Метан
Общие сведения
Метан — простейший неразветвленный углеводород, первый представитель гомологического ряда алканов, имеющий химическую формулу CH4. При нормальных условиях данное вещество представляет собой газ, не имеющий цвета, вкуса и запаха. Метан примерно в два раза легче воздуха и обладает крайне низкой растворимостью в воде. Исторически метан был впервые обнаружен в 1774 году выдающимся итальянским физиком Алессандро Вольтой в болотных испарениях на территории Италии, в связи с чем первоначально получил название «болотный газ». Вольта также экспериментально продемонстрировал способность этого газа воспламеняться от электрической искры. Позднее, в 1813 году, Гемфри Дэви установил, что так называемый «рудничный газ» представляет собой смесь метана с азотом и углекислым газом. Современное номенклатурное название «метан» вошло в научный оборот в 1866 году и этимологически связано с названием метилового спирта (метанола).
В природе метан является основным компонентом природного газа, составляя от 77 до 99 процентов его объема. Он также в значительных количествах присутствует в попутном нефтяном газе (от 30 до 90 процентов в зависимости от месторождения) и непрерывно выделяется из угольных пластов в шахтах. Огромные объемы метана синтезируются в биосфере различными метаногенными бактериями, в том числе микроорганизмами, населяющими пищеварительный тракт человека и жвачных животных (в частности, коров). Колоссальные запасы метана в виде газовых гидратов сконцентрированы в зоне вечной мерзлоты и на дне Мирового океана. Кроме того, метан широко распространен в космическом пространстве: он обнаружен на Марсе, в виде рек и озер жидкого метана при температуре минус 180 градусов Цельсия на Титане (спутнике Сатурна), а также в форме обширных метановых льдов на поверхности карликовой планеты Седна на окраине Солнечной системы.
Классификация
В зависимости от механизма образования в природе метан классифицируется на две основные категории: биогенный и термогенный. Биогенный метан образуется в результате жизнедеятельности специфических микроорганизмов в анаэробных условиях. К этой категории относятся бактериальные процессы, протекающие в болотах, желудочно-кишечных трактах животных и при биологическом разложении органических остатков. Термогенный метан формируется в результате длительных термохимических процессов, протекающих в земной коре при воздействии высоких температур и давлений на органическое вещество.
Способы получения
В промышленных масштабах метан преимущественно добывается из природных газовых месторождений, где он находится в готовом виде. Помимо прямой добычи, вещество может образовываться в качестве продукта при коксовании каменного угля, его гидрировании, а также в процессах крекинга тяжелых нефтяных фракций. Альтернативным и перспективным направлением является получение биогаза посредством целенаправленного культивирования метанообразующих бактерий, хотя на данный момент полномасштабная реализация этого метода требует значительных экономических затрат и проработки технологий.
Химический синтез метана возможен посредством реакции Сабатье, в ходе которой углекислый газ взаимодействует с водородом при повышенном давлении и температуре в присутствии катализатора. В лабораторной практике для получения чистого метана применяется метод нагревания натронной извести (смеси гидроксида натрия и гидроксида кальция) с уксусной кислотой или реакция сплавления ацетата натрия с гидроксидом натрия. Другим лабораторным методом выступает гидролиз карбида алюминия, при взаимодействии которого с водой выделяется газообразный метан.
Свойства
Физические свойства метана характеризуются крайне узким температурным диапазоном существования в жидком агрегатном состоянии при нормальном давлении. Температура плавления вещества составляет минус 182 градуса Цельсия, а температура кипения равна минус 164 градусам Цельсия. При высоком давлении вещество может переходить в различные твердые модификации.
Химически метан отличается относительной инертностью. В жестких условиях (при нагревании или ультрафиолетовом облучении) он вступает в типичные для алканов реакции радикального замещения: галогенирование и сульфохлорирование. Реакция с галогенами (например, хлором) протекает последовательно, приводя к поэтапному замещению атомов водорода с образованием смесей хлорпроизводных, вплоть до образования тетрахлорметана. Метан горит в кислороде воздуха голубым пламенем с выделением большого количества тепловой энергии, образуя углекислый газ и воду. При направленном каталитическом окислении кислородом возможно получение формальдегида. Важнейшим химическим свойством является конверсия метана водяным паром, которая осуществляется при температуре 800–900 градусов Цельсия в присутствии катализаторов (или при 1400 градусах Цельсия без них) и приводит к получению синтез-газа.
С точки зрения токсикологии метан относится к четвертому классу опасности. Он обладает слабым наркотическим действием, по характеру напоминающим воздействие эфира. Длительное вдыхание воздуха с примесью метана в шахтах может вызывать у рабочих легкое опьянение и снижение артериального давления. Однако главную физиологическую опасность представляет способность метана вытеснять кислород из закрытых помещений, что при концентрации около 30 процентов приводит к удушью и гибели.
Наибольшую угрозу представляет исключительная взрывоопасность метана. Смеси метана с воздухом способны детонировать при концентрации углеводорода от 4,4 до 17 процентов, при этом наиболее разрушительные взрывы происходят при концентрации около 9,5 процента. Поскольку природный метан лишен запаха, для своевременного обнаружения бытовых утечек в транспортируемый газ обязательно добавляют одоранты — специфические сильнопахнущие вещества.
Применение
Основной сферой применения метана является теплоэнергетика. Он массово используется в качестве высокоэффективного и относительно чистого топлива для газовых турбин, парогенераторов и бытового газового оборудования. При сгорании метан выделяет значительно больше теплоты и меньше углекислого газа по сравнению с тяжелыми фракциями нефти или углем. В связи с этим метан активно внедряется в качестве экологически чистого моторного топлива для легковых автомобилей, грузовиков и автобусов, что позволяет существенно снизить уровень загрязнения воздуха в мегаполисах. Для обеспечения этого перехода в развитых странах активно строится специализированная заправочная инфраструктура.
Сжиженный метан в комбинации с жидким кислородом рассматривается аэрокосмической отраслью как крайне перспективное топливо для различных типов ракетных двигателей. В химической промышленности синтез-газ, получаемый из метана, является фундаментальным сырьем для крупнотоннажного органического синтеза, в первую очередь для производства метанола, из которого в дальнейшем синтезируют уксусную кислоту и множество других соединений.
С экологической точки зрения метан выступает мощным парниковым газом, способность которого удерживать тепловое излучение значительно превышает аналогичный показатель углекислого газа. Доля метана в общем антропогенном парниковом эффекте оценивается примерно в 20 процентов. С 1750 года концентрация метана в атмосфере Земли возросла на 150 процентов. Хотя атмосферный метан под воздействием электрических разрядов (гроз) постепенно окисляется до углекислого газа, темпы его накопления вызывают серьезную озабоченность климатологов.