Метан

Мета́н (лат. methanum), CH4[5] — простейший по составу предельный углеводород, при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха[6].

Метан малотоксичен, но обладает слабым наркотическим действием (ПДК 7000 мг/м3)[7]. Имеются данные, что метан при хроническом воздействии малых концентраций в воздухе неблагоприятно влияет на центральную нервную систему[8]. Токсическое действие метана ослабляется его малой растворимостью в воде и крови и химической инертностью. Класс опасности — четвёртый[9].

При использовании в быту в метан (природный газ) обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) - летучие вещества со специфическим «запахом газа», чтобы человек вовремя заметил аварийную утечку газа по запаху. На промышленных производствах утечки фиксируют датчики и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств поставляется без добавления одорантов.

Накапливаясь в закрытом помещении в смеси с воздухом метан становится взрывоопасен при концентрации его от 4,4 % до 17 %[10]. Наиболее взрывоопасная концентрация в смеси с воздухом 9,5 об.%.

Метан — третий по значимости парниковый газ в атмосфере Земли (после водяного пара и углекислого газа, его вклад в парниковый эффект оценивается 4—9 %)[11][12].

В ноябре 1776 года итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На изучение болотного газа его вдохновила статья Бенджамина Франклина о «горючем воздухе». Вольта собирал газ, выделяемый со дна болота, и в 1778 году выделил чистый метан. Также он продемонстрировал зажигание газа от электрической искры.

Сэр Гемфри Дэви в 1813 г. изучал рудничный газ и показал, что он является смесью метана с небольшими количествами азота N2 и углекислого газа CO2 — то есть, что он качественно тождествен по составу болотному газу.

Современное название «метан» в 1866 г. газу дал немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман[13][14] и происходит от слова «метанол»[стиль].

Основной компонент природного газа (77—99 %), попутных нефтяных газов (31—90 %), рудничного и болотного газов (отсюда произошли другие названия метана — болотный или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, кишечнике жвачных животных) образуется биогенно в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.

Большие запасы метана сосредоточены в метаногидратах на дне морей и в зоне вечной мерзлоты[11][12].

Метан также был обнаружен на других планетах, включая Марс, что имеет значение для исследований в области астробиологии[15]. По современным данным, в атмосферах планет-гигантов солнечной системы в заметных концентрациях содержится метан[16].

Предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано-этановой смеси[17]. Велика доля метановых льдов и на поверхности Седны.

Образуется при коксовании каменного угля, гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.

В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и кальция) или безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой.

Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.

Возможно получение метана сплавлением ацетата натрия с гидроксидом натрия[18]:

Также для лабораторного получения метана используют гидролиз карбида алюминия или некоторых металлорганических соединений (например, метилмагнийбромида).

Метан — первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов (алканов), наиболее устойчив к химическим воздействиям. Подобно другим алканам вступает в реакции радикального замещения — галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления, нитрования и других, но обладает меньшей реакционной способностью по сравнению с другими алканами.

Для метана специфична реакция с парами воды, в которой в промышленности применяется в качестве катализатора никель, нанесённый на оксиде алюминия (Ni/Al2O3) при 800—900 °C или без катализатора при 1400—1600 °C. Образующийся в результате реакции синтез-газ может быть использован для последующих синтезов метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 33,066 МДж на 1 м³, взятый при нормальных условиях. Реакция горения метана в кислороде или воздухе:

При комнатной температуре и стандартном давлении метан является бесцветным газом без запаха[19]. Знакомый запах природного газа, который используется дома, обычно достигается добавлением смесио доранта, содержащей трет-бутилтиол, в качестве меры безопасности. Метан имеет температуру кипения −164 ° C при давлении в одну атмосферу[20]. Как газ, он легко воспламеняется при объёмных концентрациях в воздухе от 4,4 % до 17 % при стандартном давлении.

Твердый метан существует в нескольких модификациях. В настоящее время известно девять[21].

Вступает с галогенами в реакции замещения, которые проходят по свободно-радикальному механизму:

Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200 °C и давлении 30—90 атм. по цепному радикальному механизму:

Метан образует соединения включения — газовые гидраты, широко распространённые в природе.

Метан используется в качестве топлива для печей, водонагревателей, автомобилей[22][23], турбин и др. Для хранения метана используется активированный уголь. Жидкий метан в сочетании с жидким кислородом также используется в качестве ракетного топлива, например в двигателях BE-4 и Raptor[24].

Как основной компонент природного газа, метан важен для производства электроэнергии, сжигая его в качестве топлива в газовой турбине или парогенераторе. По сравнению с другими видами углеводородного топлива метан производит меньше углекислого газа на каждую единицу выделенного тепла. При температуре около 891 кДж/моль теплота сгорания метана ниже, чем у любого другого углеводорода. Тем не менее, он производит больше тепла на массу (55,7 кДж/г), чем любая другая органическая молекула из-за его относительно большого содержания водорода, что составляет 55 % теплоты сгорания[25], но отдаёт только 25 % молекулярной массы метана. Во многих городах метан подается в дома для отопления и приготовления пищи. В этом контексте его обычно называют природным газом, содержание энергии в котором составляет 39 мегаджоулей на кубический метр. Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой преимущественно метан (CH4), превращаемый в жидкую форму для удобства хранения или транспортировки.

Рафинированный жидкий метан используется в качестве ракетного топлива[26]. Метан, как сообщается, имеет преимущество перед керосином в том, что он наносит меньше углерода на внутренние части ракетных двигателей, что уменьшает сложность повторного использования ускорителей.

Метан используется в качестве сырья в органическом синтезе, в том числе для изготовления метанола.

Метан является самым физиологически безвредным газом в гомологическом ряду парафиновых углеводородов. Физиологическое действие метан не оказывает и неядовит (из-за малой растворимости метана в воде и плазме крови и присущей парафинам химической инертности). Погибнуть человеку в воздухе с высокой концентрацией метана можно только от недостатка кислорода в воздухе. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки удушья (учащение пульса, увеличение объёма дыхания, нарушение координации тонких мышечных движений и т. д.). Более высокие концентрации метана в воздухе вызывают у человека кислородное голодание — головную боль, одышку, — симптомы, характерные для горной болезни.

Так как метан легче воздуха, он не скапливается в проветриваемых подземных сооружениях. Поэтому случаи гибели людей от удушья при вдыхания смеси метана с воздухом весьма редки.

Первая помощь при тяжелом удушье: удаление пострадавшего из вредной атмосферы. При отсутствии дыхания немедленно (до прихода врача) искусственное дыхание изо рта в рот. При отсутствии пульса — непрямой массаж сердца.

У людей, работающих в шахтах или на производствах, где в воздухе присутствуют в незначительных количествах метан и другие газообразные парафиновые углеводороды, описаны заметные сдвиги со стороны вегетативной нервной системы (положительный глазосердечный рефлекс, резко выраженная атропиновая проба, гипотония) из-за очень слабого наркотического действия этих веществ, сходного с наркотическим действием диэтилового эфира.

Показано, что эндогенный метан способен вырабатываться не только метаногенной микрофлорой кишечника, но и клетками эукариот, и что его образование значительно возрастает при экспериментальном вызывании клеточной гипоксии, например, при нарушении работы митохондрий при помощи отравления организма экспериментального животного азидом натрия, известным митохондриальным ядом. Высказывается предположение, что образование метана клетками эукариот, в частности животных, может быть внутриклеточным или межклеточным сигналом испытываемой клетками гипоксии[27].

Также показано увеличение образования метана клетками животных и растений под влиянием различных стрессовых факторов, например, бактериальной эндотоксемии или её имитации введением бактериального липополисахарида, хотя, возможно, этот эффект наблюдается не у всех видов животных (в эксперименте исследователи получили его у мышей, но не получили у крыс)[28]. Возможно, что образование метана клетками животных в подобных стрессовых условиях играет роль одного из стрессовых сигналов.

Предполагается также, что метан, выделяемый кишечной микрофлорой человека и не усваиваемый организмом человека (он не метаболизируется и частично удаляется вместе с кишечными газами, частично всасывается и удаляется при дыхании через лёгкие), не является «нейтральным» побочным продуктом метаболизма бактерий, а принимает участие в регуляции перистальтики кишечника, а его избыток может вызывать не только вздутие живота, отрыжку, повышенное газообразование и боли в животе, но и функциональные запоры[29].

Является парниковым газом, более сильным в этом отношении, чем углекислый газ, из-за наличия глубоких вращательных полос поглощения его молекул в инфракрасном спектре. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность того же молярного объёма метана составит 21-25 единиц[30][31].

С 1750 года концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась примерно на 150 %, и на её долю приходится 20 % от общего радиационного воздействия всех долгоживущих и глобально смешанных парниковых газов[32].