Метан – формула, свойства, применение

Метан, которым открывается гомологический ряд насыщенных (предельных) углеводородов – алканов – представляет собой наиболее простое органическое вещество. Химические свойства, проявляемые метаном, присущи всем соединениям алканового ряда. Поэтому изучение алканов начинают с рассмотрения структуры молекулы этого вещества и его поведения в химических взаимодействиях.

Общее понятие о строении метана

Определяющая метан формула имеет вид , то есть молекула его образована одним атомом углерода с валентностью IV и четырьмя водородными атомами. На понимании того, как строится эта молекула, основано дальнейшее изучение всех органических соединений.

Электроны в атоме углерода

В основном состоянии углерод характеризуется конфигурацией электронного облака  и валентностью II, поскольку обладает лишь двумя неспаренными внешними электронами:

При сообщении некоторой энергии происходит возбуждение атома, 2s2-электроны распариваются и один из них занимает вакантную орбиталь на 2p-подуровне. В результате атом получает четыре неспаренных электрона и валентность IV:

Углерод во всех органических соединениях четырехвалентен.

Подуровни 2s и 2p стремятся к выравниванию энергий своих электронов, что ведет к перераспределению электронных плотностей их облаков и к изменению их формы. Образуются гибридные 2sp-облака (орбитали). Их количество зависит от того, сколько орбиталей участвует в гибридизации.

Если в нее вступают наряду с 2s все три 2p-орбитали, говорят о гибридизации типа sp3. В этом случае образуются четыре одинаковых гибридных электронных облака. Оси их вследствие взаимного отталкивания располагаются в пространстве таким образом, что атом приобретает форму тетраэдра. Молекулы метана и прочих алканов образованы только sp3-гибридизованным углеродом.

Молекула метана

Углеродный атом в sp3-гибридизованном состоянии вступает в четыре равноправных ковалентных простых σ-связи с водородом. Каждая из них формируется путем перекрывания одной из четырех углеродных 2sp3-орбиталей с 1s1-орбиталью водорода по линии, проходящей через ядра атомов. Ориентация σ-связей соответствует осям гибридных орбиталей, поэтому молекула  имеет тетраэдрическую форму.

Строение молекулы удобно отображать с помощью структурной и электронной формул:

В молекулах метана и его гомологов углерод связывается с наибольшим возможным числом атомов водорода, поэтому углеводороды ряда алканов называют предельными.

Физические свойства

Метан в стандартных условиях (атмосферное давление и температура 0°C) представляет собой газ без цвета и запаха плотностью  (легче воздуха). Основные свойства приведены в таблице.

Наименование параметра: Значение:
Цвет без цвета
Запах без запаха
Вкус без вкуса
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.) газ
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3 0,6682
Плотность (при 0 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3 0,7168
Плотность (при -164,6 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3 415
Температура плавления, °C -182,49
Температура кипения, °C -161,58
Температура самовоспламенения, °C 537,8
Критическая температура*, °C -82,4
Критическое давление, МПа 4,58
Критический удельный объём,  м3/кг 0,0062
Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом, % объёмных от 4,4 до 17,0
Удельная теплота сгорания, МДж/кг 50,1
Коэффициент теплопроводности (при 0 °C и атмосферном давлении 1 атм.), Вт/(м·К) 0,0302
Коэффициент теплопроводности (при 50 °C и атмосферном давлении 1 атм.), Вт/(м·К) 0,0361
Молярная масса, г/моль 16,04
Растворимость в воде, г/кг 0,02

* при температуре выше критической температуры газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении.

Химические свойства

Так как углерод в метане задействует все свободные валентности и молекула максимально насыщена атомами водорода, метан характеризуется слабой химической активностью. В стандартных условиях он не вступает во взаимодействие с щелочами, сильными кислотами, галогенами (за исключением фтора) и щелочными металлами.

Метан участвует в нескольких типах реакций, которые всегда протекают с разрушением углерод-водородных связей .

  1. Свободно-радикальное замещение:
  2. Окисление:
  3. Разложение метана. Наиболее распространенным методом разложения является крекинг, широко используемый в нефтепереработке:

В процессе крекинга происходит разрушение тройной связи в молекуле ацетилена, и среди конечных продуктов реакции присутствуют различные углеводороды.

Метан в природе

В естественных условиях метан имеет несколько источников:

  • природный газ и попутные нефтяные газы, в составе которых метан является главным компонентом;
  • рудничный газ, поступающий из угольных пластов и образующий с воздухом взрывоопасную смесь;
  • вулканические газы;
  • продукты обмена веществ некоторых анаэробных микроорганизмов, перерабатывающих клетчатку и обитающих в болотах, стоячих водоемах, в пищеварительном тракте жвачных животных.

Метан способен в больших количествах накапливаться в газогидратной форме в многолетней мерзлоте и на океанском дне. В составе метангидрата молекула  внедряется в полости внутри кристаллической решетки водяного льда. Соединения с такой структурой называют клатратами. При таянии льда газ высвобождается и поступает в атмосферу.

За пределами Земли метан в большом количестве обнаружен на спутнике Сатурна Титане, в атмосферах планет-гигантов и Марса.

Получение метана

В промышленности метан, как правило, не синтезируют искусственно, а выделяют при переработке нефти, нефтепродуктов, очистке природного газа, коксовании каменного угля. В этих процессах метан является продуктом следующих реакций:

Лабораторный синтез метана проводится двумя основными способами:

Области применения

Сфера использования метана включает различные отрасли. Он применяется и как конечный продукт, и в качестве сырья для производства других веществ.

Топливо

Наиболее широко газ используется как дешевый горючий материал в таких областях, как:

  • автомобильный транспорт;
  • некоторые системы ракетных двигателей (жидкий очищенный метан);
  • электроэнергетика (топливо для газовых турбин).

Металлообработка

При горении метана в кислороде развивается температура от 2400 до 2700 °C, поэтому он пригоден для сварки и пайки легкоплавких металлов и сплавов – чугуна, меди, латуни, алюминия. Также он используется как заменитель ацетилена и пропан-бутановой смеси при кислородной резке металлов.

Бытовое применение метана

Во многих регионах метан широко применяется в отопительных системах. Городские сети снабжают значительную часть населения природным газом для кухонных плит.

Метан как химическое сырье

Большую роль метан играет в качестве реагента в процессах синтеза соединений, используемых в разных областях:

  • топливная промышленность (получение синтетического бензина);
  • производство органических красителей и растворителей;
  • производство ацетилена;
  • медицина и биология (получение формальдегида – консерванта для биоматериалов).

Читайте также:

Применение алканов

Применение алкенов

Вред и польза метана

Вследствие малой растворимости и слабой химической активности метан нетоксичен, однако длительное пребывание в среде с повышенной концентрацией газа негативно отражается на нервной системе. Если содержание его в воздухе превышает 25%, человек может пострадать от кислородного голодания.

Как сильный парниковый газ, метан оказывает влияние на климат. Несмотря на малую концентрацию в атмосфере, по вкладу в парниковый эффект он занимает третье место после водяного пара и углекислого газа. Парниковое действие метана приблизительно в 25 раз превышает эффект, оказываемый тем же молярным объемом углекислого газа.

Метан обладает полезными свойствами. При полном сгорании он не образует твердых продуктов, загрязняющих внутренние части оборудования и окружающую среду. В сочетании с дешевизной это качество расширяет перспективы использования метана как экономичного и чистого топлива.

Ссылка на основную публикацию