Преглед на кода на Метан

{{Химкутия
 | картинка = {{Инфокаре картинки
 | file = Methane-2D-dimensions.svg | caption = Скелетна формула на метан с добавени някои измервания
 | file-L =Methane-CRC-MW-3D-balls.png | caption-L = Триизмерен атомен модел на метан | size-L = 116px
 | file-R =Methane-3D-space-filling.svg | caption-R = Запълнен атомен модел на метан | size-R = 124px
 }}
 | систематично        = Метан
 | CASNo               = 74-82-8
 | PubChem             = 297
 | ChemSpiderID        = 291
 | EINECS              = 200-812-7
 | UNNumber            = 1971
 | KEGG                = C01438
 | MeSHName            = Methane
 | ChEBI               = 16183
 | ChEMBL              = 17564
 | RTECS               = PA1490000
 | Beilstein           = 1718732
 | Gmelin              = 59
 | 3DMet               = B01450
 | SMILES              = C
 | StdInChI            = 1S/CH4/h1H4
 | формула             = CH<sub>4</sub>
 | моларна-маса        = 16.04 g mol<sup>−1</sup>
 | външен-вид          = безцветен газ
 | плътност            = 655.6 μg mL<sup>−1</sup>
 | топене-точка        = -182 °C
 | кипене-точка        = -164 до -160 °C
 | разтворимост        = 22.7 mg/L
 | ЕС-индекс           = 601-001-00-4
 | R-фрази             = R12
 | S-фрази             = S2, S16, S33
 | H-фрази             = 220
 | P-фрази             = 210
 | ЕС-класификация     = {{Химопасности|запалимо+}}
 | NFPA-H              = 1
 | NFPA-F              = 4
 | NFPA-R              = 0
 | точка-запалване     = -188 °C
 | точка-самозапалване = 537 °C
}}
'''Метанът''' е [[химично съединение]] с формула <chem>CH4</chem>. Това е най-простият [[алкан]] (наситен [[въглеводород]]). Ъгълът между атомите на метана е 109,5 градуса. Той е безцветен [[газ]] без [[миризма]] с [[температура на топене]] -182,5&nbsp;°C и [[температура на кипене]] -161,5&nbsp;°C. При -11&nbsp;°C под значително налягане се втечнява. Основна съставка на природния газ, съпътстващ [[нефт]]а или намиращ се в газови находища, и се образува при приблизително същите геоложки процеси както нефта. Метан се образува и при разлагане на растителни материали в отсъствието на кислород в [[блата|блатисти места]], поради което се нарича още и '''блатен газ'''. Среща се и в каменовъглените мини, където е известен като газ [[гризу]] или рудничен газ. Промишлено се получава при прекарването на един обем СО и три обема Н<sub>2</sub> над фино раздробен никелов [[катализатор]] при атмосферно налягане и температура 200 – 300&nbsp;°C. Освен на Земята, метан е открит и на други планети в [[Слънчевата система]].

Горенето на метана в присъствието на [[кислород]] води до образуването на [[въглероден диоксид]] и [[вода]]. Големите залежи на [[природен газ]] правят метана привлекателен като гориво. Въпреки това, тъй като той е газ, при нормална температура и налягане метанът трудно може да се транспортира от неговия източник. Най-често се транспортира под налягане по тръбопроводи или в специални танкери, където природният газ е втечнен под високо налягане и ниска температура; понякога се транспортира и нагнетен в бутилки под налягане.

Химически метанът е сравнително инертно съединение, но с [[хлор]]а реагира с взрив при нормална температура, а при ниски температури се получава [[метилхлорид]]. При смесване с въздух в известни пропорции образува взривоопасна смес, особено в затворени помещения (напр. мини, жилища). Използва се при производството на метилхлорид, [[метиленхлорид]], [[водород]], [[амоняк]], при получаването на [[сажди]]. Използва се и като [[гориво]], предимно в котли, но също и в двигатели с вътрешно горене (с искрово запалване и дизелови, в турбини).

Метан е също и търговско наименование на [[природен газ|природния газ]], тъй като предлаганият в търговската мрежа природен газ се състои над 90% от наситения въглеводород.

<gallery>
Methane-CRC-MW-dimensions-2D.png|Двуизмерно изображение
Methane-CRC-MW-3D-balls.png|Триизмерно изображение
Ch4-structure.png|Структура
</gallery>

Метанът е открит и изолиран от [[Алесандро Волта]] между 1776 г. и 1778 г., когато е изследван [[блатен газ]] от езерото [[Лаго Маджоре]].

Метанът е един от основните [[парникови газове]]. Времето му на живот в атмосферата е около 10 години, като най-често влиза в реакция с хидроксилни радикали, вследствие на което се получава [[въглероден двуокис]] и [[вода]].

Метанът оказва влияние и за разграждането на [[Озонов слой|озоновия слой]].

{| class="wikitable"
|-
! Формула !! Моларна маса !! Плътност !! Точка на топене !! Точка на кипене !! Разтворимост във вода !! Пламна температура !! КГВ
|-
| CH<sub>4</sub> || 16.042 g/mol || 0.717 kg/m<sup>3</sup> (газ, 0&nbsp;°C) <br/>416 kg/m<sup>3</sup> (течност) || -182.5&nbsp;°C || -161.6&nbsp;°C || 35 mg/L (17&nbsp;°C) || -188&nbsp;°C || 5 – 15 обемни %
|-
|}
Наличието на метан в атмосферата на Земята през 1998 г. е 1745 части на милиард (ppb), в сравнение със 700 ppb през 1750 г. До 2008 г. обаче съдържанието на метан в атмосферата е останало на нива от 1998 г. насам – около 1800 ppb. До 2010 г. нивото на метана в атмосферата е най-ниско в Арктика, с измерени стойности около 1850 ppb. Това е най-високото регистрирано ниво от 400 хиляди години. Исторически концентрацията метан в атмосферата на света варира между 300 и 400 ppb по време на ледниковия период и между 600 – 700 ppb през топлите междуледникови периоди.

== Свойства ==
Метанът е основният компонент на природния газ, около 87% от неговия обем. При стайна температура и нормално налягане, метанът е без цвят и мирис; миризмата характерна за природния газ, който се използва в домовете е изкуствена мярка за безопасност, причинена от добавяне на „ароматизатори“, често метанетиол или етанетиол. Метанът е с температура на кипене от -161&nbsp;°C при налягане от една атмосфера. Като газ е запалим в тесен диапазон от концентрации (5 – 15 обемни %) с въздуха.

=== Опасност за човешкото здраве ===
Метанът не е токсичен, но е изключително запалим и може да образува взривоопасни смеси с въздуха. Метанът бурно реагира с окислители, халогени, както и някои халоген-съдържащи съединения. Метанът може да предизвика задушаване, измествайки кислорода от въздуха в затворено пространство. Задушаване може да възникне, ако концентрацията на кислород спадне под 19,5%.

=== Химически реакции на метана ===
Основните химически реакции с метан са горене и халогениране. Като цяло реакциите с метан са трудни за контролиране. Трудно е да се постигне например частично окисление до метанол, тъй като реакцията обикновено прогресира до въглероден диоксид и вода.

==== Горене ====
Горенето на метана протича на няколко етапа:

Първоначално се образува [[формалдехид]] (HCHO или H<sub>2</sub>CO). Формалдехидът освобождава радикали HCO<sup>-</sup>, които след това се превръщат във въглероден оксид (CO). Процесът се нарича оксидативна пиролиза:

<chem>CH4 + O2 -> CO + H2 + H2O</chem>

След оксидативната пиролиза, H<sub>2</sub> се окислява като се образува H<sub>2</sub>O и се освобождава топлина. Това се случва много бързо, обикновено значително по-малко от една милисекунда.

<chem>2H2 + O2 -> 2H2O</chem>

На последно място, CO се окислява до CO<sub>2</sub> и освобождава още топлина. Този процес като цяло е по-бавен от предишните химични, и обикновено изисква няколко милисекунди, за да се приключи.

<chem>2CO + O2 -> 2CO2</chem>

В резултат на горното е следната обща формула:

<chem>CH4(g) + 2O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(l) + 891 kJ/mol</chem> (при [[Стандартни температура и налягане|стандартни условия]]),

където в скоби „g“ означава газообразно състояние и в скоби „l“ означава течна форма.

==== Изместване на водород от молекулата ====
Ковалентната връзка въглерод-водород в метана е сред най-силните от всички въглеводороди и поради това използването му като изходна суровина химически е ограничено. Въпреки здравата C-H облигациия, CH4 все още е основната суровина за производството на водород в риформинг с водна пара. Търсенето на катализатори, които могат да улеснят разкъсването на C-H връзката на метана и други алкани, е в областта на научните изследвания с голямо стопанско значение.

==== Реакции с халогени ====
Метанът реагира с всички халогени при подходящи условия по следния начин:

<chem>CH4 + X2 -> CH3X + HX</chem>

където Х са халогените: хлор (Cl), [[бром]] (Br), или [[йод]] (I). С [[флуор]] (F) се изместват всички водородни атоми. Получава се тетрафлуорометан (CF<sub>4</sub>) и се отделя флуороводород (HF). Този процес се нарича халогениране. Когато X е Cl, реакцията притича по следния начин:

1. Формиране на радикали:

<math>\mathrm{Cl_2 \xrightarrow[\triangle]{\text{UV}} 2Cl\cdot -\ 239 kJ}</math>

Необходимата енергия се получава от въздействието на ултравиолетови лъчи или загряване.

2. Замяна на радикалите:

<chem>CH4 + Cl. -> CH3{.} + HCl + 14 kJ</chem>

<chem>CH3{.} + Cl2 -> CH3Cl + Cl. + 100 kJ</chem>

3. Унищожаване на радикалите:

<chem>2Cl{.} + Cl2 + 239 kJ</chem>

<chem>CH3{.} + Cl. -> CH3Cl + 339 kJ</chem>

<chem>2CH3{.} -> CH3CH3 + 347 kJ</chem>

== Употреба ==
=== Гориво ===
Метанът е важен за производството на електричество чрез изгаряне като гориво в газова турбина или [[парен котел]]. В сравнение с други въглеводородни горива, изгарянето на метан произвежда по-малко въглероден диоксид за всяка единица произведена топлина. Около 891 kJ/mol е топлината произведена от горенето на метана. Тя е по-малко, отколкото при горенето на всеки друг въглеводород, но отношението от топлината на изгаряне (891 kJ/mol) към молекулна маса (16 g/mol) показва, че метанът, който е най-простият въглеводород, произвежда повече топлина за единица тегло (55,7 kJ/g) в сравнение с други сложни въглеводороди. Много градове са газифицирани и метанът се ползва за битови нужди. В този си вид е познат като природен газ и се счита, че енергийното съдържание е 39 мегаджаула на кубичен метър.

Метан под формата на компресиран природен газ се използва като гориво на превозните средства и по този начин те са по-екологично чисти, в сравнение с другите изкопаеми горива като бензин и дизелово гориво.

Понастоящем се провеждат изпитания за потенциала на метана като ракетно гориво. Едно от предимствата на метана е, че той е широко разпространен в много части на Слънчевата система и би могъл да бъде събиран на място, осигурявайки гориво за двупосочно пътуване.

=== Индустриална употреба ===
Метанът се използва в промишлени химически процеси. Той е изходна суровина за производството на [[водород]], [[метанол]], [[оцетна киселина]], [[оцетен анхидрид]]. За целта метанът се превръща в смес от въглероден оксид и водород чрез риформинг с водна пара. В този процес метанът и парата реагират чрез никелов катализатор при висока температура (700 – 1100&nbsp;°C).

<math>\mathrm{CH_4 + H_2O\ \xrightarrow[700\ -\ 1000\ ^{\circ}C]{Ni}\ CO + 3H_2}</math>

<chem>CO + H2O -> CO2 + H2</chem>

Също така метанът е изходна суровина за производството на [[ацетилен]] (при преминаване на метан през електрическа дъга) и хлорметани ([[хлорметан]], [[дихлорометан]], [[хлороформ]] и [[тетрахлорметан]]). Последните се получават чрез реакция на метана с [[хлор]]а. Въпреки това използването на тези химикали намалява. Ацетиленът се заменя с по-евтини заместители, а използването на хлорметаните намалява поради здравословни и екологични проблеми.

== Източници на метан за битови нужди ==
=== Като част от природния газ ===
Основният източник на метан е добивът от геоложки находища, известни като находищата на [[природен газ]]. Обикновено там метанът е смесен с други въглеводородни горива и понякога придружен с хелий и азот. Метанът също се произвежда в значителни количества от гниещи органични отпадъци в депа за битови отпадъци.

=== Алтернативни източници ===
Отделно от газовите находища, алтернативен метод за получаване на метан е чрез производство на биогаз, генериран от ферментация на органични вещества, включително животински тор, утайки от отпадъчни води, твърди битови отпадъци или други [[Биоразградими отпадъци|биоразградими]] суровини при анаеробни условия. Метановите хидрати/[[клатрати]] или [[газохидрат]]и (ледена комбинация от метан и вода на дъното на морето, открити в големи количества), са потенциален бъдещ източник на метан.

Промишлено метан може да бъде произведен от въглероден диоксид и водород или въглероден оксид и водород чрез химични реакции по метода на Сабатиер или на Фишер-Тропс (макар че Фишер-Тропс обикновено се използва за производството на по-дълги въглеводородни вериги от тази на метана).

== Метан извън Земята ==
Метан е открит или се смята, че съществува на няколко места в Слънчевата система. В повечето случаи се смята, че е бил създаден от абиотични процеси. Възможни изключения са Марс и Титан.
* [[Луна]] – открити са следи от изпускане на повърхността;
* [[Марс (планета)|Марс]] – атмосферата съдържа 10 ppb метан. През януари 2009 г. е обявено, че учени са открили, че планетата изпуска метан в атмосферата в определени области. Това накара някои учени да спекулират, че това може да е знак за биологична активност под повърхността;
* [[Юпитер (планета)|Юпитер]] – атмосферата му съдържа около 0,3% метан;
* [[Сатурн (планета)|Сатурн]] – атмосферата съдържа около 0,4% метан;
** [[Япет (спътник)|Япет]]
** [[Титан (спътник)|Титан]] – атмосферата му съдържа 1,6% метан. На повърхността му има хиляди метанови езера и течащи реки. В горните слоеве на атмосферата метанът се превръща в по-сложни молекули, включително и ацетилен. Това е процес, при който се произвежда и молекулярен водород. Има данни, че ацетиленът и водородът се превръщат в метан в близост до повърхността. Това предполага наличието или на екзотичен катализатор, или на непозната форма на метаногенен живот;
** [[Енцелад (спътник)|Енцелад]] – атмосферата съдържа 1,7% метан;
* [[Уран (планета)|Уран]] – атмосферата съдържа 2,3% метан;
** [[Ариел (спътник)|Ариел]] – метан се смята за съставна част на повърхностния лед на Ариел;
** [[Миранда (спътник)|Миранда]]
** [[Оберон (спътник)|Оберон]] – около 20% от повърхностния лед на Оберон е съставен от метан, свързан с въглерод/азотни съединения;
** [[Титания (спътник)|Титания]] – около 20% от повърхностния лед на Титания се състои от метан, свързан с органични съединения;
** [[Умбриел (спътник)|Умбриел]] – метан е основен елемент в повърхностния лед на Умбриел;
* [[Нептун (планета)|Нептун]] – атмосферата съдържа 1,6% метан;
** [[Тритон (спътник)|Тритон]] – Тритон има разредена атмосфера от азот с малки количества метан в близост до повърхността;
* [[Плутон (планета джудже)|Плутон]] – спектроскопски анализ на повърхността на Плутон показва, че тя съдържа следи от метан. През 2015 г. сондата [[Нови хоризонти]] заснема ледени полета от замръзнал метан на повърхността;
** [[Харон (спътник)|Харон]] – смята се, че метанът присъства на Харон, но това не е напълно потвърдено;
* [[Ерида (планета джудже)|Ерида]] – инфрачервена светлина от обекта подсказва за наличие на лед от метан;
* [[Халеевата комета]]
* [[Хякутаке (комета)|Комета Хиакутаке]] – наземните наблюдения показват наличие на етан и метан в кометата;
* Извънслънчева планетата [[HD 189733b]] – Това е първото откриване на органично съединение на планета извън Слънчевата система. Произходът е неизвестен, тъй като високата температура на планетата (700&nbsp;°C) обикновено благоприятства за образуването на въглероден окис вместо метан;
* [[Междузвезден облак|Междузвездни облаци]]

== Източници ==
<references />

[[Категория:Алкани| ]]
[[Категория:Парникови газове]]