Metan

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 29. september 2022; checks kræver 2 redigeringer .
Metan
Generel
Systematisk
navn		 metan
Traditionelle navne metan, ildgas
Chem. formel CH 4
Rotte. formel CH 4
Fysiske egenskaber
Molar masse 16,04 g/ mol
Massefylde

gas (0 °C) 0,714 (normale forhold) kg/m³ [1]

(25°C) 0,7168 kg/m3; 0,6682 kg/m³ under standardbetingelser i henhold til GOST 2939-63;
væske (−164,6 °C) 415 kg/m³ [2]
Termiske egenskaber
Temperatur
 •  smeltning -182,49°C
 •  kogning -161,58°C
 • nedbrydning over +1000°C
 •  blinker 85,1K, -188°C
 •  spontan antændelse +537,8°C
Eksplosionsgrænser 4,4-17,0 %
Kritisk punkt  
 • temperatur 190,56K, -82,6°C
Entalpi
 •  uddannelse −74 520 J/mol [3]
 •  forbrænding

35,9 MJ/m³

50,2 MJ/kg [1]

803,2 kJ/mol
Specifik fordampningsvarme 460,6 J/mol (ved 760 mm Hg) [4]
Kemiske egenskaber
Opløselighed
 • i vand 0,02 g/kg [5]
Klassifikation
Reg. CAS nummer 74-82-8
PubChem 297
Reg. EINECS nummer 200-812-7
SMIL   C
InChI   InChI=1S/CH4/h1H4VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N
RTECS PA1490000
CHEBI 16183
FN nummer 1971
ChemSpider 291
Sikkerhed
Begræns koncentrationen 7000 mg/m³
LD 50 13450-36780 mg/kg
Toksicitet Fareklasse ifølge GOST 12.1.007: 4
ECB ikoner
NFPA 704 NFPA 704 firfarvet diamant fire 0 0
Data er baseret på standardbetingelser (25 °C, 100 kPa), medmindre andet er angivet.
 Mediefiler på Wikimedia Commons

Methan ( lat.  methanum; sumpgas), CH 4 - den enkleste mættede kulbrinte i  sammensætning , under normale forhold, en farveløs gas , lugtfri og smagløs.

Lidt opløseligt i vand, næsten dobbelt så let som luft.

Metan er ugiftigt , men ved høj koncentration i luften har det en svag narkotisk effekt (MPC 7000 mg/m 3 ) [6] . Der er evidens for, at kronisk eksponering for lave koncentrationer af metan i luften påvirker centralnervesystemet negativt [7] . Den narkotiske virkning af metan CH 4 er svækket af dens lave opløselighed i vand og blod og kemisk inertitet . Toksicitetsklasse - fjerde [8] .

Når de bruges i hverdagen, tilsættes lugtstoffer (normalt thioler ) sædvanligvis til metan (naturgas) - flygtige stoffer med en specifik "lugt af gas", så en person opdager en nødgasudslip ved lugt i tide. I industriel produktion fikseres utætheder af sensorer, og i mange tilfælde leveres metan til laboratorier og industriproduktion uden tilsætning af lugtstoffer.

Akkumulerer indendørs i en blanding med luft, bliver metan eksplosiv ved sin koncentration fra 4,4 % til 17 % [9] . Den mest eksplosive koncentration i en blanding med luft er 9,5 vol.%. I kulminer frigives det fra kullagene, hvilket nogle gange fører til eksplosioner, hvis konsekvenser kan være katastrofale.

Metan er den tredjevigtigste drivhusgas i jordens atmosfære (efter vanddamp og kuldioxid er dens bidrag til drivhuseffekten anslået til 4-9%) [10] [11] .

Historie

I november 1776 opdagede den italienske fysiker Alessandro Volta metan i sumpene ved Lago Maggiore på grænsen mellem Italien og Schweiz. Han blev inspireret til at studere sumpgas af Benjamin Franklins papir om "brændbar luft". Volta opsamlede gassen fra bunden af ​​sumpen og isolerede ren metan i 1778. Han demonstrerede også antændelse af gas fra en elektrisk gnist.

Sir Humphry Davy undersøgte i 1813 branddamp og viste, at det er en blanding af metan med små mængder nitrogen N 2 og kuldioxid CO 2  - det vil sige, at det er kvalitativt identisk i sammensætning med sumpgas.

Det moderne navn "metan" i 1866 blev givet til gassen af ​​den tyske kemiker August Wilhelm von Hoffmann [12] [13] , den er afledt af ordet " methanol ".

At være i naturen

Hovedbestanddelen af ​​naturgas (77-99%), associerede petroleumsgasser (31-90%), mine- og sumpgasser (deraf de andre navne for metan - sump eller branddamp). Under anaerobe forhold (i sumpe, vandlidende jord, drøvtyggeres tarme ) dannes det biogent som et resultat af visse mikroorganismers vitale aktivitet.

Store reserver af metan er koncentreret i metanhydrater på bunden af ​​havene og i permafrostzonen [10] [11] .

Metan er også blevet fundet på andre planeter, inklusive Mars , med implikationer for forskning i astrobiologi [14] . Ifølge moderne data er metan til stede i betydelige koncentrationer i atmosfæren på solsystemets gigantiske planeter [15] .

Formentlig er der på Titans overflade ved lave temperaturer (−180 °C) hele søer og floder fra en flydende metan-ethan-blanding [16] . Andelen af ​​metan-is er også stor på overfladen af ​​Sedna .

I industrien

Det dannes under forkoksning af kul , hydrogenering af kul, hydrogenolyse af kulbrinter i katalytiske reformeringsreaktioner.

Klassificering efter oprindelse

Henter

Det er muligt at opnå metan på grund af Sabatier-reaktionen , på grund af interaktionen mellem kuldioxid og brint i nærvær af en katalysator ved forhøjet temperatur og tryk:

∆H = −165,0 kJ/mol

Fremstillet i laboratoriet ved opvarmning af sodakalk (en blanding af natriumhydroxider og calciumhydroxid ) eller vandfrit natriumhydroxid med iseddike :

.

Fraværet af vand er vigtigt for denne reaktion, hvorfor natriumhydroxid bruges, da det er mindre hygroskopisk .

Det er muligt at opnå metan ved at fusionere natriumacetat med natriumhydroxid [17] :

.

Også til laboratorieproduktion af metan anvendes hydrolyse af aluminiumcarbid :

,

eller nogle organometalliske forbindelser (såsom methylmagnesiumbromid ).

Biologisk produktion af metan er mulig, se biogas .

Fysiske egenskaber

Ved stuetemperatur og standardtryk er metan en farveløs, lugtfri gas [18] . Den velkendte lugt af husholdningsnaturgas opnås ved specifikt at tilsætte en lugtblanding indeholdende tert-butylthiol til gassen som en sikkerhedsforanstaltning for at opdage nødudslip af metan ved lugt.

Metan har et kogepunkt på -164 °C ved et tryk på én atmosfære [19] .

Antændes let ved volumenkoncentrationer i luft fra 4,4 til 17 % vol. % ved standardtryk. Eksplosionsgrænser (antændelse) i blandinger af metan med oxygen ved atmosfærisk tryk fra 4,5 til 61 vol. %.

Fast metan ved meget høje tryk findes i flere modifikationer. Ni sådanne modifikationer er kendte [20] .

Kemiske egenskaber

Metan er det første medlem af den homologe serie af mættede kulbrinter (alkaner), de mest modstandsdygtige over for kemiske angreb. Ligesom andre alkaner indgår den i radikale substitutionsreaktioner  - halogenering , sulfochlorering , sulfoxidation, nitrering og andre, men er mindre reaktiv end andre alkaner.

For metan er reaktionen med vanddamp specifik - reaktionen ved dampreformering, hvor nikkel bruges som katalysator i industrien , aflejret på aluminiumoxid (Ni / Al 2 O 3 ) ved 800-900 ° C eller uden brug af en katalysator ved 1400-1600°C. Den resulterende syntesegas kan bruges til den efterfølgende syntese af methanol , kulbrinter , eddikesyre , acetaldehyd og andre produkter, dette er den vigtigste økonomiske måde at producere brint på:

.

Det brænder i luften med en blålig flamme, mens energien på omkring 33.066 MJ frigives pr. 1 m³ metan taget under normale forhold . Methans forbrændingsreaktion i ilt eller luft:

+ 891 kJ.

Indgår det i substitutionsreaktioner med halogener , som forløber i henhold til fri radikal-mekanismen ( metalepsireaktion )? for eksempel sekventielle chloreringsreaktioner til carbontetrachlorid :

, , , .

Over 1400 °C nedbrydes det ifølge reaktionen:

.

Det oxideres til myresyre ved 150-200 °C og et tryk på 30-90 atm. ved radikal kædemekanisme :

.

Inklusionsforbindelser

Metan danner inklusionsforbindelser  - gashydrater , bredt udbredt i naturen.

Anvendelser af metan

Metan bruges som brændsel til komfurer , vandvarmere , biler [21] [22] , turbiner osv. Aktivt kul kan bruges til at opbevare metan .

Som hovedkomponenten i naturgas bruges metan til at generere elektricitet ved at brænde det i gasturbiner eller dampgeneratorer. Sammenlignet med andre kulbrintebrændstoffer producerer metan mindre kuldioxid pr. frigivet varmeenhed. Forbrændingsvarmen af ​​metan er omkring 891 kJ/mol, hvilket er lavere end for nogen anden kulbrinte. Det producerer dog mere varme pr. masseenhed (55,7 kJ/g) end noget andet organisk stof på grund af dets relativt høje brintindhold, som bidrager med omkring 55 % brint til brændværdien [23] , men kun er 25 % molekylvægt. af metan.

I mange byer leveres metan til boliger til opvarmning og madlavning. Det kaldes dog normalt naturgas , hvis energiindhold er 39 mJ/m 3 . Flydende naturgas (LNG) er overvejende metan (CH 4 ), der er flydende for at lette opbevaring og/eller transport.

Flydende metan, kombineret med flydende oxygen, betragtes som et lovende raketbrændstof [24] [25] og bruges i motorer som RD-0162 , BE-4 [26] og Raptor . Metan har fordele i forhold til petroleum ved, at det:

Dette reducerer vanskeligheden ved at genbruge missiler [26] [29] .

Metan bruges som råmateriale i organisk syntese , herunder fremstilling af methanol .

Fysiologisk virkning

Metan er den mest fysiologisk harmløse gas i den homologe serie af paraffiniske kulbrinter . Metan har ikke en fysiologisk virkning og er ikke giftig (på grund af den lave opløselighed af metan i vand og blodplasma og paraffinernes iboende kemiske inertitet). En person kan kun dø i luft med en høj koncentration af metan på grund af mangel på ilt i luften. Når indholdet af metan i luften er 25-30 %, opstår de første tegn på kvælning (øget hjertefrekvens, øget vejrtrækningsvolumen, nedsat koordination af fine muskelbevægelser osv.). Højere koncentrationer af metan i luften forårsager iltsult hos mennesker - hovedpine, åndenød - symptomer, der er karakteristiske for højdesyge .

Da metan er lettere end luft, ophobes det ikke i ventilerede underjordiske strukturer. Derfor er tilfælde af død af mennesker fra kvælning ved indånding af en blanding af metan med luft meget sjældne.

Førstehjælp ved alvorlig kvælning: fjernelse af offeret fra den skadelige atmosfære. I mangel af vejrtrækning, umiddelbart (før lægen ankommer) kunstigt åndedræt fra mund til mund. I mangel af en puls - en indirekte hjertemassage.

Kronisk virkning af metan

Hos personer, der arbejder i miner eller i industrier, hvor metan og andre gasformige paraffinkulbrinter er til stede i luften i små mængder, beskrives mærkbare ændringer i det autonome nervesystem (positiv okulokardierefleks , udtalt atropintest , hypotension ) på grund af meget svage narkotiske virkninger. virkning af disse stoffer, svarende til den narkotiske virkning af diethylether .

MPC for metan i luften i arbejdsområdet er 7000 mg/m³ [6] .

Biologisk rolle

Det har vist sig, at endogen metan er i stand til ikke kun at blive produceret af methanogen tarmmikroflora , men også af eukaryote celler , og at dens produktion øges betydeligt, når cellulær hypoxi er eksperimentelt forårsaget , for eksempel når mitokondrier forstyrres ved at forgifte kroppen af et forsøgsdyr med natriumazid , en kendt mitokondriegift. Det er blevet foreslået, at dannelsen af ​​metan af eukaryote celler, især dyr, kan være et intracellulært eller intercellulært signal om hypoksi, der opleves af celler [30] .

En stigning i produktionen af ​​metan i dyre- og planteceller under påvirkning af forskellige stressfaktorer, for eksempel bakteriel endotoksæmi eller efterligning heraf ved introduktion af bakterielt lipopolysaccharid , er også blevet påvist , selvom denne effekt måske ikke kan observeres hos alle dyr. arter (i forsøget opnåede forskerne det i mus, men modtog det ikke). hos rotter) [31] . Det er muligt, at dannelsen af ​​metan af dyreceller under sådanne stressende forhold spiller rollen som et af stresssignalerne.

Det antages også, at metan, der udskilles af den menneskelige tarmmikroflora og ikke absorberes af den menneskelige krop (det metaboliseres ikke og fjernes delvist sammen med tarmgasser, delvist absorberes og fjernes ved vejrtrækning gennem lungerne ), ikke er "neutral" biprodukt af bakteriel metabolisme ​​tarmens motilitet, og dets overskud kan forårsage ikke kun oppustethed, bøvsen , øget gasdannelse og mavesmerter , men også funktionel obstipation [32] .

Metan og økologi

Det er en drivhusgas , stærkere i denne henseende end kuldioxid , på grund af tilstedeværelsen af ​​dybe vibrations-rotationelle absorptionsbånd af dets molekyler i det infrarøde spektrum . Hvis graden af ​​kuldioxidpåvirkning på klimaet betinget tages som én, så vil drivhusaktiviteten af ​​det samme molære volumen af ​​metan være 21-25 enheder [34] [35] . Levetiden for metan i atmosfæren er dog kort (fra flere måneder til flere år), da den oxideres af oxygen til kuldioxid i troposfæren under påvirkning af lynudladninger og i stratosfæren under påvirkning af UV-C-stråling fra Solen.

Siden 1750 er koncentrationen af ​​metan i Jordens atmosfære steget med omkring 150 %, og den tegner sig for 20 % af den samlede strålingspåvirkning af alle langlivede og globalt blandede drivhusgasser [36] .

Noter

  1. ↑ 1 2 Brændværdi af metan, butan og propan . Forfatterens blog af Alexey Zaitsev . Hentet: 7. oktober 2022.
  2. ↑ Håndbog for en kemiker / Redaktion: Nikolsky B.P. et al. - 3. udgave, rettet. - L .: Chemistry , 1971. - T. 2. - S. 780-781. — 1168 s.
  3. ↑ Smith J. M., HC Van Ness, MM Abbott Introduktion til Chemical Engineering Termodynamik  // J. Chem. Educ. - American Chemical Society , 1950. - Vol. 27, Iss. 10. - S. 789. - ISSN 0021-9584 ; 1938-1328 - doi:10.1021/ED027P584.3
  4. ↑ Fysiske og kemiske egenskaber af individuelle kulbrinter. Vejviser. / Ed. M. D. Talichev. - Udgave 4. - M. - L .: Statens videnskabelige og tekniske forlag for olie- og minedrift og brændstoflitteratur, 1953.
  5. ^ Anmeldelse: Opløselighed af nogle gasser i vand . Hentet 6. juli 2011. Arkiveret fra originalen 11. november 2011.
  6. ↑ 1 2 Hygiejniske standarder GN 2.2.5.1313-03 "Maksimalt tilladte koncentrationer (MPC) af skadelige stoffer i luften i arbejdsområdet"
  7. ↑ Kutsenko S. A.  Fundamentals of toxicology / S. A. Kutsenko. - Skt. Petersborg: Folio, 2004.
  8. ↑ Gaschromatografisk måling af massekoncentrationer af kulbrinter: methan, ethan, ethylen, propan, propylen, n-butan, alfa-butylen, isopentan i luften i arbejdsområdet. Metodiske instruktioner. MUK 4.1.1306-03 (Godkendt af Chief State Sanitary Doctor of the Russian Federation den 30. marts 2003)  (utilgængeligt link)
  9. ↑ GOST R 52136-2003 . Hentet 8. februar 2012. Arkiveret fra originalen 18. maj 2015.
  10. ↑ 1 2 Natalya Rzhevskaya Warm of permafrost Arkivkopi dateret 1. februar 2017 på Wayback Machine // I videnskabens verden . - 2016. - Nr. 12. - S. 67-73.
  11. ↑ 1 2 Leonid Yurganov. Metan over Arktis  // Videnskab og liv . - 2017. - Nr. 11 . - S. 24 .
  12. ↑ A.W. Hofmann (1866) "Om virkningen af ​​trichlorid af phosphor på salte af aromatiske monoaminer," Arkiveret 3. maj 2017 på Wayback Machine Proceedings of the Royal Society of London , 15  :55-62; se fodnote på s. 57-58.
  13. ↑ James Michael McBride (1999) "Udvikling af systematiske navne for de simple alkaner". Tilgængelig online på Chemistry Department, Yale University (New Haven, Connecticut). Arkiveret 16. marts 2012 på Wayback Machine
  14. ↑ Etiope, Giuseppe; Lollar, Barbara Sherwood. Abiotisk metan på jorden  //  Anmeldelser af geofysik : journal. - 2013. - Bd. 51 , nr. 2 . - S. 276-299 . — ISSN 1944-9208 . - doi : 10.1002/rog.20011 . - .
  15. ↑ Atreya, SK; Mahaffy, P.R.; Niemann, HB et al. Sammensætning og oprindelse af Jupiters atmosfære - en opdatering og implikationer for de ekstrasolare gigantiske planeter  // Planetary and Space Sciences  : journal  . - 2003. - Bd. 51 . - S. 105-112 . - doi : 10.1016/S0032-0633(02)00144-7 .
  16. ↑ Tidevandseffekter af afbrudte kulbrintehave på Titan . Hentet 23. maj 2013. Arkiveret fra originalen 13. november 2012.
  17. ↑ Pavlov B. A., Terentiev A. P. Kursus i organisk kemi. - Sjette udgave, stereotypisk. - M .: Kemi, 1967. - S. 58.
  18. ↑ Hensher David A.; Knap Kenneth J. Håndbog i transport og miljø  . — Emerald Group Publishing, 2003. - S. 168. - ISBN 978-0-08-044103-0 .
  19. ↑ Methanfaseændringsdata Arkiveret 15. april 2016 på Wayback Machine // NIST Chemistry Webbook .
  20. ↑ Bini, R.; Pratesi, G. Infrarød højtryksundersøgelse af fast metan: Fasediagram op til 30 GPa  // Fysisk gennemgang B  : tidsskrift  . - 1997. - Bd. 55 , nr. 22 . - S. 14800-14809 . - doi : 10.1103/physrevb.55.14800 . - .
  21. ↑ Lumber Company lokaliserer ovne på lossepladsen for at bruge metan - Energileder i  dag . Energichef i dag . Hentet 11. marts 2016. Arkiveret fra originalen 09. juli 2019.
  22. ↑ Cornell, Clayton B. . Naturgasbiler: CNG-brændstof næsten gratis i nogle dele af landet (  29. april 2008). Arkiveret fra originalen den 20. januar 2019. Hentet 18. oktober 2019.  "Komprimeret naturgas udråbes som det 'renest brændende' alternative brændstof, der er tilgængeligt, da metanmolekylets enkelhed reducerer udstødningsemissionen af ​​forskellige forurenende stoffer med 35 til 97 %. Ikke helt så dramatisk er reduktionen i nettoudledningen af ​​drivhusgasser, som er omtrent det samme som majs-ethanol med omkring 20 % reduktion i forhold til benzin."  
  23. ↑ Schmidt-Rohr, Klaus. Hvorfor forbrændinger altid er eksoterme og giver omkring 418 kJ pr. mol O2  //  Journal of Chemical Education  : journal. - 2015. - Bd. 92 , nr. 12 . - S. 2094-2099 . - doi : 10.1021/acs.jchemed.5b00333 . - .
  24. ↑ Thunnissen, Daniel P.; Guernsey, CS; Baker, R.S.; Miyake, RN Avancerede rumopbevarbare drivmidler til udforskning af den ydre planet  // American Institute of Aeronautics and Astronautics  : tidsskrift  . - 2004. - Nej. 4-0799 . — S. 28 .
  25. ↑ Cheberko, Ivan I Rusland foreslår de at skabe en "metanraket" . Izvestia (16. maj 2014). Hentet 18. juli 2020. Arkiveret fra originalen 19. juli 2020.
  26. ↑ 1 2 3 Blue Origin BE-4  Engine . — "Vi ​​valgte LNG, fordi det er meget effektivt, lavt pris og bredt tilgængeligt. I modsætning til petroleum kan LNG bruges til selv at sætte sin tank under tryk. Kendt som autogen repressurization eliminerer dette behovet for dyre og komplekse systemer, der trækker på Jordens knappe heliumreserver. LNG har også rene forbrændingsegenskaber, selv ved lav gas, hvilket forenkler genbrug af motor sammenlignet med petroleumsbrændstoffer." Hentet 14. juni 2019. Arkiveret fra originalen 1. oktober 2021.
  27. ↑ Izvestia, 2014 : "Den specifikke impuls fra en LNG-motor er høj".
  28. ↑ Izvestia, 2014 : "For at frigøre motorhulrummene behøver du kun at gennemgå en fordampningscyklus - det vil sige, at motoren er lettere at frigøre for produktrester."
  29. ↑ Izvestia, 2014 : "På grund af dette er metanbrændstof mere acceptabelt med hensyn til at skabe en genanvendelig motor og et genanvendeligt fly."
  30. ↑ Tuboly E. et al. Metanbiogenese under natriumazid-induceret kemisk hypoxi hos rotter  // American  Physiological Society. - 15. januar 2013. - Bd. 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. Bestemmelse af endogen metandannelse ved fotoakustisk spektroskopi  // J Breath Res.. - Dec 2013. - V. 7 , udgave . 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 , no. 55(8) , nr. 8 . - S. 2135-2143 . - doi : 10.1007/s10620-009-1012-0 . — PMID 19830557 .
  33. ↑ Vovna A. V., Khlamov M. G. Anvendelse af den optiske absorptionsmetode til at måle volumenkoncentrationen af ​​methan i kulminer. . Hentet 17. april 2020. Arkiveret fra originalen 30. januar 2020.
  34. ↑ EBRD Methodology for Assessment of Greenhouse Gas Emissions, Version 7, 6. juli 2010 Arkiveret 13. maj 2015 på Wayback Machine 
  35. ↑ Ikke-CO2 drivhusgasser: videnskabelig forståelse, kontrol og implementering (red. J. van Ham, Springer 2000, ISBN 978-0-7923-6199-2 ): 4. Indvirkning af metan på klimaet, side 30 "På en kindtand baseret på, at et ekstra mol metan i den nuværende atmosfære er omkring 24 gange mere effektivt til at absorbere infrarød stråling og påvirke klimaet end et ekstra mol kuldioxid (WMO, 1999)"
  36. ↑ Teknisk resumé . Klimaændringer 2001 . FN's miljøprogram. Arkiveret fra originalen den 4. juni 2011.

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier