Metaani | |||
---|---|---|---|
| |||
Kenraali | |||
Systemaattinen nimi |
metaani | ||
Perinteiset nimet | metaani, palokosteus | ||
Chem. kaava | CH 4 | ||
Rotta. kaava | CH 4 | ||
Fyysiset ominaisuudet | |||
Moolimassa | 16,04 g/ mol | ||
Tiheys |
kaasu (0 °C) 0,714 (normaaliolosuhteet) kg/m³ [1] (25 °C) 0,7168 kg/m3; 0,6682 kg/m³ standardiolosuhteissa GOST 2939-63:n mukaan;neste (−164,6 °C) 415 kg/m³ [2] |
||
Lämpöominaisuudet | |||
Lämpötila | |||
• sulaminen | -182,49 °C | ||
• kiehuva | -161,58 °C | ||
• hajoaminen | yli +1000°C | ||
• vilkkuu | 85,1 K, -188 °C | ||
• itsestään syttyminen | +537,8°C | ||
Räjähdysrajat | 4,4-17,0 % | ||
Kriittinen piste | |||
• lämpötila | 190,56 K, -82,6 °C | ||
Entalpia | |||
• koulutus | −74 520 J/mol [3] | ||
• palaminen |
35,9 MJ/m³ 50,2 MJ/kg [1] 803,2 kJ/mol |
||
Höyrystyksen ominaislämpö | 460,6 J/mol (760 mm Hg:ssa) [4] | ||
Kemiallisia ominaisuuksia | |||
Liukoisuus | |||
• vedessä | 0,02 g/kg [5] | ||
Luokitus | |||
Reg. CAS-numero | 74-82-8 | ||
PubChem | 297 | ||
Reg. EINECS-numero | 200-812-7 | ||
Hymyilee | C | ||
InChI | InChI = 1S/CH4/h1H4VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N | ||
RTECS | PA1490000 | ||
CHEBI | 16183 | ||
YK-numero | 1971 | ||
ChemSpider | 291 | ||
Turvallisuus | |||
Rajoita keskittymistä | 7000 mg/m³ | ||
LD 50 | 13450-36780 mg/kg | ||
Myrkyllisyys | Vaaraluokka GOST 12.1.007:n mukaan : 4 | ||
EKP:n kuvakkeet | |||
NFPA 704 | neljä 0 0 | ||
Tiedot perustuvat standardiolosuhteisiin (25 °C, 100 kPa), ellei toisin mainita. | |||
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa |
Metaani ( lat. metaani ; suokaasu ), CH 4 - koostumukseltaan yksinkertaisin tyydyttynyt hiilivety , normaaleissa olosuhteissa väritön kaasu , hajuton ja mauton.
Liukenee hieman veteen, lähes kaksi kertaa ilmaa kevyempi.
Metaani on myrkytön , mutta suurena pitoisuutena ilmassa sillä on heikko narkoottinen vaikutus (MPC 7000 mg/m 3 ) [6] . On näyttöä siitä, että krooninen altistuminen alhaisille metaanipitoisuuksille ilmassa vaikuttaa haitallisesti keskushermostoon [7] . Metaanin CH 4 : n huumaavaa vaikutusta heikentää sen alhainen vesi- ja vereliukoisuus sekä kemiallinen inertiteetti . Myrkyllisyysluokka - neljäs [8] .
Arkielämässä käytettynä hajusteita (yleensä tioleja ) lisätään yleensä metaaniin (maakaasu) - haihtuviin aineisiin, joilla on erityinen "kaasun haju", jotta henkilö havaitsee ajoissa hätäkaasuvuodon hajun perusteella. Teollisessa tuotannossa vuodot korjataan antureilla, ja monissa tapauksissa metaani toimitetaan laboratorioihin ja teollisuustuotantoon ilman hajusteita.
Kertyessään sisätiloihin seoksessa ilman kanssa, metaani muuttuu räjähtäväksi pitoisuudellaan 4,4–17 % [9] . Räjähtävin pitoisuus seoksessa ilman kanssa on 9,5 tilavuus-%. Hiilikaivoksissa sitä vapautuu hiilisaumoista, mikä joskus johtaa räjähdyksiin, joiden seuraukset voivat olla katastrofaalisia .
Metaani on kolmanneksi tärkein kasvihuonekaasu maapallon ilmakehässä (vesihöyryn ja hiilidioksidin jälkeen sen osuus kasvihuoneilmiöstä on arviolta 4-9 %) [10] [11] .
Marraskuussa 1776 italialainen fyysikko Alessandro Volta löysi metaanin Maggiore -järven suoista Italian ja Sveitsin rajalla. Häntä inspiroi suokaasun tutkiminen Benjamin Franklinin "palavasta ilmasta" käsittelevästä paperista. Volta keräsi suon pohjalta vapautuvan kaasun ja eristi puhdasta metaania vuonna 1778. Hän osoitti myös kaasun syttymisen sähkökipinästä.
Sir Humphry Davy vuonna 1813 tutki palokoskeutta ja osoitti, että se on seos metaanista pienten määrien typen N 2 ja hiilidioksidin CO 2 kanssa - eli että se on koostumukseltaan laadullisesti identtinen suokaasun kanssa.
Nykyaikaisen nimen "metaani" vuonna 1866 antoi kaasulle saksalainen kemisti August Wilhelm von Hoffmann [12] [13] , se on johdettu sanasta " metanoli ".
Maakaasun pääkomponentti (77-99 %), siihen liittyvät öljykaasut (31-90 %), kaivos- ja suokaasut (siis muut metaanin nimet - suo tai tulipesä). Anaerobisissa olosuhteissa (soissa, vesistöissä maaperässä, märehtijöiden suolistossa ) se muodostuu biogeenisesti tiettyjen mikro-organismien elintärkeän toiminnan seurauksena.
Suuret metaanivarat ovat keskittyneet metaanihydraatteihin merten pohjalla ja ikiroutavyöhykkeellä [10] [11] .
Metaania on löydetty myös muilta planeetoilta, mukaan lukien Marsista , mikä vaikuttaa astrobiologian tutkimukseen [14] . Nykyajan tietojen mukaan metaania on merkittävinä pitoisuuksina aurinkokunnan jättiläisplaneettojen ilmakehissä [15] .
Oletettavasti Titanin pinnalla matalissa lämpötiloissa (−180 °C) on kokonaisia järviä ja jokia nestemäisestä metaani-etaaniseoksesta [16] . Myös metaanijään osuus on suuri Sednan pinnalla .
Sitä muodostuu hiilen koksauksen , hiilen hydrauksen ja hiilivetyjen hydrogenolyysin aikana katalyyttisissä reformointireaktioissa.
On mahdollista saada metaania Sabatier-reaktion ansiosta hiilidioksidin ja vedyn vuorovaikutuksesta katalyytin läsnä ollessa korotetussa lämpötilassa ja paineessa:
∆H = -165,0 kJ/molValmistettu laboratoriossa kuumentamalla natronkalkkia ( natriumhydroksidin ja kalsiumhydroksidin seos ) tai vedetöntä natriumhydroksidia jääetikan kanssa :
.Veden puuttuminen on tärkeää tälle reaktiolle, minkä vuoksi natriumhydroksidia käytetään, koska se on vähemmän hygroskooppinen .
On mahdollista saada metaania sulattamalla natriumasetaatti natriumhydroksidin kanssa [17] :
.Myös metaanin laboratoriotuotantoon käytetään alumiinikarbidin hydrolyysiä :
,tai jotkut organometalliset yhdisteet (kuten metyylimagnesiumbromidi ).
Metaanin biologinen tuotanto on mahdollista, katso biokaasu .
Huoneenlämpötilassa ja normaalipaineessa metaani on väritön, hajuton kaasu [18] . Kotimaisen maakaasun tuttu haju saadaan aikaan lisäämällä kaasuun erityisesti tert-butyylitiolia sisältävää hajusteosta turvatoimenpiteenä metaanihätävuotojen havaitsemiseksi hajun avulla.
Metaanin kiehumispiste on -164 °C yhden ilmakehän paineessa [19] .
Syttyy helposti tilavuuspitoisuuksilla ilmassa 4,4 - 17 tilavuusprosenttia. % normaalipaineella. Räjähdysrajat (syttymisrajat) metaanin ja hapen seoksissa ilmakehän paineessa 4,5 - 61 tilavuus. %.
Kiinteää metaania erittäin korkeissa paineissa on useita muunnelmia. Tällaisia modifikaatioita tunnetaan yhdeksän [20] .
Metaani on tyydyttyneiden hiilivetyjen (alkaanien) homologisen sarjan ensimmäinen jäsen, kestävin kemiallista hyökkäystä. Kuten muut alkaanit, se osallistuu radikaalisubstituutioreaktioihin - halogenointiin , sulfoklooraukseen , sulfoksidaatioon, nitraamiseen ja muihin, mutta on vähemmän reaktiivinen kuin muut alkaanit.
Metaanille reaktio vesihöyryn kanssa on spesifinen - höyryreformoinnin reaktio, jossa nikkeliä käytetään katalyyttinä teollisuudessa , kerrostetaan alumiinioksidille (Ni / Al 2 O 3 ) 800-900 °C:ssa tai ilman käyttöä. katalyyttiä 1400-1600 °C:ssa. Saatua synteesikaasua voidaan käyttää myöhempään metanolin , hiilivetyjen , etikkahapon , asetaldehydin ja muiden tuotteiden synteesiin, tämä on tärkein taloudellinen tapa tuottaa vetyä:
.Se palaa ilmassa sinertävällä liekillä, kun taas normaaliolosuhteissa 1 m³ metaania kohti vapautuu energiaa noin 33,066 MJ . Metaanin palamisreaktio hapessa tai ilmassa:
+ 891 kJ.Meneekö se substituutioreaktioihin halogeeneilla , jotka etenevät vapaaradikaalimekanismin mukaisesti ( metalepsiareaktio )? esimerkiksi peräkkäiset kloorausreaktiot hiilitetrakloridiksi :
, , , .Yli 1400 °C:ssa se hajoaa reaktion mukaisesti:
.Se hapettuu muurahaishapoksi 150–200 °C:ssa ja 30–90 atm:n paineessa. radikaaliketjumekanismilla : _
.Metaani muodostaa inkluusioyhdisteitä - kaasuhydraatteja , jotka ovat laajalti levinneet luonnossa.
Metaania käytetään polttoaineena liesissä , vedenlämmittimissä , autoissa [21] [22] , turbiineissa jne. Aktiivihiiltä voidaan käyttää metaanin varastoimiseen .
Maakaasun pääkomponenttina metaania käytetään sähkön tuottamiseen polttamalla sitä kaasuturbiineissa tai höyrystimissä. Verrattuna muihin hiilivetypolttoaineisiin metaani tuottaa vähemmän hiilidioksidia vapautuvaa lämpöyksikköä kohti. Metaanin palamislämpö on noin 891 kJ/mol, mikä on alhaisempi kuin minkään muun hiilivedyn. Se tuottaa kuitenkin enemmän lämpöä massayksikköä kohden (55,7 kJ/g) kuin mikään muu orgaaninen aine, koska sen vetypitoisuus on suhteellisen korkea. Vedyn osuus lämpöarvosta on noin 55 % [23] , mutta sen molekyylipaino on vain 25 %. metaanista.
Monissa kaupungeissa metaania toimitetaan koteihin lämmitykseen ja ruoanlaittoon. Yleensä sitä kutsutaan kuitenkin maakaasuksi , jonka energiasisältö on 39 mJ/m 3 . Nesteytetty maakaasu (LNG) on pääasiassa metaania (CH 4 ), joka nesteytetään varastoinnin ja/tai kuljetuksen helpottamiseksi.
Nestemäistä metaania yhdistettynä nestemäiseen happeen pidetään lupaavana rakettipolttoaineena [24] [25] ja sitä käytetään moottoreissa , kuten RD-0162 , BE-4 [26] ja Raptor . Metaanilla on etuja kerosiiniin verrattuna, sillä se:
Tämä vähentää ohjusten uudelleenkäytön vaikeutta [26] [29] .
Metaania käytetään raaka-aineena orgaanisessa synteesissä , mukaan lukien metanolin tuotannossa .
Metaani on fysiologisesti vaarattomin kaasu parafiinihiilivetyjen homologisessa sarjassa . Metaanilla ei ole fysiologista vaikutusta eikä se ole myrkyllistä (johtuen metaanin heikosta liukoisuudesta veteen ja veriplasmaan ja parafiinien luontaisesta kemiallisesta inertsyydestä). Ihminen voi kuolla ilmaan, jossa metaanipitoisuus on korkea, vain ilman hapen puutteesta. Siten, kun metaanipitoisuus ilmassa on 25-30%, ensimmäiset tukehtumisen merkit ilmaantuvat (kohonnut syke, lisääntynyt hengitystilavuus, heikentynyt hienojen lihasliikkeiden koordinaatio jne.). Suuremmat metaanipitoisuudet ilmassa aiheuttavat ihmisillä happinälkää - päänsärkyä, hengenahdistusta - korkeustaudille tyypillisiä oireita .
Koska metaani on ilmaa kevyempää, se ei kerry tuuletettuihin maanalaisiin rakenteisiin. Siksi ihmisten tukehtumisen aiheuttamat kuolemat hengitettäessä metaanin ja ilman seosta ovat erittäin harvinaisia.
Ensiapu vakavaan tukehtumiseen: uhrin poistaminen haitallisesta ilmakehästä. Hengityksen puuttuessa suorita välittömästi (ennen lääkärin saapumista) tekohengitystä suusta suuhun. Pulssin puuttuessa - epäsuora sydänhieronta.
Kaivoksissa tai teollisuudessa, jossa metaania ja muita kaasumaisia parafiinihiilivetyjä on ilmassa pieniä määriä, kuvataan huomattavia muutoksia autonomisessa hermostossa (positiivinen silmän sydänrefleksi , voimakas atropiinitesti , hypotensio ) johtuen erittäin heikosta huumeesta. näiden aineiden vaikutus, joka on samanlainen kuin dietyylieetterin narkoottinen vaikutus .
Metaanin MPC työskentelyalueen ilmassa on 7000 mg/m³ [6] .
On osoitettu, että endogeenistä metaania ei pysty tuottamaan ainoastaan metanogeeninen suoliston mikrofloora , vaan myös eukaryoottisolut , ja että sen tuotanto lisääntyy merkittävästi, kun solujen hypoksiaa aiheutetaan kokeellisesti , esimerkiksi kun mitokondriot häiriintyvät myrkytyksen seurauksena. koe- eläin natriumatsidilla , tunnetulla mitokondriomyrkkyllä. On ehdotettu, että eukaryoottisolujen, erityisesti eläinten, aiheuttama metaanin muodostuminen voi olla solunsisäinen tai solujenvälinen signaali solujen kokemasta hypoksiasta [30] .
Eläin- ja kasvisolujen metaanin tuotannon lisääntyminen erilaisten stressitekijöiden, kuten bakteerien endotoksemia tai sen jäljitelmä bakteeriperäisen lipopolysakkaridin avulla, vaikutuksesta on myös osoitettu , vaikka tätä vaikutusta ei välttämättä havaita kaikilla eläimillä lajit (kokeessa tutkijat saivat sen hiirillä, mutta eivät saaneet sitä). rotilla) [31] . On mahdollista, että eläinsolujen metaanin muodostuminen tällaisissa stressaavissa olosuhteissa on yksi stressisignaaleista.
On myös oletettu, että metaani, jota ihmisen suoliston mikrofloora erittää ja jota ihmiskeho ei imeydy (se ei metaboloidu ja osittain poistuu suoliston kaasujen mukana, imeytyy osittain ja poistuu hengittäessään keuhkojen kautta ), ei ole "neutraali" bakteerien aineenvaihdunnan sivutuote , mutta osallistuu suoliston motiliteettien säätelyyn, ja sen ylimäärä voi aiheuttaa turvotuksen, röyhtäilyn , lisääntynyttä kaasunmuodostusta ja vatsakipua , mutta myös toiminnallista ummetusta [32] .
Se on kasvihuonekaasu , tässä suhteessa vahvempi kuin hiilidioksidi , koska sen molekyylien infrapunaspektrissä on syviä värähtely-kiertoabsorptiokaistoja . Jos hiilidioksidin ilmastovaikutuksen asteeksi otetaan ehdollisesti yksi, niin saman metaanin moolitilavuuden kasvihuoneaktiivisuus on 21–25 yksikköä [34] [35] . Metaanin elinikä ilmakehässä on kuitenkin lyhyt (useista kuukausista useisiin vuosiin), koska se hapettuu hapen vaikutuksesta hiilidioksidiksi troposfäärissä salamapurkausten vaikutuksesta ja stratosfäärissä UV-C-säteilyn vaikutuksesta. auringosta .
Vuodesta 1750 lähtien metaanin pitoisuus maapallon ilmakehässä on kasvanut noin 150 %, ja sen osuus on 20 % kaikkien pitkäikäisten ja maailmanlaajuisesti sekoittuneiden kasvihuonekaasujen kokonaissäteilyvoimasta [36] .
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
| |||
---|---|---|---|---|
|