Какво е метанът?

natural-Gas

Метанът е химично съединение с химична формула CH4 . Това е най-простият алкан. Ъгълът между атомите на метана е 109,5 градуса.

Това е най-простият наситен въглеводород. Той е безцветен газ, без миризма, с температура на топене -182,5 °C и температура на кипене -161,5 °C. При -11 °С под значително налягане се втечнява. Той е основна съставка на природния газ, съпътстващ нефта или намиращ се в газови находища, и се образува при приблизително същите геоложки процеси както нефта. Метан се образува и при разлагане на растителни материали в отсъствието на кислород в блатисти места, поради което се нарича още и блатен газ. Среща се и в каменовъглените мини, където е известен като газ гризу или рудничен газ. Промишлено се получава при прекарването на един обем СО и три обема Н2 над фино раздробен никелов катализатор при температура 200-300°С при атмосферно налягане. Освен на Земята метан е открит и на други планети в Слънчевата система.

Горенето на метана в присъствието на кислород води до образуването на въглероден двуокис и вода. Големите залежи на природен газ правят метана привлекателен като гориво. Въпреки това, тъй като той е газ, при нормална температура и налягане метанът трудно може да се транспортира от неговия източник. Най-често се транспортира под налягане по тръбопровод или чрез специални танкери, където природния газ е втечнен под високо налягане и ниска температура; понякога се транспортира и нагнетен под налягане в бутилки чрез камиони.

Химически метанът е сравнително инертно съединение, но с хлора реагира с взрив при нормална температура, а при ниски температури се получаваметилхлорид. При смесване с въздух в известни пропорции образува взривоопасна смес, особено в затворени помещения (напр. мини, жилища). Използва се при производството на метилхлорид, метиленхлорид, водород, амоняк, при получаването на сажди. Използва се и като гориво, предимно в котли, но също и в двигатели с вътрешно горене (с искрово запалване и дизелови, в турбини).

Метан е също и търговско наименование на природния газ, тъй като предлаганият в търговската мрежа природен газ се състои над 90% от наситения въглеводород.

Метанът е открит и изолиран от Алесандро Волта между 1776 г. и 1778 г., когато е изследван блатен газ от езерото Лаго Маджоре.

Метанът е един от основните парникови газове. Времето му на живот в атмосферата е около 10 години, като най-често влиза в реакция с хидроксилни радикали, в следствие на което се получава въглероден двуокис и вода. Метанът оказва влияние и на разграждането на озоновия слой.

Свойства

Наличието на метан в атмосферата на земята през 1998 г. е 1 745 части на милиард (ppb), в сравнение с 700 ppb през 1750 г. До 2008 г. обаче съдържанието на метан в атмосферата е останало на нива от 1998 г. насам — около 1800 ppb. До 2010 г. нивото на метана в атмосферата е най-ниско в Арктика, с измерени стойности около 1850 ppb. Това е най-високото регистрирано ниво досега от 400 хиляди години. Исторически концентрацията метан в атмосферата на света варира между 300 и 400 ppb по време на ледниковия период и между 600-700 ppb през топлите междуледникови периоди.

Метанът е основният компонент на природния газ, около 87% от неговия обем. При стайна температура и нормално налягане, метана е без цвят и мирис; миризмата характерна за природния газ, който се използва в домовете е изкуствена мярка за безопасност, причинена от добавяне на „ароматизатори“, често метанетиол или етанетиол. Метанът е с температура на кипене от -161 ° C при налягане от една атмосфера. Като газ е запалим в тесен диапазон от концентрации (5-15 обемни %) с въздуха.

Опасност за човешкото здраве

Метанът не е токсичен, но е изключително запалим и може да образува взривоопасни смеси с въздуха. Метанът бурно реагира с окислители, халогени, както и някои халоген-съдържащи съединения. Метанът може да предизвика задушаване измествайки кислорода от въздуха в затворено пространство. Задушаване може да възникне, ако концентрацията на кислород спадне под 19,5%.

Химически реакции на метана

Основните химически реакции с метан са горене и халогениране. Като цяло реакциите с метан са трудни за контролиране. Частично окисление на метанол, например е трудно да се постигне, тъй като реакцията обикновено прогресира до въглероден двуокис и вода.

Горене

Горенето на метанът протича на няколко етапа:

Първоначално се образува формалдехид (HCHO или H2CO). Формалдехида освобождава радикали (HCO), който след това се превръщат във въглероден оксид (CO). Процесът се нарича оксидативна пиролиза:

CH4 + O2 ? CO + H2 + H2O

След оксидативната пиролиза, H2 се окислява като се образува H2O и се освобождава топлина. Това се случва много бързо, обикновено значително по-малко от една милисекунда.

2 H2 + O2 ? 2 H2O

На последно място, CO се окислява до CO2 и освобождава още топлина. Този процес е като цяло по-бавно от предишните химични, и обикновено изисква няколко милисекунди, за да се приключи.

2 CO + O2 ? 2 CO2

В резултат на горното е следната обща формула:

CH4(g) + 2 O2(g) ? CO2(g) + 2 H2O(l) + 891 kJ/mol (при стандартни условия)

където в скоби “g” означава газообразно състояние и в скоби “l” означава течна форма.

Изместване на водород от молекулата

Ковалентната връзка въглерод-водород в метана е сред най-силните от всички въглеводороди и поради това използването му като изходна суровина химически е ограничено. Въпреки здравата C-H облигации, CH4 все още е основната суровина за производството на водород в риформинг с водна пара. Търсенето на катализатори, които могат да улеснят разкъсването на C-H връзката на метана и други алкани е в областта на научните изследвания с голямо стопанско значение.

Реакции с халогени

Метанът реагира с всички халогени при подходящи условия по следния начин:

CH4 + X2 ? CH3X + HX

където Х са халогени: флуор (F), хлор (Cl), бром (Br), или йод (I). Този процес се нарича халогениране. Когато X е Cl, реакцията притича по следния начин:

1. Формиране на радикали:

mathrm{Cl_2 xrightarrow[triangle]{UV} 2Cl^bullet - 239 ; kJ}

Необходимата енергия се получава от въздействието на ултравиолетови лъчи или загряване,

2. Замяна на радикалите:

CH4 + Cl• ? CH3• + HCl + 14 kJ
CH3• + Cl2 ? CH3Cl + Cl• + 100 kJ

3. Унищожаване на радикалите:

2 Cl• ? Cl2 + 239 kJ
CH3• + Cl• ? CH3Cl + 339 kJ
2 CH3• ? CH3CH3 + 347 kJ

Употреба

Гориво

Метанът е важен за производството на електричество чрез изгаряне като гориво в газова турбина или парен котел. В сравнение с други въглеводородни горива, изгарянето на метан произвежда по-малко въглероден двуокис за всяка единица произведена топлина. Около 891 kJ/mol е топлината произведена от горенето на метана. Тя е по-малко, отколкото при горенето на всеки друг въглеводород, но отношението от топлината на изгаряне (891 kJ/mol) към молекулна маса (16.0 g/mol) показва, че метана, който е най-простият въглеводород, произвежда повече топлина за единица тегло (55.7 kJ/g) в сравнение с други сложни въглеводороди. Много градове са газифицирани и метана се ползва за битови нужди. В този си вид е познат като природен газ и се счита, че енергийното съдържание е 39 мегаджаула на кубичен метър.

Метан под формата на компресиран природен газ се използва като гориво на превозните средства и по този начин те са по-екологично чисти, в сравнение с другите изкопаеми горива като бензин и дизелово гориво.

Понастоящем се провеждат изпитания за потенциала на метана като ракетно гориво. Едно от предимствата на метана е, че той е широко разпространен в много части на Слънчевата система и би могъл да бъде събиран на място, осигурявайки гориво за двупосочно пътуване.

Индустриална употреба

Метанът се използва в промишлени химически процеси. Той е изходна суровина за производството на водород, метанол, оцетна киселина, оцетен анхидрид. За целта метанът се превръща в смес от въглероден окис и водород чрез риформинг с водна пара. В този процес метана и парата реагират чрез никелелов катализатор при висока температура (700-1100 ° С).

mathrm{CH}_4 + mathrm{H_2O} xrightarrow[700-1100  mathrm{^{circ}C}]{mathrm{Ni}} mathrm{CO + 3H_2}
CO + H2O ? CO2 + H2

Също така метана е изходна суровина за производството на ацетилен (при преминаване на метан през електрическа дъга) и хлорметани (хлорметан, дихлорометан, хлороформ и тетрахлорметан). Последните се получават чрез реакция на метана с хлор. Въпреки това, използването на тези химикали намалява. Ацетилена се заменя с по-евтини заместители, а използването на хлорметаните намалява поради здравословни и екологични проблеми.

Източници на метан за битови нужди

Като част от природния газ

Основният източник на метан е добивът от геоложки находища, известни като находищата на природен газ. Обикновено там метана е смесен с други въглеводородни горива и понякога придружен с хелий и азот. Метанът също се произвежда в значителни количества от гниещи органични отпадъци в депа за битови отпадъци.

Алтернативни източници

Отделно от газовите находища, алтернативен метод за получаване на метан е чрез производство на биогаз, генериран от ферментация на органични вещества, включително животински тор, утайки от отпадъчни води, твърди битови отпадъци или други биоразградими суровини при анаеробни условия. Метановите хидрати/клатрати (ледена комбинация от метан и вода на дъното на морето, открити в големи количества), са потенциален бъдещ източник на метан. Промишлено метан може да бъде произведен от въглероден диоксид и водород или въглероден окис и водород чрез химични реакции по метода на Сабатиер или на Фишер-Тропс (макар че Фишер-Тропс обикновено се използва за производството на по-дълги въглеводородни вериги от тази на метана).

Leave a Reply