Метан

Метанът е химично съединение с формула ${\ce {CH4}}$. Това е най-простият алкан (наситен въглеводород). Ъгълът между атомите на метана е 109,5 градуса. Той е безцветен газ без миризма с температура на топене -182,5 °C и температура на кипене -161,5 °C. При -11 °C под значително налягане се втечнява. Основна съставка на природния газ, съпътстващ нефта или намиращ се в газови находища, и се образува при приблизително същите геоложки процеси както нефта. Метан се образува и при разлагане на растителни материали в отсъствието на кислород в блатисти места, поради което се нарича още и блатен газ. Среща се и в каменовъглените мини, където е известен като газ гризу или рудничен газ. Промишлено се получава при прекарването на един обем СО и три обема Н₂ над фино раздробен никелов катализатор при атмосферно налягане и температура 200 – 300 °C. Освен на Земята, метан е открит и на други планети в Слънчевата система.

Метан
Скелетна формула на метан с добавени някои измервания Триизмерен атомен модел на метан Запълнен атомен модел на метан
Имена
По IUPAC	Метан
Свойства
Формула	CH4
Моларна маса	16.04 g mol−1
Външен вид	безцветен газ
Плътност	655.6 μg mL−1
Точка на топене	-182 °C
Точка на кипене	-164 до -160 °C
Разтворимост във вода	22.7 mg/L
Диполен момент	0 D
Термохимия
Стандартна енталпия на образуване	−74 520 J/mol (газ)
Стандартна енталпия на изгаряне	−890,3 kJ/mol
Стандартна моларна ентропия	186,3 J/(mol·K) (газ)
Опасности
ЕС класификация	F+
ЕС индекс	601-001-00-4
H-фрази	220
P-фрази	210
Фрази за риск	R12
Фрази за безопасност	S2, S16, S33
NFPA 704	4 1 0 SA
Точка на запалване	-188 °C
Точка на самозапалване	537 °C
Идентификатори
CAS номер	74-82-8
PubChem	297
ChemSpider	291
Номер на ЕК	200-812-7
Номер на ООН	1971
DrugBank	DB15994
KEGG	C01438
MeSH	Methane
ChEBI	16183
ChEMBL	17564
RTECS	PA1490000
SMILES	C
InChI	1S/CH4/h1H4
InChI ключ	VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N
Beilstein	1718732
UNII	OP0UW79H66
Gmelin	59
3DMet	B01450
Данните са при стандартно състояние на материалите (25 °C, 100 kPa), освен ако не е указано друго.
Метан в Общомедия

Горенето на метана в присъствието на кислород води до образуването на въглероден диоксид и вода. Големите залежи на природен газ правят метана привлекателен като гориво. Въпреки това, тъй като той е газ, при нормална температура и налягане метанът трудно може да се транспортира от неговия източник. Най-често се транспортира под налягане по тръбопроводи или в специални танкери, където природният газ е втечнен под високо налягане и ниска температура; понякога се транспортира и нагнетен в бутилки под налягане.

Химически метанът е сравнително инертно съединение, но с хлора реагира с взрив при нормална температура, а при ниски температури се получава метилхлорид. При смесване с въздух в известни пропорции образува взривоопасна смес, особено в затворени помещения (напр. мини, жилища). Използва се при производството на метилхлорид, метиленхлорид, водород, амоняк, при получаването на сажди. Използва се и като гориво, предимно в котли, но също и в двигатели с вътрешно горене (с искрово запалване и дизелови, в турбини).

Метан е също и търговско наименование на природния газ, тъй като предлаганият в търговската мрежа природен газ се състои над 90% от наситения въглеводород.

• 
  Двуизмерно изображение
• 
  Триизмерно изображение
• 
  Структура

Метанът е открит и изолиран от Алесандро Волта между 1776 г. и 1778 г., когато е изследван блатен газ от езерото Лаго Маджоре.

Метанът е един от основните парникови газове. Времето му на живот в атмосферата е около 10 години, като най-често влиза в реакция с хидроксилни радикали, вследствие на което се получава въглероден двуокис и вода.

Метанът оказва влияние и за разграждането на озоновия слой.

Формула	Моларна маса	Плътност	Точка на топене	Точка на кипене	Разтворимост във вода	Пламна температура	КГВ
CH4	16.042 g/mol	0.717 kg/m3 (газ, 0 °C) 416 kg/m3 (течност)	-182.5 °C	-161.6 °C	35 mg/L (17 °C)	-188 °C	5 – 15 обемни %

Наличието на метан в атмосферата на Земята през 1998 г. е 1745 части на милиард (ppb), в сравнение със 700 ppb през 1750 г. До 2008 г. обаче съдържанието на метан в атмосферата е останало на нива от 1998 г. насам – около 1800 ppb. До 2010 г. нивото на метана в атмосферата е най-ниско в Арктика, с измерени стойности около 1850 ppb. Това е най-високото регистрирано ниво от 400 хиляди години. Исторически концентрацията метан в атмосферата на света варира между 300 и 400 ppb по време на ледниковия период и между 600 – 700 ppb през топлите междуледникови периоди.

Свойства

Метанът е основният компонент на природния газ, около 87% от неговия обем. При стайна температура и нормално налягане, метанът е без цвят и мирис; миризмата характерна за природния газ, който се използва в домовете е изкуствена мярка за безопасност, причинена от добавяне на „ароматизатори“, често метанетиол или етанетиол. Метанът е с температура на кипене от -161 °C при налягане от една атмосфера. Като газ е запалим в тесен диапазон от концентрации (5 – 15 обемни %) с въздуха.

Опасност за човешкото здраве

Метанът не е токсичен, но е изключително запалим и може да образува взривоопасни смеси с въздуха. Метанът бурно реагира с окислители, халогени, както и някои халоген-съдържащи съединения. Метанът може да предизвика задушаване, измествайки кислорода от въздуха в затворено пространство. Задушаване може да възникне, ако концентрацията на кислород спадне под 19,5%.

Химически реакции на метана

Основните химически реакции с метан са горене и халогениране. Като цяло реакциите с метан са трудни за контролиране. Трудно е да се постигне например частично окисление до метанол, тъй като реакцията обикновено прогресира до въглероден диоксид и вода.

Горене

Горенето на метана протича на няколко етапа:

Първоначално се образува формалдехид (HCHO или H₂CO). Формалдехидът освобождава радикали HCO^-, които след това се превръщат във въглероден оксид (CO). Процесът се нарича оксидативна пиролиза:

${\ce {CH4 + O2 -> CO + H2 + H2O}}$

След оксидативната пиролиза, H₂ се окислява като се образува H₂O и се освобождава топлина. Това се случва много бързо, обикновено значително по-малко от една милисекунда.

${\ce {2H2 + O2 -> 2H2O}}$

На последно място, CO се окислява до CO₂ и освобождава още топлина. Този процес като цяло е по-бавен от предишните химични, и обикновено изисква няколко милисекунди, за да се приключи.

${\ce {2CO + O2 -> 2CO2}}$

В резултат на горното е следната обща формула:

${\ce {CH4(g) + 2O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(l) + 891 kJ/mol}}$ (при стандартни условия),

където в скоби „g“ означава газообразно състояние и в скоби „l“ означава течна форма.

Изместване на водород от молекулата

Ковалентната връзка въглерод-водород в метана е сред най-силните от всички въглеводороди и поради това използването му като изходна суровина химически е ограничено. Въпреки здравата C-H облигациия, CH4 все още е основната суровина за производството на водород в риформинг с водна пара. Търсенето на катализатори, които могат да улеснят разкъсването на C-H връзката на метана и други алкани, е в областта на научните изследвания с голямо стопанско значение.

Реакции с халогени

Метанът реагира с всички халогени при подходящи условия по следния начин:

${\ce {CH4 + X2 -> CH3X + HX}}$

където Х са халогените: хлор (Cl), бром (Br), или йод (I). С флуор (F) се изместват всички водородни атоми. Получава се тетрафлуорометан (CF₄) и се отделя флуороводород (HF). Този процес се нарича халогениране. Когато X е Cl, реакцията притича по следния начин:

1. Формиране на радикали:

$\mathrm {Cl_{2}{\xrightarrow[{\triangle }]{\text{UV}}}2Cl\cdot -\ 239kJ}$

Необходимата енергия се получава от въздействието на ултравиолетови лъчи или загряване.

2. Замяна на радикалите:

${\ce {CH4 + Cl. -> CH3{.}+ HCl + 14 kJ}}$

${\ce {CH3{.}+ Cl2 -> CH3Cl + Cl. + 100 kJ}}$

3. Унищожаване на радикалите:

${\ce {2Cl{.}+ Cl2 + 239 kJ}}$

${\ce {CH3{.}+ Cl. -> CH3Cl + 339 kJ}}$

${\ce {2CH3{.}-> CH3CH3 + 347 kJ}}$

Употреба

Гориво

Метанът е важен за производството на електричество чрез изгаряне като гориво в газова турбина или парен котел. В сравнение с други въглеводородни горива, изгарянето на метан произвежда по-малко въглероден диоксид за всяка единица произведена топлина. Около 891 kJ/mol е топлината произведена от горенето на метана. Тя е по-малко, отколкото при горенето на всеки друг въглеводород, но отношението от топлината на изгаряне (891 kJ/mol) към молекулна маса (16 g/mol) показва, че метанът, който е най-простият въглеводород, произвежда повече топлина за единица тегло (55,7 kJ/g) в сравнение с други сложни въглеводороди. Много градове са газифицирани и метанът се ползва за битови нужди. В този си вид е познат като природен газ и се счита, че енергийното съдържание е 39 мегаджаула на кубичен метър.

Метан под формата на компресиран природен газ се използва като гориво на превозните средства и по този начин те са по-екологично чисти, в сравнение с другите изкопаеми горива като бензин и дизелово гориво.

Понастоящем се провеждат изпитания за потенциала на метана като ракетно гориво. Едно от предимствата на метана е, че той е широко разпространен в много части на Слънчевата система и би могъл да бъде събиран на място, осигурявайки гориво за двупосочно пътуване.

Индустриална употреба

Метанът се използва в промишлени химически процеси. Той е изходна суровина за производството на водород, метанол, оцетна киселина, оцетен анхидрид. За целта метанът се превръща в смес от въглероден оксид и водород чрез риформинг с водна пара. В този процес метанът и парата реагират чрез никелов катализатор при висока температура (700 – 1100 °C).

$\mathrm {CH_{4}+H_{2}O\ {\xrightarrow[{700\ -\ 1000\ ^{\circ }C}]{Ni}}\ CO+3H_{2}}$

${\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}$

Също така метанът е изходна суровина за производството на ацетилен (при преминаване на метан през електрическа дъга) и хлорметани (хлорметан, дихлорометан, хлороформ и тетрахлорметан). Последните се получават чрез реакция на метана с хлора. Въпреки това използването на тези химикали намалява. Ацетиленът се заменя с по-евтини заместители, а използването на хлорметаните намалява поради здравословни и екологични проблеми.

Източници на метан за битови нужди

Като част от природния газ

Основният източник на метан е добивът от геоложки находища, известни като находищата на природен газ. Обикновено там метанът е смесен с други въглеводородни горива и понякога придружен с хелий и азот. Метанът също се произвежда в значителни количества от гниещи органични отпадъци в депа за битови отпадъци.

Алтернативни източници

Отделно от газовите находища, алтернативен метод за получаване на метан е чрез производство на биогаз, генериран от ферментация на органични вещества, включително животински тор, утайки от отпадъчни води, твърди битови отпадъци или други биоразградими суровини при анаеробни условия. Метановите хидрати/клатрати или газохидрати (ледена комбинация от метан и вода на дъното на морето, открити в големи количества), са потенциален бъдещ източник на метан.

Промишлено метан може да бъде произведен от въглероден диоксид и водород или въглероден оксид и водород чрез химични реакции по метода на Сабатиер или на Фишер-Тропс (макар че Фишер-Тропс обикновено се използва за производството на по-дълги въглеводородни вериги от тази на метана).

Метан извън Земята

Метан е открит или се смята, че съществува на няколко места в Слънчевата система. В повечето случаи се смята, че е бил създаден от абиотични процеси. Възможни изключения са Марс и Титан.

• Луна – открити са следи от изпускане на повърхността;
• Марс – атмосферата съдържа 10 ppb метан. През януари 2009 г. е обявено, че учени са открили, че планетата изпуска метан в атмосферата в определени области. Това накара някои учени да спекулират, че това може да е знак за биологична активност под повърхността;
• Юпитер – атмосферата му съдържа около 0,3% метан;
• Сатурн – атмосферата съдържа около 0,4% метан;
  • Япет
  • Титан – атмосферата му съдържа 1,6% метан. На повърхността му има хиляди метанови езера и течащи реки. В горните слоеве на атмосферата метанът се превръща в по-сложни молекули, включително и ацетилен. Това е процес, при който се произвежда и молекулярен водород. Има данни, че ацетиленът и водородът се превръщат в метан в близост до повърхността. Това предполага наличието или на екзотичен катализатор, или на непозната форма на метаногенен живот;
  • Енцелад – атмосферата съдържа 1,7% метан;
• Уран – атмосферата съдържа 2,3% метан;
  • Ариел – метан се смята за съставна част на повърхностния лед на Ариел;
  • Миранда
  • Оберон – около 20% от повърхностния лед на Оберон е съставен от метан, свързан с въглерод/азотни съединения;
  • Титания – около 20% от повърхностния лед на Титания се състои от метан, свързан с органични съединения;
  • Умбриел – метан е основен елемент в повърхностния лед на Умбриел;
• Нептун – атмосферата съдържа 1,6% метан;
  • Тритон – Тритон има разредена атмосфера от азот с малки количества метан в близост до повърхността;
• Плутон – спектроскопски анализ на повърхността на Плутон показва, че тя съдържа следи от метан. През 2015 г. сондата Нови хоризонти заснема ледени полета от замръзнал метан на повърхността;
  • Харон – смята се, че метанът присъства на Харон, но това не е напълно потвърдено;
• Ерида – инфрачервена светлина от обекта подсказва за наличие на лед от метан;
• Халеевата комета
• Комета Хиакутаке – наземните наблюдения показват наличие на етан и метан в кометата;
• Извънслънчева планетата HD 189733b – Това е първото откриване на органично съединение на планета извън Слънчевата система. Произходът е неизвестен, тъй като високата температура на планетата (700 °C) обикновено благоприятства за образуването на въглероден окис вместо метан;
• Междузвездни облаци