Metan

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 29. září 2022; kontroly vyžadují 2 úpravy .
Metan
Všeobecné
Systematický
název		 metan
Tradiční jména metan, výpalky
Chem. vzorec CH 4
Krysa. vzorec CH 4
Fyzikální vlastnosti
Molární hmotnost 16,04 g/ mol
Hustota

plyn (0 °C) 0,714 (normální podmínky) kg/m³ [1]

(25 °C) 0,7168 kg/m³; 0,6682 kg/m³ za standardních podmínek podle GOST 2939-63;
kapalina (-164,6 °C) 415 kg/m³ [2]
Tepelné vlastnosti
Teplota
 •  tání -182,49 °C
 •  vroucí -161,58 °C
 • rozklad nad +1000°C
 •  bliká 85,1 K, -188 °C
 •  samovznícení +537,8 °C
Meze výbušnosti 4,4–17,0 %
Kritický bod  
 • teplota 190,56 K, -82,6 °C
Entalpie
 •  vzdělávání −74 520 J/mol [3]
 •  spalování

35,9 MJ/m³

50,2 MJ/kg [1]

803,2 kJ/mol
Měrné výparné teplo 460,6 J/mol (při 760 mm Hg) [4]
Chemické vlastnosti
Rozpustnost
 • ve vodě 0,02 g/kg [5]
Klasifikace
Reg. Číslo CAS 74-82-8
PubChem 297
Reg. číslo EINECS 200-812-7
ÚSMĚVY   C
InChI   InChI=lS/CH4/h1H4VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N
RTECS PA1490000
CHEBI 16183
UN číslo 1971
ChemSpider 291
Bezpečnost
Limitní koncentrace 7000 mg/m³
LD 50 13450-36780 mg/kg
Toxicita Třída nebezpečnosti podle GOST 12.1.007: 4
Ikony ECB
NFPA 704 NFPA 704 čtyřbarevný diamant čtyři 0 0
Údaje jsou založeny na standardních podmínkách (25 °C, 100 kPa), pokud není uvedeno jinak.
 Mediální soubory na Wikimedia Commons

Metan ( lat.  metan ; bažinový plyn ), CH 4  - nejjednodušší nasycený uhlovodík složení , za normálních podmínek bezbarvý plyn , bez zápachu a chuti.

Málo rozpustný ve vodě, téměř dvakrát lehčí než vzduch.

Metan je netoxický , ale ve vysoké koncentraci ve vzduchu má slabý narkotický účinek (MPC 7000 mg/m 3 ) [6] . Existují důkazy, že chronická expozice nízkým koncentracím metanu ve vzduchu nepříznivě ovlivňuje centrální nervový systém [7] . Narkotický účinek metanu CH 4 je oslaben jeho nízkou rozpustností ve vodě a krvi a chemickou inertností . Třída toxicity - čtvrtá [8] .

Při běžném použití se do metanu (zemního plynu) obvykle přidávají odoranty (nejčastěji thioly ) - těkavé látky se specifickou "vůní plynu" tak, aby člověk včas zaznamenal nouzový únik plynu čichem. V průmyslové výrobě jsou netěsnosti fixovány čidly a v mnoha případech je metan pro laboratoře a průmyslovou výrobu dodáván bez přídavku odorantů.

Při hromadění uvnitř ve směsi se vzduchem se metan stává výbušným při jeho koncentraci od 4,4 % do 17 % [9] . Nejvýbušnější koncentrace ve směsi se vzduchem je 9,5 obj. %. V uhelných dolech se uvolňuje z uhelných slojí, což někdy vede k výbuchům, jejichž následky mohou být katastrofální.

Metan je třetím nejvýznamnějším skleníkovým plynem v zemské atmosféře (po vodní páře a oxidu uhličitém se jeho podíl na skleníkovém efektu odhaduje na 4–9 %) [10] [11] .

Historie

V listopadu 1776 objevil italský fyzik Alessandro Volta metan v bažinách jezera Maggiore na hranici mezi Itálií a Švýcarskem. Ke studiu bažinového plynu ho inspiroval článek Benjamina Franklina o „hořlavém vzduchu“. Volta v roce 1778 shromáždila plyn vypouštěný ze dna bažiny a izolovala čistý metan. Předvedl také zapálení plynu z elektrické jiskry.

Sir Humphry Davy v roce 1813 studoval důlní plyn a ukázal, že jde o směs metanu s malým množstvím dusíku N 2 a oxidu uhličitého CO 2  – tedy že je složením kvalitativně identický s bažinným plynem.

Moderní název „metan“ v roce 1866 dal plynu německý chemik August Wilhelm von Hoffmann [12] [13] , je odvozen od slova „ metanol “.

Být v přírodě

Hlavní složkou zemní plyn (77-99 %), přidružené ropné plyny (31-90 %), důlní a bažinné plyny (odtud další názvy pro metan - bažina nebo bahno). V anaerobních podmínkách (v bažinách, podmáčených půdách, střevech přežvýkavců ) vzniká biogenně jako výsledek životně důležité činnosti některých mikroorganismů.

Velké zásoby metanu jsou soustředěny v hydrátech metanu na dně moří a v zóně permafrostu [10] [11] .

Metan byl také nalezen na jiných planetách, včetně Marsu , s důsledky pro výzkum v astrobiologii [14] . Podle moderních údajů je metan přítomen ve významných koncentracích v atmosférách obřích planet sluneční soustavy [15] .

Pravděpodobně se na povrchu Titanu při nízkých teplotách (−180 °C) nacházejí celá jezera a řeky z kapalné směsi metanu a ethanu [16] . Podíl metanového ledu je také velký na povrchu Sedny .

V průmyslu

Vzniká při koksování uhlí , hydrogenaci uhlí, hydrogenolýze uhlovodíků v katalytických reformovacích reakcích.

Klasifikace podle původu

Získání

Metan je možné získat díky Sabatierově reakci , díky interakci oxidu uhličitého a vodíku v přítomnosti katalyzátoru při zvýšené teplotě a tlaku:

∆H = −165,0 kJ/mol

Připravuje se v laboratoři zahřátím natronového vápna (směs hydroxidu sodného a hydroxidu vápenatého ) nebo bezvodého hydroxidu sodného s ledovou kyselinou octovou :

.

Pro tuto reakci je důležitá nepřítomnost vody, proto se používá hydroxid sodný, protože je méně hygroskopický .

Metan je možné získat fúzí octanu sodného s hydroxidem sodným [17] :

.

Také pro laboratorní výrobu metanu se používá hydrolýza karbidu hliníku :

,

nebo některé organokovové sloučeniny (jako je methylmagnesiumbromid ).

Biologická produkce metanu je možná, viz bioplyn .

Fyzikální vlastnosti

Při pokojové teplotě a standardním tlaku je metan bezbarvý plyn bez zápachu [18] . Známého zápachu domácího zemního plynu je dosaženo specifickým přidáním vonné směsi obsahující terc-butylthiol do plynu jako bezpečnostní opatření pro detekci nouzového úniku metanu pachem.

Metan má bod varu −164 °C při tlaku jedné atmosféry [19] .

Snadno se zapaluje při objemových koncentracích ve vzduchu od 4,4 do 17 % obj. % při standardním tlaku. Meze výbušnosti (vznícení) ve směsích metanu s kyslíkem při atmosférickém tlaku od 4,5 do 61 obj. %.

Pevný metan při velmi vysokých tlacích existuje v několika modifikacích. Je známo devět takových modifikací [20] .

Chemické vlastnosti

Metan je prvním členem homologní řady nasycených uhlovodíků (alkanů), nejodolnějších vůči chemickému napadení. Stejně jako ostatní alkany vstupuje do radikálových substitučních reakcí  - halogenace , sulfochlorace , sulfoxidace, nitrace a dalších, ale je méně reaktivní než jiné alkany.

Pro metan je specifická reakce s vodní párou - reakce parního reformingu, pro kterou se v průmyslu používá nikl jako katalyzátor , nanesený na oxid hlinitý (Ni/Al 2 O 3 ) při 800-900 °C nebo bez použití katalyzátoru při 1400-1600 °C. Výsledný syntézní plyn lze použít pro následnou syntézu methanolu , uhlovodíků , kyseliny octové , acetaldehydu a dalších produktů, což je hlavní ekonomický způsob výroby vodíku:

.

Na vzduchu hoří namodralým plamenem, přičemž na 1 m³ odebraného metanu za normálních podmínek se uvolní energie asi 33,066 MJ . Spalovací reakce metanu v kyslíku nebo vzduchu:

+ 891 kJ.

Vstupuje do substitučních reakcí s halogeny , které probíhají mechanismem volných radikálů ( metaleptická reakce )? například sekvenční chlorační reakce na chlorid uhličitý :

, , , .

Nad 1400 °C se rozkládá podle reakce:

.

Oxiduje se na kyselinu mravenčí při 150–200 °C a tlaku 30–90 atm. radikálovým řetězovým mechanismem :

.

Inkluzní spojení

Metan tvoří inkluzní sloučeniny  - plynové hydráty , široce rozšířené v přírodě.

Aplikace metanu

Metan se používá jako palivo pro kamna , ohřívače vody , automobily [21] [22] , turbíny atd. K ukládání metanu lze využít aktivní uhlí .

Jako hlavní složka zemního plynu se metan používá k výrobě elektřiny spalováním v plynových turbínách nebo parogenerátorech. Ve srovnání s jinými uhlovodíkovými palivy produkuje metan méně oxidu uhličitého na jednotku uvolněného tepla. Spalné teplo metanu je asi 891 kJ/mol, což je méně než u jakéhokoli jiného uhlovodíku. Produkuje však více tepla na jednotku hmotnosti (55,7 kJ/g) než jakákoli jiná organická látka díky relativně vysokému obsahu vodíku, který se na výhřevnosti podílí asi 55 % vodíku [23] , ale molekulovou hmotností je pouze 25 %. metanu.

V mnoha městech je metan dodáván do domácností pro vytápění a vaření. Obvykle se však nazývá zemní plyn , jehož energetický obsah je 39 mJ/m 3 . Zkapalněný zemní plyn (LNG) je převážně metan (CH 4 ), který se zkapalňuje pro snadné skladování a/nebo přepravu.

Kapalný metan v kombinaci s kapalným kyslíkem je považován za perspektivní raketové palivo [24] [25] a používá se v motorech jako RD-0162 , BE-4 [26] a Raptor . Metan má oproti petroleji výhody v tom, že:

To snižuje obtížnost opětovného použití raket [26] [29] .

Metan se používá jako surovina v organické syntéze , včetně výroby methanolu .

Fyziologické působení

Metan je fyziologicky nejnebezpečnější plyn z homologní řady parafinických uhlovodíků . Metan nemá fyziologický účinek a není toxický (kvůli nízké rozpustnosti metanu ve vodě a krevní plazmě a přirozené chemické inertnosti parafinů). Člověk může zemřít ve vzduchu s vysokou koncentrací metanu pouze z nedostatku kyslíku ve vzduchu. Když je tedy obsah metanu ve vzduchu 25-30%, objevují se první známky dušení (zvýšená srdeční frekvence, zvýšený dechový objem, zhoršená koordinace pohybů jemných svalů atd.). Vyšší koncentrace metanu ve vzduchu způsobuje u člověka hladovění kyslíkem - bolesti hlavy, dušnost - příznaky charakteristické pro výškovou nemoc .

Vzhledem k tomu, že metan je lehčí než vzduch, nehromadí se ve větraných podzemních konstrukcích. Proto jsou případy úmrtí lidí udušením při vdechnutí směsi metanu se vzduchem velmi vzácné.

První pomoc při těžkém dušení: vyvedení postiženého ze škodlivého ovzduší. Při absenci dýchání okamžitě (před příjezdem lékaře) umělé dýchání z úst do úst. Při absenci pulsu - nepřímá masáž srdce.

Chronické působení metanu

U lidí pracujících v dolech nebo v průmyslových odvětvích, kde jsou metan a další plynné parafinové uhlovodíky přítomny ve vzduchu v malých množstvích, jsou popisovány znatelné změny v autonomním nervovém systému (pozitivní okulokardiální reflex , výrazný atropinový test, hypotenze ) v důsledku velmi slabého narkotika. působení těchto látek, podobné narkotickému účinku diethyletheru .

MPC metanu ve vzduchu pracovního prostoru je 7000 mg/m³ [6] .

Biologická role

Bylo prokázáno, že endogenní metan je schopen produkovat nejen metanogenní střevní mikroflóra , ale i eukaryotické buňky , a že jeho produkce výrazně stoupá, když je experimentálně způsobena buněčná hypoxie , například když jsou mitochondrie narušeny otravou organismu pokusné zvíře s azidem sodným , známým mitochondriálním jedem. Bylo navrženo, že tvorba methanu eukaryotickými buňkami, zejména zvířaty, může být intracelulárním nebo mezibuněčným signálem hypoxie, kterou buňky zažívají [30] .

Bylo také prokázáno zvýšení produkce metanu živočišnými a rostlinnými buňkami pod vlivem různých stresových faktorů, například bakteriální endotoxémie nebo její imitace zavedením bakteriálního lipopolysacharidu , i když tento efekt nemusí být pozorován u všech zvířat. druhů (v experimentu jej vědci získali u myší, ale nedostali). u potkanů) [31] . Je možné, že tvorba metanu živočišnými buňkami za takových stresových podmínek hraje roli jednoho ze stresových signálů.

Předpokládá se také, že metan, vylučovaný lidskou střevní mikroflórou a neabsorbovaný lidským tělem (není metabolizován a částečně odstraňován spolu se střevními plyny, částečně absorbován a odstraňován při dýchání plícemi ) , není „neutrální“ vedlejší produkt bakteriálního metabolismu střevní motility a jeho nadbytek může způsobit nejen nadýmání, říhání , zvýšenou tvorbu plynu a bolesti břicha, ale také funkční zácpu [32] .

Metan a ekologie

Je to skleníkový plyn , v tomto ohledu silnější než oxid uhličitý , díky přítomnosti hlubokých vibračně-rotačních absorpčních pásů jeho molekul v infračerveném spektru . Pokud je stupeň dopadu oxidu uhličitého na klima podmíněně brán jako jedna, pak skleníková aktivita stejného molárního objemu metanu bude 21–25 jednotek [34] [35] . Životnost metanu v atmosféře je však krátká (několik měsíců až několik let), protože je oxidován kyslíkem na oxid uhličitý v troposféře působením výbojů blesku a ve stratosféře vlivem UV-C záření. ze Slunce.

Od roku 1750 se koncentrace metanu v zemské atmosféře zvýšila asi o 150 % a představuje 20 % celkové radiační síly všech dlouhodobých a globálně smíšených skleníkových plynů [36] .

Poznámky

  1. ↑ 1 2 Výhřevnost metanu, butanu a propanu . Autorský blog Alexeje Zaitseva . Staženo: 7. října 2022.
  2. ↑ Příručka chemika / Redakční rada: Nikolsky B. P. et al. - 3. vyd., opraveno. - L .: Chemistry , 1971. - T. 2. - S. 780-781. — 1168 s.
  3. ↑ Smith J. M., HC Van Ness, MM Abbott Úvod do chemického inženýrství Termodynamika  // J. Chem. Vychovat. - American Chemical Society , 1950. - Sv. 27, Iss. 10. - S. 789. - ISSN 0021-9584 ; 1938-1328 – doi:10.1021/ED027P584.3
  4. ↑ Fyzikální a chemické vlastnosti jednotlivých uhlovodíků. Adresář. / Ed. M. D. Talichev. - Vydání 4. - M. - L .: Státní vědeckotechnické nakladatelství naftové a těžební a palivové literatury, 1953.
  5. ^ Recenze: Rozpustnost některých plynů ve vodě . Získáno 6. července 2011. Archivováno z originálu 11. listopadu 2011.
  6. ↑ 1 2 Hygienické normy GN 2.2.5.1313-03 "Maximální přípustné koncentrace (MPC) škodlivých látek ve vzduchu pracovního prostoru"
  7. ↑ Kutsenko S. A.  Základy toxikologie / S. A. Kutsenko. - Petrohrad: Folio, 2004.
  8. ↑ Plynové chromatografické měření hmotnostních koncentrací uhlovodíků: metanu, ethanu, ethylenu, propanu, propylenu, n-butanu, alfa-butylenu, isopentanu ve vzduchu pracovního prostoru. Metodické pokyny. MUK 4.1.1306-03 (Schváleno vrchním státním sanitářem Ruské federace dne 30. března 2003)  (nepřístupný odkaz)
  9. ↑ GOST R 52136-2003 . Získáno 8. února 2012. Archivováno z originálu 18. května 2015.
  10. ↑ 1 2 Natalya Rzhevskaya Warmth of permafrost Archivní kopie z 1. února 2017 na Wayback Machine // Ve světě vědy . - 2016. - č. 12. - S. 67-73.
  11. ↑ 1 2 Leonid Jurganov. Metan nad Arktidou  // Věda a život . - 2017. - č. 11 . - S. 24 .
  12. ↑ A.W. Hofmann (1866) „O působení trichloridu fosforu na soli aromatických monoaminů“, Archivováno 3. května 2017 ve Wayback Machine Proceedings of the Royal Society of London , 15  :55-62; viz poznámka pod čarou na str. 57-58.
  13. ↑ James Michael McBride (1999) „Vývoj systematických jmen pro jednoduché alkany“. Dostupné online na Chemistry Department, Yale University (New Haven, Connecticut). Archivováno 16. března 2012 na Wayback Machine
  14. ↑ Etiope, Giuseppe; Lollar, Barbara Sherwoodová. Abiotický metan na Zemi  //  Recenze geofyziky : deník. - 2013. - Sv. 51 , č. 2 . - str. 276-299 . — ISSN 1944-9208 . - doi : 10.1002/rog.20011 . - .
  15. ↑ Atreya, SK; Mahaffy, P. R.; Niemann, HB a kol. Složení a původ atmosféry Jupiteru – aktualizace a důsledky pro extrasolární obří planety  // Planetary and Space Sciences  : journal  . - 2003. - Sv. 51 . - str. 105-112 . - doi : 10.1016/S0032-0633(02)00144-7 .
  16. ↑ Slapové účinky odpojených uhlovodíkových moří na Titanu . Získáno 23. května 2013. Archivováno z originálu 13. listopadu 2012.
  17. ↑ Pavlov B. A., Terentiev A. P. Kurz organické chemie. - Šesté vydání, stereotypní. - M.: Chemie, 1967. - S. 58.
  18. ↑ Hensher David A.; Button Kenneth J. Příručka dopravy a životního prostředí  . — Emerald Group Publishing, 2003. - S. 168. - ISBN 978-0-08-044103-0 .
  19. ↑ Data změny metanové fáze Archivováno 15. dubna 2016 na Wayback Machine // NIST Chemistry Webbook .
  20. ↑ Bini, R.; Pratesi, G. Vysokotlaká infračervená studie pevného metanu: Fázový diagram až 30 GPa  // Physical Review B  : journal  . - 1997. - Sv. 55 , č. 22 . - S. 14800-14809 . - doi : 10.1103/physrevb.55.14800 . - .
  21. ↑ Lumber Company lokalizuje pece na skládce k využití metanu – energetický manažer  dnes . Energetický manažer dnes . Získáno 11. března 2016. Archivováno z originálu 09. července 2019.
  22. ↑ Cornell, Clayton B. . Auta na zemní plyn: V některých částech země téměř bez paliva CNG (  29. dubna 2008). Archivováno z originálu 20. ledna 2019. Staženo 18. října 2019.  „Stlačený zemní plyn je nabízen jako „nejčistěji spalující“ dostupné alternativní palivo, protože jednoduchost molekuly metanu snižuje výfukové emise různých znečišťujících látek o 35 až 97 %. Ne tak dramatické je snížení čistých emisí skleníkových plynů, které je přibližně stejné jako u etanolu z kukuřičných obilí s přibližně 20% snížením oproti benzínu."  
  23. ↑ Schmidt-Rohr, Klaus. Proč jsou spalování vždy exotermická, vydávají asi 418 kJ na mol O2  //  Journal of Chemical Education  : deník. - 2015. - Sv. 92 , č. 12 . - S. 2094-2099 . - doi : 10.1021/acs.jchemed.5b00333 . - .
  24. ↑ Thunnissen, Daniel P.; Guernsey, CS; Baker, R.S.; Miyake, RN Advanced Space Storeable Propellants for Outer Planet Exploration  // American Institute of Aeronautics and Astronautics  : journal  . - 2004. - Ne. 4-0799 . — S. 28 .
  25. ↑ Cheberko, Ivan V Rusku navrhují vytvořit „metanovou raketu“ . Izvestija (16. května 2014). Získáno 18. července 2020. Archivováno z originálu dne 19. července 2020.
  26. ↑ 1 2 3 Blue Origin BE-4  Engine . — „Zvolili jsme LNG, protože je vysoce účinný, levný a široce dostupný. Na rozdíl od petroleje lze LNG použít k samonatlakování nádrže. Známá jako autogenní přetlakování, to eliminuje potřebu nákladných a složitých systémů, které čerpají ze vzácných zásob helia na Zemi. LNG má také čisté spalovací charakteristiky i při nízkém plynu, což ve srovnání s petrolejovými palivy zjednodušuje opětovné použití motoru. Získáno 14. června 2019. Archivováno z originálu 1. října 2021.
  27. ↑ Izvestija, 2014 : „Specifický impuls motoru LNG je vysoký“.
  28. ↑ Izvestija, 2014 : "Abyste uvolnili dutiny motoru, stačí projít odpařovacím cyklem - to znamená, že motor se snadněji zbaví zbytků produktu.".
  29. ↑ Izvestija, 2014 : „Vzhledem k tomu je metanové palivo přijatelnější z hlediska vytvoření znovu použitelného motoru a znovu použitelného letadla.“.
  30. ↑ Tuboly E. a kol. Biogeneze metanu během chemické hypoxie vyvolané azidem sodným u potkanů  ​​// American  Physiological Society. - 15. ledna 2013. - Sv. 304 , č.p. 2 . - str. 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. Stanovení tvorby endogenního methanu fotoakustickou spektroskopií  // J Breath Res.. - Dec 2013. - V. 7 , issue . 7(4) , č. 4 . - doi : 10.1088/1752-7155/7/4/046004 . — PMID 24185326 .
  32. ↑ Sahakian AB, Jee SR, Pimentel M. Metan a gastrointestinální trakt  // Dig Dis Sci. - Srpen 2010. - T. 55 , no. 55(8) , č. 8 . - S. 2135-2143 . - doi : 10.1007/s10620-009-1012-0 . — PMID 19830557 .
  33. ↑ Vovna A. V., Khlamov M. G. Aplikace metody optické absorpce k měření objemové koncentrace metanu v uhelných dolech. . Staženo 17. dubna 2020. Archivováno z originálu dne 30. ledna 2020.
  34. ↑ Metodika EBRD pro hodnocení emisí skleníkových plynů, verze 7, 6. července 2010 Archivováno 13. května 2015 na Wayback Machine 
  35. ↑ Non-CO2 skleníkové plyny: vědecké porozumění, kontrola a implementace (ed. J. van Ham, Springer 2000, ISBN 978-0-7923-6199-2 ): 4. Vliv metanu na klima, strana 30 „Na moláru další mol metanu v současné atmosféře je asi 24krát účinnější při pohlcování infračerveného záření a ovlivňování klimatu než další mol oxidu uhličitého (WMO, 1999)“
  36. ↑ Technické shrnutí . Změna klimatu 2001 . Program OSN pro životní prostředí. Archivováno z originálu 4. června 2011.

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie