Кто открыл метан. Молекулярная и структурная формула метана

Метан – это простейший представитель предельных углеводородов. Он хорошо горит с выделением большого количества тепла, поэтому широко используется промышленностью.

Как получить метан в промышленности

Метан входит в состав природного газа и газа, сопутствующего нефтяным месторождениям. Поэтому промышленность получает метан из этих газов.

Как получить метан в домашних условиях

Метан имеет и другое название – болотный газ. Для того чтобы получить его в домашних условиях следует взять немного почвы со дна болота и поместить ее в банку, залив сверху водой. Банку плотно укупоривают и помещают в темное и теплое место. Через несколько дней можно будет заметить появление на поверхности воды мелких пузырьков газа. Образующийся метан можно отвести из банки через газоотводящую трубочку.

Как получить метан в лабораторных условиях

Получить метан в условиях лаборатории можно несколькими способами:

Пропускание смеси сероводорода и сероуглерода через трубку, на дне которой расположена раскаленная медь: CS 2 + 2H 2 S + 8Cu = CH 4 + Cu 2 S. Это был самый первый способ получения метана. Позже было выяснено, что получить метан можно при нагревании смеси водорода и углерода в присутствии никелевого катализатора до 475 градусов. Без использования катализатора нагревать смесь приходится до 1200 градусов. С + 2H 2 = CH 4
В настоящее время метан получают нагреванием смеси гидроксида натрия и ацетата натрия: СН 3 СООNa + NaOH = Na 2 CO 3 + CH 4 .
Получить чистый метан можно при реакции карбида алюминия и воды: Al 4 C 3 + 12H 2 O = 4 Al(OH) 3 + 3CH 4
Синтез метана может вестись и на основе соединения водорода и угарного газа: CO + 3H 2 = CH 4 + H 2 O

Как из метана получить ацетилен

Получить ацетилен из метана можно в результате нагревания последнего до температуры в полторы тысячи градусов:

2 CH 4 >C 2 H 2 + H 2

Как получить из метана метанол

Чтобы получить из метана метанол следует провести несколько химических реакций. Сначала происходит реакция между хлором и метаном. Эта реакция протекает только на свету, т.к. запускается она фотонами света. В ходе этой реакции образуется трихлорметан и соляная кислота: CH 4 + Cl 2 > CH 3 Cl + HCl. Затем проводят реакцию между полученным трихлорметаном и водным раствором гидроксида натрия. В результате этого получается метанол и хлорид натрия: CH 3 Cl + NaOH > NaCl + CH 3 OH

Как из метана получить анилин

Получить анилин из метана, возможно проделав только целую цепочку реакций, которая схематически выглядит так: CH 4 > C 2 H 2 > C 6 H 6 > C 6 H 5 NO 2 > C 6 H 5 NH 2 .

Сначала производят нагревание метана до 1500 градусов, в результате чего образуется ацетилен. Затем из ацетилена получают бензол, используя для этого реакцию Зелинского. Для этого через нагретую до 600 градусов трубку, наполовину заполненную активированным углем, пропускают ацетилен: 3С 2 H 2 =C 6 H 6

Из бензола получают нитробензол: С 6 H 6 + HNO 3 = C 6 H 5 NO 2 + Н 2 О, который представляет собой исходное сырье для получения анилина. Этот процесс идет по реакции Зинина:

С 6 H 5 NO 2 + 3(NH 4) 2 S = C 6 H 5 NH 2 + 6NH 3 + 3S + 2H 2 O.

Метан – это газ, имеющий органическую природу, лишенный запаха и цвета. CH 4 – такова его химическая формула, а масса вещества меньше, чем масса воздуха. Растворение в воде протекает медленно. Говоря об органической природе метана, имеется в виду, что почти 95% случаев его появления носят естественную природу. К примеру, он выделяется при разложении остатков растений. Поэтому неудивительно, что многие его характеристики были изучены еще до Новой Эры, когда люди наблюдали пузырьки воздуха на поверхности стоячих водоемов. Данные пузырьки были именно метаном, выделяющимся в процессе гниения растений на дне болота.

Среди прочих естественных источников газа можно выделить:

Домашний скот. Бактерии, живущие в их желудках, выделяют метан в процессе жизнедеятельности, причем его доля приходится на 20% всего атмосферного газа.
Растения. Метан – неотъемлемое вещество, выделяющееся в процессе фотосинтеза.
Насекомые. Наиболее активно выделяют метан термиты.
Шахты. Под земной поверхностью постоянно происходит медленное разложение каменного угля, в процессе чего образуется метан.
Нефтяные скважины. В нефти содержание этого газа просто огромно.
Вулканы. Вероятно, там метан также образуется из-за того, что активно разлагаются доисторические органические материи.
Океан. Глубоко под водой находятся трещины, через которые может сочиться метан.
Горение лесных массивов.
Промышленность. Несмотря на кажущуюся активность этих предприятий, их доля выбросов в общей массе мизерна.

Все перечисленные примеры наглядно подтверждают тот факт, что метан постоянно был в атмосфере, его появление не связано с началом активной деятельности человека. Именно поэтому присутствие метана на планете – это признак того, что на ней может быть жизнь или она была там когда-то.

Тем не менее, «натуральность» данного газа не говорит о том, что он не несет нам никакого вреда. Его пары, особенно при повышенной концентрации, вполне способны привести к смерти человека. На первых этапах развития горнодобывающей промышленности часто фиксировались взрывы или сильнейшие отравления шахтеров метаном. Если следить за информацией в СМИ, то эти события имеют место и в современном мире. Чтобы свести к минимуму вероятность метанового отравления, необходимо при первых его признаках оформить заказ на профессиональный анализ воздуха в помещении, при помощи которого удастся точно определить концентрацию.

Метан в современном мире

Газ широко используется в современном мире:

Двигатели внутреннего сгорания достаточно часто функционируют на метане.
Газ дает возможность производить многие медикаменты, среди которых антисептики и снотворные препараты.
Метан – это основа формальдегида и метанола, при помощи которых делаются удобрения и многие иные вещества.
Без метана невозможно сделать огнетушители и растворители.
Синильная кислота – не просто яд, она находит и широкое практическое применение, а процесс ее производства основан на окислении метановой и аммиачной смеси.

Метан и его опасность для человеческого организма

Опасность метана кроется в следующих факторах:

Взрывоопасность. Именно это свойство дало ему название «гремучего газа». Скопление метана, мельчайшая искорка – все это способно привести к разрушительному взрыву. Именно поэтому в местах, где фиксируются скопления или выбросы этого газа, нельзя курить, использовать открытые источники пламени. Но порой даже этих мер безопасности не хватает, газ продолжает забирать человеческие жизни.
Нами уже было упомянуто свойство, согласно которому метан может накапливаться в шахтах. В основном его можно найти в пустотах между крупными пластами пород, а также пустотах, созданных шахтерами в процессе добычи. Чем активнее добыча – тем интенсивнее выбросы метана, а потому именно работник шахт чаще всего гибнут от этого газа.
Взрывы – это еще не вся опасность, метан может вызывать и сильнейшие отравления. Вдыхание больших его объемов приводит к недостатку кислорода в крови, «звону» в ушах, ощущению «чугунной» головы. Повышение концентрации заставляет сердце биться чаще, человек чувствует общую слабость, страдает от тошноты, кожные покровы могут покраснеть. Самые серьезные последствия – это обмороки, бледность, конвульсии и даже летальные исходы.
К сожалению, в чистом виде метан не пахнет, а потому обнаружить его трудно. «Метановый» аромат, который мы можем чувствовать, — это заслуга специальных отдушек, делающих его применение более безопасным и контролируемым.
В шахтах, конечно, никакие отдушки к метану не добавляются. Еще с древних времен люди пользуются специальными способами, позволяющими зафиксировать его присутствие в воздухе. Первые шахтеры, к примеру, брали с собой канарейку. Если птичка переставала петь или даже умирала, то необходимо срочно удалиться из забоя.
В 50-х годах минувшего века начали пользоваться особыми приборами, позволяющими точно установить процент метана в воздушной смеси. Тем не менее, опытные работники говорили, что канарейка – способ даже лучший, чем новомодные приборы. Конечно, современные устройства более чувствительны и компактны, порой они монтируются непосредственно в каски шахтеров, как и лампы. В шахтах обязательно установлены и стационарные датчики, постоянно передающие сведения специалистам. Опасные повышения заставляют немедленно отключать электричество и эвакуировать персонал. Сейчас также используются и специальные установки, способные локализовать детонации угольной пыли на самых ранних этапах. Перед тем, как начинается рабочая смена, количество метана в шахте снижается до предельно безопасных отметок.

Получается, что опасность метана для человека исходит сразу с двух сторон. Склонность к детонациям, отравляющий эффект, отсутствие запаха и цвета – все это делает «гремучий газ» невероятно опасным. Чтобы не столкнуться с его самыми худшими сторонами, стоит заранее заказать экологическую экспертизу, способную установить уровень метановой концентрации в воздухе.

Молекулярная, структурная и электронная формула метана составляются на основе теории строения органических веществ Бутлерова. Прежде чем приступать к написанию таких формул, начнем с краткой характеристики данного углеводорода.

Особенности метана

Данное вещество является взрывоопасным, его еще именуют «болотным» газом. Специфический запах этого предельного углеводорода известен всем. В процессе сгорания от него не остается химических компонентов, оказывающих негативное воздействие на организм человека. Именно метан является активным участником образования парникового эффекта.

Физические свойства

Первый представитель гомологического ряда алканов был обнаружен учеными в атмосфере Титана и Марса. Учитывая тот факт, что метан связан с существованием живых организмов, появилась гипотеза о существовании жизни на этих планетах. На Сатурне, Юпитере, Нептуне, Уране, метан появился в качестве продукта химической переработки веществ неорганического происхождения. На поверхности нашей планеты его содержание незначительное.

Общая характеристика

Метан не имеет цвета, он легче воздуха почти в два раза, плохо растворяется в воде. В составе природного газа его количество достигает 98 процентов. В содержится от 30 до 90 процентов метана. В большей степени метан имеет биологическое происхождение.

Копытные травоядные козы и коровы испускают при переработке в желудках бактерий довольно существенное количество метана. Среди важных источников гомологического ряда алканов выделим болота, термитов, фильтрацию естественного газа, процесс фотосинтеза растений. При обнаружении на планете следов метана, можно говорить о существовании на ней биологической жизни.

Способы получения

Развернутая структурная формула метана является подтверждением того, что в его молекуле только насыщенные одинарные связи, образованные гибридными облаками. Среди лабораторных вариантов получения данного углеводорода отметим сплавление ацетата натрия с твердой щелочью, а также взаимодействие карбида алюминия с водой.

Горит метан голубоватым пламенем, выделяя при этом порядка 39 МДж на кубический метр. Взрывоопасные смеси данное вещество образует с воздухом. Наиболее опасен метан, который выделяется во время проведения подземных разработок месторождений полезных ископаемых в горных шахтах. Высок риск взрыва метана и на обогатительных угольных и брикетных фабриках, а также на сортировочных производствах.

Физиологическое действие

Если процентное содержание метана в воздухе составляет от 5 до 16 процентов, при попадании кислорода возможно воспламенение метана. В случае существенного возрастания в смеси данного химического вещества повышается вероятность взрыва.

Если в воздухе концентрация данного алкана составляет 43 процента, он является причиной удушья.

При взрыве скорость распространения составляет от 500 до 700 метров в секунду. После того как метан контактирует с источником тепла, процесс воспламенения алкана происходит с некоторым запаздыванием.

Именно на этом свойстве базируется производство взрывобезопасного электрического оборудования и предохранительных взрывчатых компонентов.

Так как именно метан является самым термически устойчивым он имеет широкое применение в виде промышленного и бытового топлива, а также используется в качестве ценного сырья для химического синтеза. Структурная формула три-этил-метана характеризует особенности строения представителей данного класса углеводородов.

В процессе его химического взаимодействия с хлором при воздействии ультрафиолетового облучения возможно образование нескольких продуктов реакции. В зависимости от количества исходного вещества, можно в ходе замещения получить хлорметан, хлороформ, четыреххлористый углерод.

В случае неполного сгорания метана образуется сажа. В случае каталитического окисления образуется формальдегид. Конечным продуктом взаимодействия с серой является сероуглерод.

Особенности структуры метана

Какова его структурная формула? Метан относится к предельным углеводородам, имеющим общую формулу С n Н 2n+2 . Рассмотрим особенности образования молекулы, чтобы пояснить, как образуется структурная формула.

Метан состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, связанных между собой ковалентной полярной химической связью. Поясним на основе строения атома углерода структурные формулы.

Вид гибридизации

Пространственное строение метана характеризуется тетраэдрической структурой. Так как на внешнем уровне у углерода четыре валентных электрона, при нагревании атома происходит переход электрона со второй s-орбитали на p. В итоге на последнем энергетическом уровне у углерода располагается четыре неспаренных («свободных») электрона. Полная структурная формула метана основывается на том, что происходит образование четырех гибридных облаков, которые ориентируются в пространстве под углом 109 градусов 28 минут, формируя структуру тетраэдра. Далее происходит перекрывание вершин гибридных облаков с негибридными облаками атомов водорода.

Полная и сокращенная структурная формула метана в полной мере отвечает теории Бутлерова. Между углеродом и водородами образуется простая (одинарная) связь, поэтому для данного химического вещества не характерны реакции присоединения.

Ниже представлена конечная структурная формула. Метан - это первый представитель класса насыщенных углеводородов, он обладает типичными свойствами предельного алкана. Структурная и электронная формула метана подтверждают тип гибридизации атома углерода в данном органическом веществе.

Из школьного курса химии

Данный класс углеводородов, представителем которого является «болотный газ», изучается в курсе 10 класса средней школы. Например, ребятам предлагается задание следующего характера: «Напишите структурные формулы метана». Необходимо понимать, что для этого вещества можно расписать по теории Бутлерова только развернутую структурную конфигурацию.

Его сокращенная формула будет совпадать с молекулярной, записываться в виде СН4. По новым федеральным образовательным стандартам, которые введены в связи с реорганизацией российского образования, в базовом курсе химии все вопросы, касающиеся характеристики классов органических веществ, разбираются обзорно.

Промышленный синтез

На основе метана были разработаны промышленные способы такого важного химического компонента, как ацетилен. Основой термического и электрического крекинга стала именно его структурная формула. Метан при каталитическом окислении с аммиаком образует синильную кислоту.

Применяют данное органическое вещество для производства синтез-газа. При взаимодействии с водяным паром получается смесь угарного газа и водорода, являющаяся сырьем для производства предельных карбонильных соединений.

Особое значение имеет взаимодействие с азотной кислотой, в результате получается нитрометан.

Применение в виде автомобильного топлива

В связи с нехваткой природных источников углеводородов, а также оскудением сырьевой базы, особую актуальность приобретает вопрос, связанный с поиском новых (альтернативных) источников для получения топлива. Одним из таких вариантов является в составе которого есть и метан.

Учитывая разницу в плотности между бензиновым топливом и первым представителем класса алканов, существуют определенные особенности применения его в качестве источника энергии для автомобильных двигателей. Для того чтобы не было необходимости перевозить с собой огромное количества метана, путем сжатия его плотность увеличивают (при давлении порядка 250 атмосфер). Хранят метан в сжиженном состоянии в баллонах, устанавливаемых в автомобилях.

Воздействие на атмосферу

Выше уже шла речь о том, что метан оказывает воздействие на парниковый эффект. Если степень действия оксида углерода (4) на климат берется условно за единицу, то в нем доля «болотного газа» составляет 23 единицы. На протяжении двух последних столетий ученые наблюдают повышение количественного содержания метана в земной атмосфере.

На данный момент примерное количество СН 4 оценивается в 1,8 части на миллион. Несмотря на то что данный показатель в 200 раз меньше, чем наличие углекислого газа, идет разговор между учеными о возможном риске удержания тепла, излучаемого планетой.

В связи с отличной теплотворной способностью «болотного газа», его применяют не только в качестве исходного сырья при осуществлении химического синтеза, но и в качестве источника энергии.

Например, на метане функционируют разнообразные газовые котлы, колонки, предназначенные для индивидуальной отопительной системы в частных домах и загородных коттеджах.

Такой автономный вариант отопления весьма выгоден для собственников жилья, не связан с авариями, систематически происходящими на централизованных отопительных системах. Благодаря газовому котлу, функционирующему на данном виде топлива, достаточно 15-20 минут для того, чтобы полностью обогреть двухэтажный коттедж.

Заключение

Метан, структурные и молекулярные формулы которого были приведены выше, является природным источником энергии. Благодаря тому, что в его составе есть только атом углерода и атомы водорода, экологи признают экологическую безопасность данного насыщенного углеводорода.

При стандартных условиях (температуре воздуха 20 градусов по Цельсию, давлении 101325 Па) это вещество является газообразным, нетоксичным, нерастворимым в воде.

В случае понижения температуры воздуха до -161 градуса, происходит сжатие метана, что широко применяют в промышленности.

Метан оказывает воздействие на здоровье человека. Он не является отравляющим веществом, но считается удушающим газом. Существуют даже предельные нормы (ПДК) по содержанию данного химического вещества в атмосфере.

Например, работы в шахтах разрешены только в тех случаях, когда его количество не превышает на метр кубический 300 миллиграммов. Анализируя особенности строения данного органического вещества, можно сделать вывод о его сходстве по химическим и физическим свойствам со всеми другими представителями класса насыщенных (предельных) углеводородов.

Мы проанализировали структурные формулы, пространственное строение метана. который начинает "болотный газ", имеет общую молекулярную формулу С n Н 2n+2 .

Химические свойства метана ничем не отличаются от свойств, присущих всем . В школьном курсе химии метан изучают одним из первых веществ органики, так как он является одним из простейших представителей алканов.

Формула метана и способы его получения

Метан в больших количествах содержится в атмосфере. Мы не обращаем внимания на нахождение этого газа в воздухе, ведь на нашем организме это никак не отражается, а вот канарейки очень чувствительны к метану.

Когда-то они даже помогали шахтерам спускаться под землю. Когда процентное содержание метана изменялась, птицы переставали петь. Это служило сигналом для человека, что он спустился слишком глубоко и нужно подниматься наверх.

Образуется метан в результате распада остатков живых организмов. Не случайно с английского methane переводится, как болотный газ, ведь он может быть обнаружен в заболоченных водоемах и каменноугольных шахтах.

Основным источником газа в агропромышленном комплексе является рогатый скот. Да, метан они выводят из организма вместе с остальными продуктами жизнедеятельности. Кстати, увеличение числа рогатого скота на планете может привести к разрушению озонового слоя, ведь метан с кислородом образуют взрывоопасную смесь.

Метан в промышленности можно получить с помощью нагревания углерода и водорода или синтеза водяного газа, все реакции протекают в присутствии катализатора, чаще всего никеля.

В США разработана целая система по добыче метана, она способна извлечь до 80% газа из природного угля. На сегодняшний день мировые запасы метана оцениваются экспертами в 260 триллионов метров кубических! Даже запасы природного газа значительно меньше.

В лаборатории метан получают путем взаимодействия карбида алюминия (неорганическое соединение алюминия с углеродом) и воды. Также с помощью , вступающего в реакцию с ацетатом натрия, более известного как пищевая добавка Е262.

Физические свойства метана

Характеристика:

Бесцветный газ, без запаха.
Взрывоопасен.
Нерастворим в воде.
Температура кипения: -162 o C, замерзания: -183°C.
Молярная масса: 16,044 г/моль.
Плотность: 0,656 кг/м³.

Химические свойства метана

Говоря о химических свойствах, выделяют те реакции, в которые вступает метан. Ниже они приведены вместе с формулами.

Горение метана

Как все органические вещества, метан горит. Можно заметить, что при горении образуется голубоватое пламя.

СН 4 + 2O 2 → СO 2 + 2Н 2 O

Называется такая реакция – реакцией горения или полного окисления.

Замещение

Метан также реагирует с галогенами. Это химические элементы 17 группы в периодической таблице Менделеева. К ним относятся: фтор, хлор, бром, йод и астат. Реакция с галогенами называется – реакцией замещения или галогенирования. Такая реакция проходит только в присутствии света.

Хлорирование и бромирование

Если в качестве галогена используется хлор, то реакция будет называться – реакцией хлорирования. Если в качестве галогена выступает бром, то – бромирование, и так далее.

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + НСl

CH 4 + Br 2 → CH 3 Br + НBr

Хлорирование. Низшие алканы могут прохлорировать полностью.

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + НСl

CH 3 Cl + Cl 2 → CH 2 Сl 2 + НСl

CH 2 Сl 2 + Cl 2 → CHCl 3 + НСl

CHCl 3 + Cl 2 → CСl 4 + НСl

Точно так же метан может полностью вступать в реакцию бромирования.

CH 4 + Br 2 → CH 3 Br + Н Br

CH 3 Br + Br 2 → CH 2 Br 2 + НBr

CH 2 Br 2 + Br 2 → CHBr 3 + НBr

CHBr 3 + Br 2 → CBr 4 + НBr

С йодом такой реакции уже нет, а с фтором наоборот сопровождается быстрым взрывом.

Разложение

Так же этому углеводороду свойственна реакция разложения. Полное разложение:

СН 4 → С + 2H₂

И неполное разложение:

2СН 4 → С 2 Н 2 + 3Н 2

Реакция с кислотами

Метан реагирует с концентрированной серной кислотой. Реакция носит название сульфирования и происходит при небольшом нагревании.

2СН 4 + Н 2 SО 4 → СН 3 SО 3 Н + Н 2 О

Окисление

Как уже было сказано, СH 4 может полностью окисляться, но при недостатке кислорода возможно неполное окисление.

2СН 4 + 3O 2 → 2CO + 4Н 2 O

СН 4 + О 2 → С + 2Н 2 O

Помимо прочего для этого газа характерно каталитическое окисление. Оно происходит в присутствии катализатора. При разном соотношении моль вещества получаются разные конечные продукты реакции. В основном это:

спирты: 2СН 4 + O 2 → 2СO 3 OН
альдегиды: СН 4 + O 2 → НСОН + Н 2 O
: 2СН 4 + 3O 2 → 2НСОOН + 2Н 2 O

Реакция протекает при температуре 1500°C. Данная реакция также носит название – крекинг – термическое разложение.

Нитрование метана

Существует также реакция нитрования или реакция Коновалова, названная в честь ученого, который доказал, что с предельными углеводородами действует разбавленная азотная кислота. Продукты реакции получили название – нитросоединения.

CH 4 + НNО 3 → СН 3 NO 2 + H 2 O

Реакция проводится при температуре 140-150°C.

Дегидрирование метана

Кроме того, для метана характерна реакция дегидрирования (разложения) – отцепление атомов водорода и получения ацетилена, в данном случае.

2CН 4 → C 2 H 2 + 3Н 2

Применение метана

Метан, как и остальные предельные углеводороды, широко используется в повседневной жизни. Его применяют в производстве бензина, авиационного и дизельного топлива.

Используют в качестве базы для получения различного органического сырья на предприятиях. Также метан широко используется в медицине и косметологии.

Метан применяют для получения синтетического каучука, красок и шин.

Атлеты используют так называемый жидкий метан для быстрого набора массы за короткий промежуток времени.

А при хлорировании метана образуется вещество, которое в дальнейшем используется для обезжиривания поверхностей или как компонент в средствах для снятия лака. Некоторое время продукт взаимодействия метана и хлора использовали в качестве наркоза.