Метан — природный газ и топливо¶

Метан (CH₄) — простейший углеводород алканового ряда, бесцветный газ без запаха, основная компонента природного газа. Молекула метана состоит из одного атома углерода и четырёх атомов водорода, углерод находится в состоянии гибридизации sp³, молекула имеет тетраэдрическую симметрию. Метан является наиболее распространённым углеводородом в атмосфере Земли и одним из самых мощных парниковых газов.

¶Физические и химические свойства

При нормальных условиях метан — газ с плотностью 0,717 кг/м³, температурой кипения −161,5 °C и температурой плавления −182,5 °C. В воде растворяется слабо, в органических растворителях — хорошо. Горит синим пламенем, образуя углекислый газ и воду; при недостатке кислорода возможен неполный сгорание с выделением угарного газа и сажи.

Основные химические реакции метана:

• Горение: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
• Пиролиз (крекинг) при 1100–1200 °C: CH₄ → C + 2H₂
• Реформинг с водяным паром при 800–900 °C: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
• Хлорирование в присутствии света: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

При обычных условиях метан химически сравнительно инертен, однако при высоких температурах и давлении вступает в реакции с серой, галогенами и другими веществами.

¶Получение

¶Месторождения

Основной источник метана — месторождения природного газа, в котором метан составляет 70–98 % объёма. Крупнейшие российские газовые месторождения — Уренгойское, Ямбургское, Бованенковское на Тимано-Печорской провинции и Западной Сибири. Россия обладает крупнейшими в мире запасами природного газа, добыча в 2023 году составила около 636 млрд м³.

¶Промышленное производство

Помимо добычи из недр, метан получают:

• Биогенным способом — анаэробным разложением органических остатков (биогаз содержит 50–70 % метана).
• Пиролизом угля — так называемый рудничный газ («болотный газ»), содержащий 30–35 % метана.
• Синтетически — из водорода и оксида углерода по реакции Сабатье: CO + 3H₂ → CH₄ + H₂O.

¶Лабораторный синтез

В лаборатории метан получают действием уксуснокислого натрия на щёлочь (реакция Шенслера), электролизом солей карбоновых кислот или восстановлением двуокиси углерода водородом в присутствии никелевого катализатора.

¶Применение

Метан — важнейшее энергетическое топливо. При сжигании он выделяет около 55,5 МДж/кг, что выше, чем у большинства видов ископаемого топлива по массе. Основные направления использования:

• Энергетика — производство электроэнергии на газовых ТЭС и ГЭС (газотурбинные установки), отопление жилых и промышленных зданий.
• Химическая промышленность — производство синтетического каучука, пластмасс, аммиака, метанола, сажи, водорода.
• Транспорт — сжиженный природный газ (СПГ) и компримированный природный газ (КПГ) используются как моторное топливо для автомобилей, автобусов и железнодорожного транспорта.
• Получение водорода — паровой риформинг метана является основным промышленным способом производства водорода.

¶Роль в природе

Метан образуется в природе в результате жизнедеятельности метанообразующих бактерий (метаногенов), обитающих в бескислородной среде — в болотах, озёрах, кишечнике жвачных животных, а также в местах разложения органических отходов. Метан также поступает в атмосферу при утечках при добыче и транспортировке природного газа, при сжигании биомассы и в результате природных пожаров.

Содержание метана в атмосфере Земли к 2023 году превысило 1900 млрд моль (около 1,9 ppm). Метан — один из наиболее эффективных парниковых газов: его потепляющий потенциал в 28–34 раза выше, чем у углекислого газа, за 100-летний период. Средний срок жизни метана в атмосфере — около 12 лет, после чего он окисляется до CO₂ и воды.

¶Опасность

Метан образует с воздухом взрывоопасные смеси в диапазоне 5–15 % по объёму. Утечки метана на шахтах и в промышленных помещениях могут приводить к взрывам. Для обнаружения утечек в бытовой газовой сети к метану добавляют одоранты — вещества с резким запахом (обычно тиолы), поскольку чистый метан не имеет запаха.

При вдыхании в больших концентрациях метан вытесняет кислород и может вызвать удушье без предварительных симптомов.

¶Место в науке

Метан обнаружен в атмосфере Титана — крупнейшего спутника Сатурна, где он является основным компонентом атмосферы и участвует в сложном фотохимическом цикле, приводящем к образованию органических аэрозолей. Метан также найден на Марсе, в кометах и в межзвёздной среде.

История изучения метана связана с работами Александра Вольфа (1776), впервые получившего метан из болотного ила, и Михаила Ломоносова, установившего его образование при нагревании угля.

Источники:

• ВЭБ (Большая энциклопедия нефти и газа)
• ГОСТ Р 58060-2017 «Природный газ для транспортного назначения»
• «Химия» — учебник для вузов, под ред. Ю. Ю. Лурье
• Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации»
• Данные Газпрома и Росстата по добыче природного газа