / моль. Молекула метану - тетраедрична, з атомом вуглецю в центрі та чотирма атомами водню на кутах тетраедра. Кожен зв’язок C-H еквівалентний, і кожен зв’язок відокремлений кутом 109,5 °.
Фізичні властивості метану
Легший за повітря газ метану має щільність 0,657 г / л при 25 ° C і 1 атмосферному тиску. Він перетворюється в рідину нижче -162 ° C і тверду речовину нижче -182,5 ° C. Метан ледь розчиняється у воді з розчинністю 22,7 мг / л, але розчинний у різних органічних розчинниках, таких як:
- етанол
- діетиловий ефір
- ацетон
- бензол
Хімічні властивості
Одними з найважливіших хімічних реакцій, що включають метан, є горіння та галогенування.
При згорянні метану виділяються значні речовини тепло (891 кДж / моль). Це багатоступенева реакція окислення, яка може бути узагальнена рівнянням наступним чином:
Одна молекула газоподібного метану реагує з двома молекулами газоподібного кисню в умовах горіння, утворюючи одну молекулу вуглекислого газу, дві молекули водяної пари та енергії.
Виділяючи лише вуглекислий газ та воду, метан є найчистішим викопним паливом і складає більшу частину природного газу. Хоча метан є відносно стабільним, він може бути вибуховий коли його вміст становить від 5 до 14 відсотків у повітрі, і це стало причиною багатьох шахтних катастроф.
Незважаючи на складність у промислових масштабах, метан може бути частково окислений до метанолу ферментом метанмонооксигенази. Цікаво, що було виявлено, що група бактерій N-DAMO приймає анаеробне окислення метану нітритом як окислювач.
Метан також може реагувати з галогеном у радикальних умовах наступним чином:
Радикал хлору спочатку генерується таким ініціатором радикала, як ультрафіолетове світло. Цей хлорний радикал абстрагує атом водню від метану, утворюючи хлороводень і метильний радикал. Потім метильний радикал реагує з молекулою хлору (Cl2), в результаті чого утворюється хлорметан і хлорний радикал, який проходить інший цикл реакції, якщо не припиниться іншим радикалом.
Використання метану
Існує безліч метанових застосувань метану завдяки його різнобічним хімічним властивостям. Це важливе джерело водню та вуглецю для різних органічних матеріалів.
Метан є основною складовою природного газу, який є загальним джерелом палива. Він широко використовується для живлення будинків, турбін, автомобілів та інших речей. Метан також може бути зріджений для зручності зберігання або транспортування. У поєднанні з рідким киснем очищений рідкий метан може служити джерелом паливо для ракет.
Природний газ також використовується для отримання газоподібного водню в промислових масштабах, оскільки метан може реагувати з парою при високих температурах (від 700 до 1100 ° C) з одержанням оксиду вуглецю та газоподібного водню в присутності а каталізатор. Потім водень використовується для виробництва аміаку, який є попередником добрив та вибухових речовин. Як хороше джерело вуглецю, метан також використовується для синтезу хлороформу, тетрахлориду вуглецю, нітрометану та метанолу. Сажа, що утворюється при неповному згорянні метану, є армуючим агентом для гуми в шинах.
Метан як парниковий газ
У стійкій системі метан, що викидається в атмосферу, поглинається природними поглиначами метану, такими як ґрунт та процес окислення метану в тропосфері.
Однак збільшення викидів метану в останні десятиліття сприяло парниковому ефекту. Незважаючи на малу концентрацію, метан нагріває планету в 86 разів більше, ніж вуглекислий газ, інший парниковий газ. Сподіваємось, зусилля з контролю за викидами метану можуть уповільнити парниковий ефект, поки не буде занадто пізно.