Особливості метану
Дана речовина є вибухонебезпечним, його ще називають «болотним» газом. Специфічний запах цього граничного вуглеводню відомий всім. У процесі згоряння від нього не залишається хімічних компонентів, які чинять негативний вплив на організм людини. Саме метан є активним учасником утворення парникового ефекту.Фізичні властивості
Перший представник гомологічного ряду алканів був виявлений вченими в атмосфері Титану і Марса. Враховуючи той факт, що метан пов'язаний з існуванням живих організмів, з'явилася гіпотеза про існування життя на цих планетах. На Сатурні, Юпітері, Нептуні, Урані, метан з'явився в якості продукту хімічної переробки речовин неорганічного походження. На поверхні нашої планети його вміст незначний.
Загальна характеристика
Метан не має кольору, він легший за повітря майже в два рази, погано розчиняється у воді. У складі природного газу його кількість досягає 98 відсотків. В попутному нафтовому газі міститься від 30 до 90 відсотків метану. В більшою мірою метан має біологічне походження. Копитні травоїдні кози і корови випускають при переробці в шлунках бактерій досить істотна кількість метану. Серед важливих джерел гомологічного ряду алканів виділимо болота, термітів, фільтрацію природного газу, процес фотосинтезу рослин. При виявленні на планеті слідів метану, можна говорити про існування на ній біологічного життя.
Способи отримання
Розгорнута структурна формула метану є підтвердженням того, що в його молекулі тільки насичені одинарні зв'язки, утворені гібридними хмарами. Серед лабораторних варіантів отримання цього вуглеводню зазначимо сплавлення ацетату натрію з твердим лугом, а також взаємодію карбіду алюмінію з водою. Горить метан голубуватим полум'ям, виділяючи при цьому близько 39 МДж на кубічний метр. Вибухонебезпечні суміші дана речовина утворює з повітрям. Найбільш небезпечний метан, який виділяється під час проведення підземних розробок родовищ корисних копалин в гірських шахтах. Високий ризик вибуху метану і на вугільних збагачувальних і брикетних фабриках, а також на сортувальних виробництвах.Фізіологічна дія
Якщо процентний вміст метану в повітрі становить від 5 до 16 відсотків, при попаданні кисню можливе займання метану. У разі істотного зростання в суміші цієї хімічної речовини підвищується ймовірність вибуху. Якщо в повітрі концентрація даного алкана становить 43 відсотки, він є причиною задухи. При вибуху швидкість поширення становить від 500 до 700 метрів на секунду. Після того як метан контактує з джерелом тепла, процес займання алкана відбувається з деяким запізненням. Саме на цій властивості базується виробництво вибухобезпечного електричного обладнання та запобіжних вибухових компонентів. Так як саме метан є термічно стійким насиченим вуглеводнем, він має широке застосування у вигляді промислового і побутового палива, а також використовується як цінної сировини для хімічного синтезу. Структурна формула три-етил-метану характеризує особливості будови представників даного класу вуглеводнів.В процесі його хімічної взаємодії з хлором при впливі ультрафіолетового опромінення можливе утворення декількох продуктів реакції. В залежності від кількості вихідної речовини, можна в ході заміщення отримати хлорметан, хлороформ, чотирихлористий вуглець. У разі неповного згоряння метану утворюється сажа. У випадку каталітичного окислення утворюється формальдегід. Кінцевим продуктом взаємодії із сіркою є сірковуглець.
Особливості структури метану
Яка його структурна формула? Метан відноситься до граничних вуглеводнів, що мають загальну формулу З n Н 2n+2 . Розглянемо особливості утворення молекули, щоб пояснити, як утворюється структурна формула. Метан складається з одного атома вуглецю і чотирьох атомів водню, пов'язаних між собою ковалентного полярного хімічної зв'язком. Пояснимо на основі будови атома вуглецю структурні формули.Вид гібридизації
Просторова будова метану характеризується тетраедрической структурою. Так як на зовнішньому рівні у вуглецю чотири валентних електрона, при нагріванні атома відбувається перехід електрона з другої s-орбіталі на p. У підсумку на останньому енергетичному рівні у вуглецю розташовується чотири неспарених («вільних») електрона. Повна структурна формула метану ґрунтується на тому, що відбувається утворення чотирьох гібридних хмар, які орієнтуються у просторі під кутом 109 градусів 28 хвилин, формуючи структуру тетраедра. Далі відбувається перекривання вершин гібридних хмар з негибридними хмарами атомів водню. Повна і скорочена структурна формула метану в повній мірі відповідає теорії Бутлерова. Між вуглецем і водородами утворюється проста (одинарна) зв'язок, тому для цієї хімічної речовини не характерні реакції приєднання.Нижче представлена кінцева структурна формула. Метан - це перший представник класу насичених вуглеводнів, він володіє типовими властивостями граничного алкана. Структурна та електронна формула метану підтверджують тип гібридизації атома вуглецю в даному органічній речовині.
Зі шкільного курсу хімії
Даний клас вуглеводнів, представником якого є «болотний газ», вивчається в курсі 10 класу середньої школи. Наприклад, дітям пропонується завдання наступного характеру: «Напишіть структурні формули метану». Необхідно розуміти, що для цього речовини можна розписати по теорії Бутлерова тільки розгорнуту структурну конфігурацію. Його скорочена формула буде збігатися з молекулярної, записуватися у вигляді СН4. За новим федеральним освітнім стандартам, які введені у зв'язку з реорганізацією російського освіти, в базовому курсі хімії всі питання, що стосуються характеристики класів органічних речовин, розбираються оглядово.Промисловий синтез
На основі метану були розроблені промислові способи такого важливого хімічного компонента, як ацетилен. Основою термічного та електричного крекінгу стала саме його структурна формула. Метан при каталітичному окисленні з аміаком утворює синильну кислоту. Застосовують дану органічна речовина для виробництва синтез-газу. При взаємодії з водяною парою виходить суміш чадного газу і водню, яка є сировиною для виробництва граничних одноатомних спиртів, карбонільних сполук. Особливе значення має взаємодія з азотною кислотою, в результаті виходить нітрометан.
Застосування у вигляді автомобільного палива
У зв'язку з нестачею природних джерел вуглеводнів, а також зубожінням сировинної бази, особливу актуальність набуває питання, пов'язаний з пошуком нових (альтернативних) джерел для отримання палива. Одним з таких варіантів є біодизельне паливо, в складі якого є метан. Враховуючи різницю в щільності між бензиновим паливом і першим представником класу алканів, існують певні особливості застосування його в якості джерела енергії для автомобільних двигунів. Для того щоб не було необхідності перевозити з собою величезну кількість метану, шляхом стиснення його щільність збільшують (при тиску близько 250 атмосфер). Зберігають метан у зрідженому стані в балонах, які встановлюються в автомобілях.Вплив на атмосферу
Вище вже йшла мова про те, що метан впливає на парниковий ефект. Якщо ступінь дії оксиду вуглецю (4) на клімат умовно береться за одиницю, то в ньому частка «болотного газу» становить 23 одиниці. Протягом двох останніх століть вчені спостерігають підвищення кількісного вмісту метану в земній атмосфері. На даний момент приблизну кількість СН 4 оцінюється в 18 частини на мільйон. Незважаючи на те що цей показник у 200 разів менше, ніж наявність вуглекислого газу, йде розмова між вченими про можливий ризик утримання тепла, випромінюваного планетою. У зв'язку з відмінною теплотворною здатністю «болотного газу», його застосовують не тільки в якості вихідної сировини при здійсненні хімічного синтезу, але і в якості джерела енергії. Наприклад, на метані функціонують різноманітні газові котли, колонки, призначені для індивідуальної опалювальної системи в приватних заміських будинках і котеджах. Такий автономний варіант опалення вельми вигідний для власників житла, не пов'язаний з аваріями, систематично відбуваються на централізованих опалювальних системах. Завдяки газовому котлу, функціонуючий на даному виді палива, достатньо 15-20 хвилин для того, щоб повністю обігріти двоповерховий котедж.