Metan

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 29 september 2022; kontroller kräver 2 redigeringar .
Metan
Allmän
Systematiskt
namn		 metan
Traditionella namn metan, eldgas
Chem. formel CH 4
Råtta. formel CH 4
Fysikaliska egenskaper
Molar massa 16,04 g/ mol
Densitet

gas (0 °C) 0,714 (normala förhållanden) kg/m³ [1]

(25°C) 0,7168 kg/m^; 0,6682 kg/m³ under standardförhållanden enligt GOST 2939-63;
vätska (−164,6 °C) 415 kg/m³ [2]
Termiska egenskaper
Temperatur
 •  smältning -182,49°C
 •  kokande -161,58°C
 • nedbrytning över +1000°C
 •  blinkar 85,1K, -188°C
 •  spontan antändning +537,8°C
Explosiva gränser 4,4–17,0 %
Kritisk punkt  
 • temperatur 190,56K, -82,6°C
Entalpi
 •  utbildning −74 520 J/mol [3]
 •  förbränning

35,9 MJ/m³

50,2 MJ/kg [1]

803,2 kJ/mol
Specifik förångningsvärme 460,6 J/mol (vid 760 mm Hg) [4]
Kemiska egenskaper
Löslighet
 • i vatten 0,02 g/kg [5]
Klassificering
Reg. CAS-nummer 74-82-8
PubChem 297
Reg. EINECS-nummer 200-812-7
LEDER   C
InChI   InChI=1S/CH4/h1H4VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N
RTECS PA1490000
CHEBI 16183
FN-nummer 1971
ChemSpider 291
Säkerhet
Begränsa koncentrationen 7000 mg/m³
LD 50 13450-36780 mg/kg
Giftighet Faroklass enligt GOST 12.1.007: 4:a
ECB ikoner
NFPA 704 NFPA 704 fyrfärgad diamant fyra 0 0
Data baseras på standardförhållanden (25 °C, 100 kPa) om inget annat anges.
 Mediafiler på Wikimedia Commons

Metan ( lat.  metan ; träskgas ), CH 4  - det enklaste mättade kolvätet i sammansättning , under normala förhållanden, en färglös gas , luktfri och smaklös.

Något lösligt i vatten, nästan dubbelt så lätt som luft.

Metan är ogiftigt , men vid hög koncentration i luften har det en svag narkotisk effekt (MPC 7000 mg/m 3 ) [6] . Det finns bevis för att kronisk exponering för låga koncentrationer av metan i luften påverkar det centrala nervsystemet negativt [7] . Den narkotiska effekten av metan CH 4 försvagas av dess låga löslighet i vatten och blod och kemisk tröghet . Toxicitetsklass - fjärde [8] .

När de används i vardagen tillsätts vanligtvis luktämnen (vanligtvis tioler ) till metan (naturgas) - flyktiga ämnen med en specifik "gaslukt" så att en person upptäcker en nödgasläcka genom lukt i tid. Inom industriproduktion åtgärdas läckor med sensorer och i många fall tillförs metan till laboratorier och industriproduktion utan tillsats av luktämnen.

Ackumuleras inomhus i en blandning med luft, metan blir explosivt vid sin koncentration från 4,4 % till 17 % [9] . Den mest explosiva koncentrationen i en blandning med luft är 9,5 vol.%. I kolgruvor frigörs det från kollagen, vilket ibland leder till explosioner, vars konsekvenser kan bli katastrofala.

Metan är den tredje viktigaste växthusgasen i jordens atmosfär (efter vattenånga och koldioxid uppskattas dess bidrag till växthuseffekten till 4-9%) [10] [11] .

Historik

I november 1776 upptäckte den italienske fysikern Alessandro Volta metan i träsken i Lago Maggiore på gränsen mellan Italien och Schweiz. Han inspirerades att studera träskgas av Benjamin Franklins papper om "brännbar luft". Volta samlade upp gasen som släpptes ut från botten av träsket och isolerade ren metan 1778. Han demonstrerade också antändning av gas från en elektrisk gnista.

Sir Humphry Davy studerade 1813 brandgas och visade att det är en blandning av metan med små mängder kväve N 2 och koldioxid CO 2  - det vill säga att den är kvalitativt identisk i sammansättning med träskgas.

Det moderna namnet "metan" 1866 gavs till gasen av den tyske kemisten August Wilhelm von Hoffmann [12] [13] , den härrör från ordet " metanol ".

Att vara i naturen

Huvudkomponenten av naturgas (77-99%), tillhörande petroleumgaser (31-90%), gruvor och träskgaser (därav de andra namnen för metan - träsk eller brandgas). Under anaeroba förhållanden (i träsk, vattendränkta jordar, idisslares tarmar ) bildas den biogent som ett resultat av den vitala aktiviteten hos vissa mikroorganismer.

Stora reserver av metan är koncentrerade i metanhydrater på botten av haven och i permafrostzonen [10] [11] .

Metan har också hittats på andra planeter, inklusive Mars , med implikationer för forskning inom astrobiologi [14] . Enligt moderna data finns metan i betydande koncentrationer i atmosfärerna på solsystemets jätteplaneter [15] .

Förmodligen finns på Titans yta vid låga temperaturer (−180 ° C) hela sjöar och floder från en flytande metan-etanblandning [16] . Andelen metanis är också stor på ytan av Sedna .

Inom industrin

Det bildas under koksning av kol , hydrogenering av kol, hydrogenolys av kolväten i katalytiska reformeringsreaktioner.

Klassificering efter ursprung

Får

Det är möjligt att erhålla metan på grund av Sabatier-reaktionen , på grund av interaktionen mellan koldioxid och väte i närvaro av en katalysator vid förhöjd temperatur och tryck:

∆H = −165,0 kJ/mol

Bereds i laboratoriet genom att värma sodakalk (en blandning av natriumhydroxider och kalciumhydroxid ) eller vattenfri natriumhydroxid med isättika :

.

Frånvaron av vatten är viktig för denna reaktion, varför natriumhydroxid används eftersom det är mindre hygroskopiskt .

Det är möjligt att erhålla metan genom att smälta natriumacetat med natriumhydroxid [17] :

.

Även för laboratorieproduktion av metan används hydrolys av aluminiumkarbid :

,

eller vissa organometalliska föreningar (såsom metylmagnesiumbromid ).

Biologisk produktion av metan är möjlig, se biogas .

Fysiska egenskaper

Vid rumstemperatur och standardtryck är metan en färglös, luktfri gas [18] . Den välbekanta lukten av inhemsk naturgas uppnås genom att specifikt tillsätta en luktblandning som innehåller tert-butyltiol till gasen som en säkerhetsåtgärd för att upptäcka akuta metanläckor genom lukt.

Metan har en kokpunkt på -164 °C vid ett tryck av en atmosfär [19] .

Antänds lätt vid volymkoncentrationer i luft från 4,4 till 17 % vol. % vid standardtryck. Explosionsgränser (antändning) i blandningar av metan med syre vid atmosfärstryck från 4,5 till 61 vol. %.

Fast metan vid mycket höga tryck finns i flera modifieringar. Nio sådana modifieringar är kända [20] .

Kemiska egenskaper

Metan är den första medlemmen i den homologa serien av mättade kolväten (alkaner), den mest resistenta mot kemiska angrepp. Liksom andra alkaner går den in i radikala substitutionsreaktioner  - halogenering , sulfoklorering , sulfoxidation, nitrering och andra, men är mindre reaktiv än andra alkaner.

För metan är reaktionen med vattenånga specifik - reaktionen av ångreformering, för vilken nickel används som katalysator i industrin , avsatt på aluminiumoxid (Ni / Al 2 O 3 ) vid 800-900 ° C eller utan användning av en katalysator vid 1400-1600°C. Den resulterande syntesgasen kan användas för efterföljande syntes av metanol , kolväten , ättiksyra , acetaldehyd och andra produkter, detta är det viktigaste ekonomiska sättet att producera väte:

.

Det brinner i luften med en blåaktig låga, medan energin på cirka 33.066 MJ frigörs per 1 m³ metan som tas under normala förhållanden . Förbränningsreaktionen av metan i syre eller luft:

+ 891 kJ.

Går det in i substitutionsreaktioner med halogener , som fortskrider enligt mekanismen för fria radikaler (metalepsireaktion ) ? till exempel sekventiella kloreringsreaktioner till koltetraklorid :

, , , .

Över 1400 °C sönderdelas det enligt reaktionen:

.

Den oxideras till myrsyra vid 150–200 °C och ett tryck på 30–90 atm. genom radikal kedjemekanism :

.

Inklusionskopplingar

Metan bildar inklusionsföreningar  - gashydrater , brett spridda i naturen.

Tillämpningar av metan

Metan används som bränsle för kaminer , varmvattenberedare , bilar [21] [22] , turbiner etc. Aktivt kol kan användas för att lagra metan .

Som huvudkomponent i naturgas används metan för att generera elektricitet genom att bränna den i gasturbiner eller ånggeneratorer. Jämfört med andra kolvätebränslen producerar metan mindre koldioxid per enhet värme som frigörs. Förbränningsvärmen av metan är cirka 891 kJ/mol, vilket är lägre än för något annat kolväte. Den producerar dock mer värme per massenhet (55,7 kJ/g) än något annat organiskt ämne på grund av dess relativt höga väteinnehåll, som bidrar med cirka 55 % väte till värmevärdet [23] , men har bara 25 % molekylvikt. av metan.

I många städer tillförs metan till bostäder för uppvärmning och matlagning. Det brukar dock kallas naturgas , vars energiinnehåll är 39 mJ/m 3 . Flytande naturgas (LNG) är övervägande metan (CH 4 ) som är flytande för att underlätta lagring och/eller transport.

Flytande metan, kombinerat med flytande syre, anses vara ett lovande raketbränsle [24] [25] och används i motorer som RD-0162 , BE-4 [26] och Raptor . Metan har fördelar jämfört med fotogen genom att det:

Detta minskar svårigheten att återanvända missiler [26] [29] .

Metan används som råvara i organisk syntes , inklusive framställning av metanol .

Fysiologisk verkan

Metan är den mest fysiologiskt ofarliga gasen i den homologa serien av paraffinkolväten . Metan har ingen fysiologisk effekt och är inte giftigt (på grund av den låga lösligheten av metan i vatten och blodplasma och paraffinernas inneboende kemiska tröghet). En person kan dö i luft med en hög koncentration av metan endast av brist på syre i luften. När halten av metan i luften är 25-30 % uppträder alltså de första tecknen på kvävning (ökad hjärtfrekvens, ökad andningsvolym, försämrad koordination av fina muskelrörelser etc.). Högre koncentrationer av metan i luften orsakar syresvält hos människor - huvudvärk, andnöd - symptom som är karakteristiska för höjdsjuka .

Eftersom metan är lättare än luft, ansamlas det inte i ventilerade underjordiska strukturer. Därför är fall av dödsfall för människor på grund av kvävning vid inandning av en blandning av metan med luft mycket sällsynta.

Första hjälpen vid svår kvävning: avlägsnande av offret från den skadliga atmosfären. I frånvaro av andning, omedelbart (innan läkaren kommer) konstgjord andning från mun till mun. I avsaknad av en puls - en indirekt hjärtmassage.

Kronisk verkan av metan

Hos personer som arbetar i gruvor eller i industrier där metan och andra gasformiga paraffinkolväten finns i luften i små mängder, beskrivs märkbara förändringar i det autonoma nervsystemet (positiv okulokardiell reflex , uttalat atropintest , hypotoni ) på grund av mycket svag narkotik. verkan av dessa ämnen, liknande den narkotiska effekten av dietyleter .

MPC för metan i luften i arbetsområdet är 7000 mg/m³ [6] .

Biologisk roll

Det har visat sig att endogen metan kan produceras inte bara av metanogen tarmmikroflora , utan också av eukaryota celler , och att dess produktion ökar avsevärt när cellulär hypoxi orsakas experimentellt , till exempel när mitokondrier störs genom att förgifta kroppen av ett försöksdjur med natriumazid , ett känt mitokondriegift. Det har föreslagits att bildningen av metan av eukaryota celler, i synnerhet djur, kan vara en intracellulär eller intercellulär signal om hypoxi som upplevs av celler [30] .

En ökning av produktionen av metan av djur- och växtceller under påverkan av olika stressfaktorer, till exempel bakteriell endotoxemi eller dess imitation genom introduktion av bakteriell lipopolysackarid , har också visats , även om denna effekt kanske inte kan observeras hos alla djur arter (i experimentet fick forskarna det i möss, men fick det inte). hos råttor) [31] . Det är möjligt att bildningen av metan av djurceller under sådana stressiga förhållanden spelar rollen som en av stresssignalerna.

Det antas också att metan, som utsöndras av den mänskliga tarmens mikroflora och inte absorberas av människokroppen (det metaboliseras inte och avlägsnas delvis tillsammans med tarmgaser, delvis absorberas och avlägsnas när man andas genom lungorna ), inte är en "neutral" biprodukt av bakteriell metabolism tarmens motilitet, och dess överskott kan orsaka inte bara uppblåsthet, rapningar , ökad gasbildning och buksmärtor , utan även funktionell förstoppning [32] .

Metan och ekologi

Det är en växthusgas , starkare i detta avseende än koldioxid , på grund av närvaron av djupa vibrationsroterande absorptionsband för dess molekyler i det infraröda spektrumet . Om graden av koldioxidpåverkan på klimatet villkorligt tas som ett, så blir växthusaktiviteten för samma molvolym metan 21–25 enheter [34] [35] . Livslängden för metan i atmosfären är dock kort (från flera månader till flera år), eftersom den oxideras av syre till koldioxid i troposfären under inverkan av blixtnedslag och i stratosfären under påverkan av UV-C-strålning från solen.

Sedan 1750 har koncentrationen av metan i jordens atmosfär ökat med cirka 150 %, och den står för 20 % av den totala strålkraften av alla långlivade och globalt blandade växthusgaser [36] .

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Värmevärde för metan, butan och propan . Författarens blogg av Alexey Zaitsev . Hämtad: 7 oktober 2022.
  2. ↑ Handbook of a chemist / Editorial board: Nikolsky B.P. et al. - 3:e upplagan, korrigerad. - L .: Chemistry , 1971. - T. 2. - S. 780-781. — 1168 sid.
  3. ↑ Smith J. M., HC Van Ness, MM Abbott Introduktion till kemiteknik termodynamik  // J. Chem. Educ. - American Chemical Society , 1950. - Vol. 27, Iss. 10. - P. 789. - ISSN 0021-9584 ; 1938-1328 - doi:10.1021/ED027P584.3
  4. ↑ Fysiska och kemiska egenskaper hos enskilda kolväten. Katalog. / Ed. M. D. Talichev. - Nummer 4. - M. - L .: Statens vetenskapliga och tekniska förlag för olje- och gruv- och bränslelitteratur, 1953.
  5. ^ Recension: Lösligheten av vissa gaser i vatten . Hämtad 6 juli 2011. Arkiverad från originalet 11 november 2011.
  6. ↑ 1 2 Hygieniska standarder GN 2.2.5.1313-03 "Maximala tillåtna koncentrationer (MPC) av skadliga ämnen i luften i arbetsområdet"
  7. ↑ Kutsenko S. A.  Fundamentals of toxicology / S. A. Kutsenko. - St. Petersburg: Folio, 2004.
  8. ↑ Gaskromatografisk mätning av masskoncentrationer av kolväten: metan, etan, eten, propan, propen, n-butan, alfa-butylen, isopentan i luften i arbetsområdet. Metodiska instruktioner. MUK 4.1.1306-03 (Godkänd av Ryska federationens överläkare den 30 mars 2003)  (otillgänglig länk)
  9. ↑ GOST R 52136-2003 . Hämtad 8 februari 2012. Arkiverad från originalet 18 maj 2015.
  10. ↑ 1 2 Natalya Rzhevskaya Warm of permafrost Arkivkopia daterad 1 februari 2017 på Wayback Machine // In the world of science . - 2016. - Nr 12. - S. 67-73.
  11. ↑ 1 2 Leonid Jurganov. Metan över Arktis  // Vetenskap och liv . - 2017. - Nr 11 . - S. 24 .
  12. ↑ A.W. Hofmann (1866) "Om verkan av fosfortriklorid på salterna av de aromatiska monoaminerna," Arkiverad 3 maj 2017 på Wayback Machine Proceedings of the Royal Society of London , 15  :55-62; se fotnot på s. 57-58.
  13. ↑ James Michael McBride (1999) "Utveckling av systematiska namn för de enkla alkanerna". Tillgänglig online på Chemistry Department, Yale University (New Haven, Connecticut). Arkiverad 16 mars 2012 på Wayback Machine
  14. ↑ Etiope, Giuseppe; Lollar, Barbara Sherwood. Abiotisk metan på jorden  //  Recensioner av geofysik : journal. - 2013. - Vol. 51 , nr. 2 . - s. 276-299 . — ISSN 1944-9208 . - doi : 10.1002/rog.20011 . - .
  15. ↑ Atreya, SK; Mahaffy, P.R.; Niemann, HB et al. Sammansättning och ursprung för Jupiters atmosfär - en uppdatering och konsekvenser för de extrasolära jätteplaneterna  // Planetary and Space Sciences  : journal  . - 2003. - Vol. 51 . - S. 105-112 . - doi : 10.1016/S0032-0633(02)00144-7 .
  16. ↑ Tidvatteneffekter av frånkopplade kolvätehav på Titan . Hämtad 23 maj 2013. Arkiverad från originalet 13 november 2012.
  17. ↑ Pavlov B. A., Terentiev A. P. Kurs i organisk kemi. – Sjätte upplagan, stereotypt. - M .: Kemi, 1967. - S. 58.
  18. ↑ Hensher David A.; Knapp Kenneth J. Handbok i transport och miljö  . — Emerald Group Publishing, 2003. - S. 168. - ISBN 978-0-08-044103-0 .
  19. ↑ Metan Phase change data Arkiverad 15 april 2016 på Wayback Machine // NIST Chemistry Webbook .
  20. ↑ Bini, R.; Pratesi, G. Infraröd högtrycksstudie av fast metan: Fasdiagram upp till 30 GPa  // Physical Review B  : journal  . - 1997. - Vol. 55 , nr. 22 . - P. 14800-14809 . - doi : 10.1103/physrevb.55.14800 . - .
  21. ↑ Lumber Company lokaliserar ugnar på soptippen för att använda metan – energichef  idag . Energichef idag . Hämtad 11 mars 2016. Arkiverad från originalet 09 juli 2019.
  22. ↑ Cornell, Clayton B. . Naturgasbilar: CNG-bränsle nästan gratis i vissa delar av landet (  29 april 2008). Arkiverad från originalet den 20 januari 2019. Hämtad 18 oktober 2019.  "Komprimerad naturgas sägs vara det "renaste brinnande" alternativa bränslet som finns, eftersom enkelheten hos metanmolekylen minskar utsläppen av olika föroreningar i avgasröret med 35 till 97 %. Inte fullt lika dramatisk är minskningen av nettoutsläppen av växthusgaser, som är ungefär samma som etanol från majskorn med cirka 20 % minskning jämfört med bensin."  
  23. ↑ Schmidt-Rohr, Klaus. Varför förbränning alltid är exotermisk och ger cirka 418 kJ per mol O2  //  Journal of Chemical Education  : journal. - 2015. - Vol. 92 , nr. 12 . - P. 2094-2099 . - doi : 10.1021/acs.jchemed.5b00333 . - .
  24. ↑ Thunnissen, Daniel P.; Guernsey, CS; Baker, R.S.; Miyake, RN Avancerade rymdlagringsbara drivmedel för utforskning av yttre planeter  // American Institute of Aeronautics and Astronautics  : journal  . - 2004. - Nej . 4-0799 . — S. 28 .
  25. ↑ Cheberko, Ivan I Ryssland föreslår de att skapa en "metanraket" . Izvestia (16 maj 2014). Hämtad 18 juli 2020. Arkiverad från originalet 19 juli 2020.
  26. ↑ 1 2 3 Blue Origin BE-4  Engine . — "Vi ​​valde LNG för att den är mycket effektiv, låg kostnad och allmänt tillgänglig. Till skillnad från fotogen kan LNG användas för att självtrycksätta sin tank. Känd som autogen repressurization, detta eliminerar behovet av dyra och komplexa system som drar på jordens knappa heliumreserver. LNG har också rena förbränningsegenskaper även vid låg gaspådrag, vilket förenklar motoråteranvändning jämfört med fotogenbränslen." Hämtad 14 juni 2019. Arkiverad från originalet 1 oktober 2021.
  27. ↑ Izvestia, 2014 : "Den specifika impulsen hos en LNG-motor är hög".
  28. ↑ Izvestia, 2014 : "För att frigöra motorkaviteterna behöver du bara gå igenom en förångningscykel - det vill säga att motorn är lättare att frigöra från produktrester."
  29. ↑ Izvestia, 2014 : "På grund av detta är metanbränsle mer acceptabelt när det gäller att skapa en återanvändbar motor och ett återanvändbart flygplan.".
  30. ↑ Tuboly E. et al. Metanbiogenes under natriumazid-inducerad kemisk hypoxi hos råttor  // American  Physiological Society. - 15 januari 2013. - Vol. 304 , nr. 2 . - S. 207-214 . - doi : 10.1152/ajpcell.00300.2012 . — PMID 23174561 .
  31. ↑ Tuboly E, Szabó A, Erős G, Mohácsi A, Szabó G, Tengölics R, Rákhely G, Boros M. Bestämning av endogen metanbildning genom fotoakustisk spektroskopi  // J Breath Res.. - Dec 2013. - V. 7 , utgåva . 7(4) , nr 4 . - doi : 10.1088/1752-7155/7/4/046004 . — PMID 24185326 .
  32. ↑ Sahakian AB, Jee SR, Pimentel M. Methane and the gastrointestinal tract  // Dig Dis Sci. - Aug 2010. - T. 55 , nr. 55(8) , nr 8 . - S. 2135-2143 . - doi : 10.1007/s10620-009-1012-0 . — PMID 19830557 .
  33. ↑ Vovna A. V., Khlamov M. G. Tillämpning av den optiska absorptionsmetoden för att mäta volymkoncentrationen av metan i kolgruvor. . Hämtad 17 april 2020. Arkiverad från originalet 30 januari 2020.
  34. ↑ EBRD Methodology for Assessment of Greenhouse Gas Emissions, Version 7, 6 juli 2010 Arkiverad 13 maj 2015 på Wayback Machine 
  35. ↑ Växthusgaser som inte är CO2: Vetenskaplig förståelse, kontroll och implementering (red. J. van Ham, Springer 2000, ISBN 978-0-7923-6199-2 ): 4. Inverkan av metan på klimatet, sidan 30 "På en molar basis, en extra mol metan i den nuvarande atmosfären är cirka 24 gånger effektivare för att absorbera infraröd strålning och påverka klimatet än en extra mol koldioxid (WMO, 1999)"
  36. ↑ Teknisk sammanfattning . Klimatförändringar 2001 . FN:s miljöprogram. Arkiverad från originalet den 4 juni 2011.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk