Метан

Метан (лат. methanum; һаҙ газы), CH4 — составы буйынса иң ябай сикке углеводород, нормаль шарттарҙа төҫһөҙ газ тәме һәм еҫе юҡ.

Метан
Дөйөм үҙенсәлектәре
Систематик исеме	метан
Ғәҙәти исеме	метан, шахта газы
Физик үҙенсәлектәре
Моляр масса	16,04 г/моль
Тығыҙлығы	газ (0 °C) 0,714 (нормальные условия) кг/м³[1] (25 °C) 0,7168 кг/м³; 0,6682 кг/м³ в стандартных условиях по ГОСТ 2939—63; жидкость (−164,6 °C) 415 кг/м³[2] г/см³
Термик үҙенсәлектәре
Иреү температураһы	−182,49 °C
Ҡайныу температураһы	−161,58 °C
Тарҡалыу температураһы	выше +1000°C °C
Ҡабыныу температураһы	85,1 K, −188 °C
Ялҡынланыу үҙ температураһы	+537,8 °C
Пределы взрываемости	4,4—17,0 %
Критик температура	190,56 K, −82,6 °C
Удельная теплота испарения	460,6 Дж/моль (при 760 мм. рт. ст.)[3] Дж/кг
Химические свойства
Растворимость в воде	0,02 г/кг[4] г/100 мл
Классификация
Рег. номер CAS	74-82-8
SMILES	C
Хәүефһеҙлеге
ПДК	7000 мг/м³
ЛД50	13450-36780 мг/кг мг/кг
Ағыулылығы	Класс опасности по ГОСТ 12.1.007: 4-й
NFPA 704	4 0 0

Һыуҙа аҙ эрей, һауанан ике тапҡырға тиерлек еңелерәк.

Метан ағыулы түгел, ләкин һауала концентрацияһы юғары булһа, еңелсә наркотик тәьҫире бар (ПДК 7000 мг/м³)^[5]. Метандың һауалағы аҙ концентрацияларҙың хроник тәьҫире ваҡытында үҙәк нервы системаһына насар йоғонто яһауы тураһында мәғлүмәттәр бар^[6]. Метандың CH4 наркотик тәьҫире уның һыуҙа һәм ҡанда аҙ эреүсәнлеге арҡаһында һәм химик инертлығы менән көсһөҙләнә. Токсик класы — дүртенсе^[7].

Көнкүрештә метанға (тәбиғи газ) файҙаланғанда, кеше авариялы газ еҫен ваҡытында тойһон өсөн, ғәҙәттә, одоранттар (йә иһә тиолдар) — үҙенсәлекле «газ еҫе» булған осоусан матдәләр өҫтәлә. Сәнәғәт производстволарында авариялы газ сығыуҙы датчиктар теркәй. Күп осраҡта метан лабораторияларға һәм сәнәғәт производстволарына одоранттар өҫтәмәйенсә оҙатыла.

Ябыҡ бинала һауа менән ҡатнаштырғанда метан шартлау ҡурҡынысы менән янай, уның концентрацияһы 4,4 % -тан 17 % -ҡа тиклем. Һауа менән ҡатышмала иң ҙур шартлау хәүефе 9,5 процент тәшкил итә. Күмер шахталарында ул күмер ҡатламдарынан айырыла, был ҡайһы берҙә шартлауҙарға килтерә, уларҙың эҙемтәләре һәләкәтле булыуы ихтимал.

Метан — Ер атмосфераһында әһәмиәте буйынса өсөнсө парник газы (һыу парынан һәм углекислый газдан һуң, уның контролдә тотоу һөҙөмтәһенә индергән өлөшө 4—9 %баһалана).^[8]

Тарихы

1776 йылдың ноябрендә Италия физигы Алессандро Вольта Италия менән Швейцария сигендә Лаго-Маджоре күле һаҙлыҡтарында метан тапҡан. Һаҙлыҡ газын өйрәнеүгә уны Бенджамин Франклиндың «утлы һауа» тураһындағы мәҡәләһе илһамландырған. Вольта һаҙлыҡ төбөнән бүленгән газды йыя һәм 1778 йылда таҙа метан бүлеп сығара.. Шулай уҡ ул электр осҡононан газдың ҡабыныуын күрһәтә.

Сэр Гемфри Дэви 1813 йылда рудник газын өйрәнә, һәм уның аҙ миҡдарҙа азот N₂ һәм углекислый газ CO₂ ҡатышмаһынан тороуын, йәғни ул составы буйынса һаҙ газына оҡшаш булыуын күрһәтә.

Хәҙерге «метан» атамаһын 1866 йылда немец химигы Август Вильгельм фон Гофман биргән, ул «метанол». һүҙенән яһалған.

Тәбиғәттә булыуы

Тәбиғи газдың (77-99 %), эйәрсен нефть газдарының (31-90 %), рудник һәм һаҙлыҡ газдарының (метандың башҡа атамалары ла шунан алынған — һаҙлыҡ йәки рудник газы) төп компоненты. Анаэроб шарттарҙа (һаҙлыҡтарҙа, артыҡ дымлы тупраҡта, көйшәүсе хайуандарҙың эсәгендә) ҡайһы бер микроорганизмдарҙың тереклек итеүе һөҙөмтәһендә биоген барлыҡҡа килә.

Метандың ҙур запастары диңгеҙ төбөндәге һәм мәңгелек туңлыҡ зонаһындағы метаногидраттарҙа тупланған^[8].

Метан шулай уҡ башҡа планеталарҙа, шул иҫәптән Марста табылған, был астробиология өлкәһендәге тикшеренеүҙәр өсөн ҙур әһәмиәткә эйә^[9]. Хәҙерге мәғлүмәттәр буйынса, ҡояш системаһы планета-гиганттары атмосфераһында һиҙелерлек концентрацияла метан бар^[10].

Фаразланыуынса, Титанда түбән температураларҙа (-180 °C) шыйыҡ метан-этан ҡатнашмаһынан тотош күлдәр һәм йылғалар бар.

Сәнәғәттә

Таш күмерҙе кокслаштырғанда, күмерҙе гидрирлағанда, каталитик риформинг реакцияларында углеводородтарҙы гидрогенолизлағанда барлыҡҡа килә.

Сығышы буйынса классификация

• абиоген — органик булмаған берләшмәләрҙең химик реакциялары һөҙөмтәһендә, мәҫәлән, металл карбидтарының һыу менән тәьҫир итешеүе һөҙөмтәһендә барлыҡҡа килә;
• биоген-органик матдәләрҙең химик әүерелештәре һөҙөмтәһе булараҡ барлыҡҡа килә;
• бактериаль (микроб) — бактерияларҙың (микроорганизмдарҙың) йәшәү эшмәкәрлеге һөҙөмтәһендә барлыҡҡа килә;
• термоген-барышында барлыҡҡа килгән термохимик процестар.

Алыу

Метанды Сабатье реакцияһы, юғары температурала һәм баҫым аҫтында катализатор ҡатнашлығында углекислый газ һәм водород тәьҫир итешеүе иҫәбенә алырға мөмкин:

${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}+4H_{2}\rightarrow CH_{4}+2H_{2}O}}}$

H H = −165.0 кДж/моль

Лабораторияла боҙло уксус кислотаһы менән натрий гидроксидтары һәм кальций гидроксидтары ҡатышмаһы) йәки һыуһыҙ гидроксидты йылытыу юлы менән алалар:

${\displaystyle {\ce {2 NaOH + CH3COOH -> Na2CO3 + H2O + CH4 ^}}}$.

Был реакция өсөн һыуҙың булмауы мөһим, шуға күрә натрий гидроксиды файҙаланыла ла инде, сөнки ул ныҡ гигроскопик түгел.

Метанды натрий гидроксиды менән натрий ацетатын иретеү юлы менән алыу ихтималлығы^[11]:

${\displaystyle {\ce {CH3COONa + NaOH -> CH4 ^ + Na2CO3}}}$.

Шулай уҡ метанды лаборатор юл менән алыу өсөн алюмин карбиды гидролизы файҙаланыла:

${\displaystyle {\ce {Al4C3 + 12 H2O -> 4 Al(OH)3 + 3CH4 ^}}}$,

йәки ҡайһы бер металорганик берләшмәләр (мәҫәлән, метилмагнийбромида).

Биологик метан алыу мөмкин, ҡарағыҙ. Биогаз.

Физик үҙсәнлектәре

Метан-кислород-азот өсләтә ҡатышмаһы шартлауының өсмөйөшө. Зәңгәр тура һыҙыҡ метандың һауа менән ҡатышмаһына тура килә, ҡыҙыл линия стехиометрик составҡа тап килә.ВПВ — шартлауҙың юғары сиге; НПВ — шартлауҙың түбәнге сиге; ПК — шартлауҙың сикке концентрацияһы..

Бүлмә температураһында һәм метандың стандарт баҫымында — еҫһеҙ төҫһөҙ газ.^[12]

Метандың ҡайнау температураһы −164 °C бер атмосфераға баҫым яһағанда.

Һауала күләмле концентрациялар ваҡытында еңел тоҡана 4,4 до 17 % об. % стандарт баҫым аҫтында. Атмосфера баҫымы ваҡытында метан менән кислород ҡатнашмаларында шартлау (тоҡаныу) сиктәре 4,5 до 61 oб. %.

Ҡаты метан бик юғары баҫым аҫтында бер нисә модификацияла бар. Ошондай туғыҙ модификация билдәле^[13].

Химик үҙенсәлектәре

Метан — туйындырылған углеводородтарҙың (алкандарҙың) гомологик рәтенең беренсе ағзаһы, химик тәьҫирҙәргә нығыраҡ тотороҡло. Башҡа алкандар кеүек үк, радикал алмашыныу — галогенлау, сульфохлорлау, сульфоокисланыу, нитратлаштырыу һәм башҡа реакцияларға инә, ләкин башҡа алкандар менән сағыштырғанда реакция һәләте әҙерәк.

Метан өсөн һыу парҙары менән реакция үҙенсәлекле — пар риформингы реакцияһы, уның өсөн сәнәғәттә катализатор сифатында алюмин оксидына һөртөлгән никель (Ni/Al₂O₃) файҙаланыла, уның менән 800—900 °C йәки 1400—1600 °C. градус температурала катализатор ҡулланмайынса файҙаланыла. Метанол, углеводородтар, уксус кислотаһы һәм башҡа производствоның төп синтезлауы өсөн файҙаланыла:

${\displaystyle {\ce {CH4 + H2O -> CO + 3H2}}}$.

Һауала зәңгәрһыу ялҡын менән яна, шул уҡ ваҡытта нормаль шарттарҙа алынған 1 м³ метанға 33,066 МДж энергия бүленә. Кислородта йәки һауала метандың яныу реакцияһы:

${\displaystyle {\ce {CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}}}$ + 891 кДж.

Ирекле-радикал механизм (металлепсия реакцияһы) буйынса үткән алмаштырыу реакцияһында галогендар менән инә, мәҫәлән, дүрт хлорлы углеродҡа тиклем эҙмә-эҙлекле хлорлау реакцияһы:

${\displaystyle {\ce {CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl}}}$,

${\displaystyle {\ce {CH3Cl + Cl2 -> CH2Cl2 + HCl}}}$,

${\displaystyle {\ce {CH2Cl2 + Cl2 -> CHCl3 + HCl}}}$,

${\displaystyle {\ce {CHCl3 + Cl2 -> CCl4 + HCl}}}$.

1400 °C юғарыраҡта тарҡала:

${\displaystyle {\ce {2 CH4 -> C2H2 + 3 H2}}}$.

Сылбырлы радикаль механизм буйынса 150—200 °C һәм 30-90 атмосфера баҫымы тәьҫирендә ҡырмыҫҡа кислотаһына тиклем окислана:

${\displaystyle {\ce {CH4 + 3[O] -> HCOOH + H2O}}}$.

Ҡушылмалар

Метан барлыҡҡа килтерә ҡушылмалар — газ гидраттары тәбиғәттә киң таралған.

Метанды ҡулланыу

Мейестәр, һыу йылытҡыстар, автомобилдәр, турбиналар һ.б. өсөн метан яғыулыҡ сифатында ҡулланыла.^[14]Метанды һаҡлау өсөн активлаштырылған күмер файҙаланыла ала.

Тәбиғи газдың төп компоненты булараҡ метан уны газ турбиналарында йәки пар генераторҙарында яндырғанда электр энергияһы етештереү өсөн файҙаланыла. Углеводород яғыулығының башҡа төрҙәре менән сағыштырғанда метан бүлеп сығарылған йылылыҡ берәмегенә углекислый газды әҙерәк етештерә. Метандың яныу йылылығы яҡынса 891 кДж/моль һәм башҡа углеводородтарға ҡарағанда түбәнерәк. Шуға ҡарамаҫтан, ул водородтың сағыштырмаса күп булыуы арҡаһында барлыҡҡа килгән башҡа органик матдәгә ҡарағанда масса берәмегенә (55,7 кДж/г) күберәк йылылыҡ бирә, был яныу йылылығына водородтың яҡынса 55 процентын индерә^[15], әммә метандың молекуляр массаһының тик 25 процентын ғына тәшкил итә.

Күп кенә ҡалаларҙа метан йылытыу һәм аш-һыу әҙерләү өсөн йорттарға тапшырыла. Шул уҡ ваҡытта уны, ғәҙәттә, энергия күләме 39 мДж/м3 тәшкил иткән тәбиғи газ тип атайҙар. Шыйығайтылған тәбиғи газ (СПГ) һаҡлау һәм/йәки транспортлау уңайлылығы өсөн шыйығайтылған күбеһенсә метандан (CH₄) ғибәрәт.

Шыйыҡ метан шыйыҡ кислород менән берлектә перспективалы ракета яғыулығы сифатында ҡарала һәм РД-0162. Метандың кәрәсиндән өҫтөнлөгө шунда:

• күб сағыштырма импульс бирә^[16];
• ракета двигателдәренең эске өлөштәрендә яныу продукттарын аҙыраҡ ҡалдыра;
• двигатель ҡыуышлығын яғыулыҡ ҡалдыҡтарынан еңелерәк азат итергә мөмкинлек бирә^[16].

Был ракеталарҙы ҡабаттан файҙаланыуҙың ҡатмарлылығын кәметә.

Метан органик синтезда сеймалы сифатында, шул иҫәптән метанол .етештереү өсөн ҡулланыла.

Метан һәм экология

Метандың яҡын һәм урта И-өлкәләрҙә йотолоу спектры . Вертикаль күсәр буйынса 1 молекулаға йотоу киҫелеше күсерелгән.

Инфраструктура-ҡыҙыл спектрҙа уның молекулаларын тәрән тирбәлеү-әйләнеү һыҙаттары булғанлыҡтан, углекислый газға ҡарағанда был йәһәттән көслөрәк парник (аэронавигацион) газ булып тора. Әгәр климатҡа углекислый газдың тәьҫир дәрәжәһен шартлы рәүештә берәмеккә ҡабул итһәң, шул уҡ метандың моляр күләменең парник активлығы 21-25 берәмек тәшкил итәсәк^[17].^[18] Ләкин метан атмосферала оҙаҡ һаҡланмай (бер нисә айҙан алып бер нисә йылға тиклем), сөнки ул кислород тәьҫирендә тропосферала йәшен разряды тәьҫирендә һәм стратосферала Ҡояштың Уф-нурланыш-С тәьҫирендә окислана.

1750 йылдан алып Ер атмосфераһында метандың концентрацияһы 150 процентҡа артҡан, һәм уның өлөшөнә оҙаҡ һаҡланыусы һәм глобаль ҡатнаш парник газдарының дөйөм радиация тәьҫиренән 20 процент тура килә.

Иҫкәрмәләр

1. Теплота сгорания метана, бутана и пропана  (урыҫ). Авторский блог Алексея Зайцева. Дата обращения: 7 октябрь 2022.
2. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др.. — 3-е изд., испр. — Л.: Химия, 1971. — Т. 2. — С. 780—781. — 1168 с.
3. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов. Справочник. (рус.) / Под ред. М. Д. Таличева. — Выпуск 4-й. — М.-Л.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1953.
4. Обзор: Растворимость некоторых газов в воде  (билдәһеҙ). Дата обращения: 6 июль 2011. Архивировано 11 ноябрь 2011 года. 2011 йыл 11 ноябрь архивланған.
5. Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»
6. Куценко С. А. Основы токсикологии / С. А. Куценко. — СПб.: Фолиант, 2004.
7. Газохроматографическое измерение массовых концентраций углеводородов: метана, этана, этилена, пропана, пропилена, н-бутана, альфа-бутилена, изопентана в воздухе рабочей зоны. Методические указания. МУК 4.1.1306-03 (Утв. главным государственным санитарным врачом РФ 30.03.2003)(недоступная ссылка)
8. Леонид Юрганов Метан над Арктикой (рус.) // Наука и жизнь. — 2017. — № 11. — С. 24.
9. Etiope, Giuseppe; Lollar, Barbara Sherwood Abiotic Methane on Earth (инг.) // Reviews of Geophysics (инг.)баш. : journal. — 2013. — Т. 51. — № 2. — С. 276—299. — ISSN 1944-9208. — DOI:10.1002/rog.20011 — Bibcode: 2013RvGeo..51..276E
10. Atreya, S. K.; Mahaffy, P. R.; Niemann, H. B. et al Composition and origin of the atmosphere of Jupiter—an update, and implications for the extrasolar giant planets (инг.) // Planetary and Space Sciences : journal. — 2003. — Т. 51. — С. 105—112. — DOI:10.1016/S0032-0633(02)00144-7
11. Павлов Б. А., Терентьев А. П. Курс органической химии. — Издание шестое, стереотипное. — M.: Химия, 1967. — С. 58.
12. Hensher David A.; Button Kenneth J. Handbook of transport and the environment. — Emerald Group Publishing (инг.)баш., 2003. — С. 168. — ISBN 978-0-08-044103-0.
13. Bini, R.; Pratesi, G. High-pressure infrared study of solid methane: Phase diagram up to 30 GPa (инг.) // Physical Review B : journal. — 1997. — Т. 55. — № 22. — С. 14800—14809. — DOI:10.1103/physrevb.55.14800 — Bibcode: 1997PhRvB..5514800B
14. Cornell, Clayton B.. Natural Gas Cars: CNG Fuel Almost Free in Some Parts of the Country  (инг.) (29 April 2008). 18 октябрь 2019 тикшерелгән. «Compressed natural gas is touted as the 'cleanest burning' alternative fuel available, since the simplicity of the methane molecule reduces tailpipe emissions of different pollutants by 35 to 97%. Not quite as dramatic is the reduction in net greenhouse-gas emissions, which is about the same as corn-grain ethanol at about a 20% reduction over gasoline».
15. Schmidt-Rohr, Klaus Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O2 (инг.) // Journal of Chemical Education (инг.)баш. : journal. — 2015. — Т. 92. — № 12. — С. 2094—2099. — DOI:10.1021/acs.jchemed.5b00333 — Bibcode: 2015JChEd..92.2094S
16. Известия, 2014
17. EBRD Methodology for Assessment of Greenhouse Gas Emissions, Version 7, 6 July 2010 2015 йыл 13 май архивланған.
18. Non-CO2 Greenhouse Gases: Scientific Understanding, Control and Implementation (ed. J. van Ham, Springer 2000, ISBN 978-0-7923-6199-2): 4. Impact of methane on climate, page 30 «On a molar basis, an additional mole of methane in the current atmosphere is about 24 times more effective at absorbing infrared radiation and affecting climate than an additional mole of carbon dioxide (WMO, 1999)»

Әҙәбиәт

• Львов М. Д. Болотный газ или метан // Брокгауз һәм Ефрондың энциклопедик һүҙлеге: 86 томда (82 т. һәм 4 өҫтәмә том). — СПб., 1890—1907. (рус.)

Һылтанмалар

• Метан