В последнее время довольно много программ передач на телевидении и статей в интернете посвящено теме глобального потепления на Земле. Ученые связывают этот факт с двумя парниковыми газами: диоксидом углерода и метаном. О характеристиках первого соединения в большей или меньшей степени знает каждый человек. Свойства молекулы метана рассматривают в общем курсе химии.
Самый простой в ряду алканов
Именно так следует охарактеризовать молекулу метана. Состоит она всего из пяти атомов:
- один — углерод C;
- четыре — водорода H.
Атом углерода имеет на внешнем электронном уровне четыре неспаренных электрона. Конфигурация внешних электронных оболочек для него записывается в виде символов 2s2 2p2. Здесь цифры перед латинскими буквами говорят о периоде, в котором расположен элемент в периодической системе Менделеева. Числа после букв s и p указывают на количество электронов, находящихся на соответствующих энергетических оболочках. Из этой конфигурации видно, что валентность углерода равна IV, то есть ему необходимы 4 дополнительных электрона, чтобы достроить оболочки и получить энергетически более стабильную конфигурацию.
Водород H — это самый простой элемент в периодической таблице. Он состоит всего из одного протона и электрона (существуют изотопы водорода, содержащие также нейтроны в ядре, например, дейтерий и тритий). Поэтому электронная конфигурация для него записывается просто 1s1.
Атом водорода имеет валентность I.
Легко догадаться, что углероду C необходимо четыре H, чтобы образовать стабильное молекулярное соединение CH4.
Геометрия строения и ковалентная связь
Молекула CH4 имеет не произвольное, а вполне конкретное геометрическое строение. В пространстве она представляет собой объемную фигуру тетраэдр. В геометрии она называется правильной треугольной пирамидой. Ее вершины образованы атомами водорода, каждый из которых соединен с углеродом, расположенным в центре тетраэдра. Центральный угол, образованный связями H-C-H, составляет 109,5 градуса. Это геометрическое строение обеспечивает физическую прочность молекулы.
Ее химическая стабильность связана с ковалентными неполярными связями C-H, длина которых составляет приблизительно 1,1 ангстрема. Следует отметить, что электроотрицательность (сродство к электрону) у атома C больше, чем у H. Однако четыре атома водорода совместно нивелируют эту разницу таким образом, что полярность связи C-H практически равна нулю. Ее прочность приводит к тому, что для вступления молекулы в химическую реакцию необходимо затратить относительно высокую энергию активации. Среди всех простых углеводородов в ряду алканов метан обладает самой сильной химической связью.
Физические характеристики
Многие знают, какой природный газ в домах используют для приготовления пищи. Он на 90% представляет собой метан. Поэтому можно ошибочно полагать, что для него характерен острый запах. Этот факт является неверным, поскольку рассматриваемый газ не имеет ни цвета, ни запаха. Поскольку его утечка может быть опасна для жизни, к молекулам CH4 добавляют другие вещества, чтобы можно было вовремя заметить открытую газовую конфорку.
При нормальных условиях для него характерно газообразное агрегатное состояние. При температуре ниже -183 C он образует твердое вещество. Кипение метана происходит уже при -161 C. Обе температуры фазовых переходов можно значительно увеличить, если рассматривать соединение при высоких давлениях.
Плотность рассматриваемого вещества является маленькой, а учитывая тот факт, что его молярная масса почти в два раза меньше, чем у воздуха (16 г/моль против 29 г/моль), он легко вытесняет все его компоненты из ограниченного объема. Метан стремится занять верхние объемы помещения в случае его утечки.
Этот газ относится к одним из самых легковоспламеняющихся и взрывоопасных. Если в воздушной смеси находится 5−15 объемных процентов метана, то достаточно незначительной искры, которая приведет к взрыву. Самовозгорание газа происходит, если его нагреть до температуры выше 537 C.
Химические свойства
Поскольку химическая связь молекулы CH4 является достаточно прочной, необходимо для ее вступления в реакцию затратить некоторую энергию активации. Этот порог может быть снижен благодаря использованию различных катализаторов.
Основной реакцией метана, которая характеризует его химические свойства, является взаимодействие с кислородом. В упрощенном виде ее записывают так:
CH4 + 2*O2 = CO2 + 2*H2O.
В действительности же ее протекание связано с рядом этапов:
- Образование формальдегида HСHO.
- Образование угарного газа CO и выделение водорода H2 из формальдегида.
- Горение водорода с выделением большого количества теплоты и образованием водяного пара.
- Окисление угарного газа до углекислого CO2, которое также сопровождается выделением энергии.
Все эти этапы горения молекулы метана происходят в течение нескольких миллисекунд.
Еще одним видом типичных реакций с метаном является взаимодействие с сильными окислителями галогенами. Например, с хлором происходит следующая реакция:
CH4 + Cl2 = CH3Cl + HCl.
В результате ее образуется хлорметан и пары соляной кислоты. Подобные реакции можно написать для фтора, брома и йода.
В химической индустрии метан часто применяют для получения таких веществ, как чистый водород, метанол или спирт муравьиной кислоты, уксусная кислота и некоторые другие органические соединения. Во всех этих случаях сначала готовят реакционную смесь, состоящую из двух активных газов: угарного и водорода. Получается она, если в присутствии никеля нагреть до температуры 700−1100 C пары воды с метаном: CH4 + H2O = CO + 3*H2.
Основные источники на Земле
Существует несколько основных источников CH4 на нашей планете. Среди них важное значение имеют следующие:
- Углеводородное горючее. Добыча нефти и природного газа приводит к постоянной утечке метана. В процессе любых манипуляций с бензином, дизельным топливом и другими продуктами перегонки нефти происходит выделение рассматриваемого газа.
- В процессе кислородного горения биомассы (пожары в тропических лесах и саванне).
- Животноводство. Оно является одним из главных источников выделения метана, которое обусловлено деятельностью человека. Во-первых, в процессе переваривания растительной пищи в пищеварительной системе крупного и мелкого рогатого скота происходит так называемый процесс ферментации, сопровождаемый образованием большого количества CH4. Во-вторых, экскременты животных в процессе бескислородного разложения также приводят к освобождению метана. В некоторых хозяйствах этот способ используется для его получения в качестве последующего применения как источника энергии.
- Болота. Это еще один источник природного газа, который образуется в результате гниения органики. Некоторые ученые считают, что с момента появления агрокультуры и возделывания человеком земли увеличилось количество метана в атмосфере. Связано это с тем, что люди начали менять русла рек, строить плотины и каналы с целью полива и орошения своих посевов. Эта антропогенная деятельность активировала процессы бескислородного гниения органических соединений.
- Любые органические выбросы, связанные с деятельностью человека. Остатки пищи, бумага, листья, корм для скота — все эти вещества в процессе своего анаэробного разложения выделяют большие количества метана.
По общим оценкам, приблизительно 60% всего метана, который попадает в атмосферу планеты, связано с антропогенной деятельностью.
Парниковый газ
Некоторые газообразные вещества, попадая в земную атмосферу, создают парниковый эффект. Они пропускают через себя солнечный свет, но не позволяют планете остывать, задерживая идущее от нее инфракрасное излучение. Одними из самых сильных парниковых газов являются диоксид углерода и метан. Установлено, что второй обладает в 23 раза более сильным парниковым эффектом, чем первый. Другими словами, если произойдет одинаковое количество выброса CO2 и CH4, то через 100 лет от метана планета нагреется в 23 раза больше, чем от CO2. В настоящее время в атмосфере углекислого газа содержится в 220 раз больше, чем CH4.
Несмотря на небольшое содержание метана в воздухе, для него характерна еще одна неблагоприятная в плане парникового эффекта особенность. В короткие периоды времени (порядка 10 лет) его способность задерживать тепло от поверхности планеты является ярко выраженной и характеризуется величиной 63 вместо 23.
В последние столетия из-за быстрого развития различных отраслей хозяйства и промышленности концентрация метана в воздухе значительно увеличилась (на 150% в период с 1750 по 1998 год). В последние два десятилетия эта цифра возросла в 1000 раз! Так, в 1998 году существовало всего 1,7 молекул метана на один миллиард молекул воздуха, в 2018 году этот показатель уже составил 1858.
Вблизи поверхности планеты метан распределен неравномерно. Его локальные концентрации особенно высоки в областях северного полушария.
Наступившее глобальное потепление может привести к выделению гигантских количеств этого газа из естественных экосистем, расположенных на дне океанов, что приведет к усугублению ситуации с климатом в мире.
Таким образом, молекула метана является самой простой в ряду алканов, ее структурное строение представляет собой тетраэдр. В виде газа CH4 является взрывоопасным и легко воспламеняющимся. В последнее время разрабатываются новые технологии, которые призваны сократить количество выбрасываемого в воздух метана из-за его сильного парникового эффекта.
