Метан CH4: свойства и применение¶

Метан (CH4) — простейший углеводород, относящийся к классу алканов, молекула которого состоит из одного атома углерода и четырёх атомов водорода. Химическая формула CH4 отражает стехиометрию вещества: на один атом углерода приходится четыре атома водорода. Метан является главной составной частью природного газа (содержание в нём достигает 70—98 %) и одним из наиболее распространённых органических веществ во Вселенной.

¶Физические и химические свойства

При нормальных условиях метан — бесцветный газ без запаха, почти вдвое легче воздуха (относительная плотность по воздуху 0,554). Температура кипения при атмосферном давлении составляет −161,5 °C, температура плавления — −182,5 °C. Плотность при 0 °C и нормальном давлении равна 0,7168 кг/м³. В воде метан практически нерастворим, в органических растворителях растворяется хорошо.

Молекула метана имеет тетраэдрическую симметрию (группа симметрии Td), длина связи C–H равна 0,1087 нм, энергия диссоциации этой связи — около 435 кДж/моль. Углерод в метане находится в состоянии sp³-гибридизации.

Химически метан относительно инертен: он не взаимодействует с кислотами, щелочами и большинством окислителей при обычной температуре. Основные реакции:

• Горение — при избытке кислорода образуются CO₂ и H₂O, теплота сгорания составляет около 890 кДж/моль (массовая теплота — 50,0 МДж/кг). При недостатке кислорода возможен неполный горение с образованием угарного газа и сажи.
• Галогенирование — замещение водорода на галоген под действием света; при этом образуются хлорметан, дихлорметан, хлороформ и четырёххлористый углерод.
• Пиролиз (крекинг) — при температуре выше 1000 °C метан разлагается до ацетилена и водорода.
• Реформинг — конверсия метана с водяным паром в оксид углерода и водород (синтез-газ).

¶Получение

Основной промышленный источник метана — природный газ, добываемый из газовых и газоконденсатных месторождений. В России крупнейшие месторождения природного газа — Уренгойское, Бованенковское, Медвежье — обеспечивают добычу метана в объёмах, измеряемых сотнями миллиардов кубических метров в год.

Метан также получают:

• при коксовании каменного угля и газификации твёрдого топлива;
• в процессах очистки попутного нефтяного газа;
• биогенным путём — в результате анаэробного разложения органических веществ (биогаз содержит 50—70 % метана);
• в лаборатории — реакцией карбида кальция с водой с последующим восстановлением уксусной кислоты, ацетата натрия с содой (реакция Демарка) или гидролизом нитрилов.

¶Применение

Метан — важнейшее топливо и сырьё химической промышленности. Основные направления использования:

• Энергетика. Природный газ сжигают в теплоэлектростанциях, котельных, газотурбинных установках. Удельная теплота сгорания метана выше, чем у большинства углеводородного топлива, а продуктами сгорания при полном окислении являются только CO₂ и вода.
• Химическая промышленность. Метан служит сырьём для производства синтез-газа (смесь CO и H₂), из которого синтезируют метанол, аммиак, синтетическое жидкое топливо (по Фишеру — Тропшу). Пиролиз метана даёт ацетилен.
• Горючее для транспорта. Сжатый природный газ (СПГ) применяется как моторное топливо для автобусов и грузового транспорта; в России действует программа развития газомоторного топлива.
• Бытовое использование. Метан — основа коммунального газоснабжения: подаётся в квартиры и дома для приготовления пищи и отопления.

¶Роль в природе и климате

Метан образуется в природе преимущественно анаэробными метаногенными археями — микроорганизмами, обитающими в болотах, рисовых полях, кишечнике жвачных животных, а также в залежах органических отложений. Значительная часть метана заключена в газогидратных залежах дна океанов и в вечной мерзлоте.

Метан — один из мощных парниковых газов: по данным МГЭИК, его потепляющий потенциал в 100-летней перспективе примерно в 28—34 раза выше, чем у CO₂. Концентрация метана в атмосфере выросла с около 722 ppb в доиндустриальную эпоху до более чем 1900 ppb к 2020-м годам. Основные источники антропогенных выбросов — добыча и транспортировка ископаемого газа, животноводство, свалки, рисоводство. Утечки метана при добыче и доставке (так называемый метановый след) стали предметом международных соглашений, включая Глобальный метановый обет (Global Methane Pledge), к которому присоединились более 150 стран.

¶Безопасность

Метан образует взрывоопасные смеси с воздухом в диапазоне концентраций от 5 до 15 % по объёму. Для обнаружения утечек в быту к природному газу добавляют одоранты — вещества с резким запахом (обычно тиолы). При вдыхании в больших концентрациях метан вытесняет кислород и может вызвать удушье без предварительных симптомов.

Источники:

• Химическая энциклопедия / Под ред. Кнунянца И. Л. — М.: Большая Российская энциклопедия.
• Справочник химика / Под ред. Полуэктова Н. Л. — СПб.: НИИХ СПбГУ.
• Данные Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК).
• Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации».