Свойства, ресурсы и области потребления метана

Свойства метана

Метан (химическая формула СН₄) — простейший представитель ряда метановых углеводородов (алканов) с общей формулой С_пН2_п+2, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Строение молекулы метана можно представить в виде тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а по углам — четыре атома водорода. Тетраэдрическое строение молекулы метана обусловлено sp-гибридизацией углеродного атома. Расстояние между атомами углерода и водорода равно 1,09 А, тетраэдрический валентный угол равен 109°. Главное отличие метана от всех других углеводородов — это наличие только связи С-Н, средняя энергия которой составляет 99,3 ккал/моль, и отсутствие углеродных связей С-С. Энергия отрыва первого атома Н еще выше (104,0 ккал/моль). Отношение числа водородных атомов к углероду в метане составляет 4, в этане — 3, в пропане — 2,66, а в высокомолекулярных парафиновых углеводородах приближается к двум, т. е. метан является самым восстановленным из всех углеводородов. Его нахождение в недрах в восстановительной среде так же закономерно, как углекислого газа в окислительных условиях. Исключительное положение метана в земной коре и повсеместное его распространение можно объяснить еще и тем, что по сравнению со всеми остальными углеводородами он обладает минимальным уровнем свободной энергии (—12,14 ккал/моль), минимальными значениями энтальпии (теплосодержания, -17,89 ккал/ моль) и теплоемкости при постоянном давлении (8,536 ккал/моль • град), а также максимумом энтропии (44,50 ед. энтропии). Эти свойства в сочетании с очень низким значением критической температуры (-82,4°С) и высоким значением критического давления (4,58 МПа) (табл. 1.1) ставят метан в особое положение среди остальных углеводородов [1, 2].

Основные физические свойства метана

Метан — бесцветный газ, горит почти бесцветным пламенем. С экологической точки зрения является наиболее чистым ископаемым природным энергоресурсом. Теплота сгорания (11 910 ккал/кг) и температура самовоспламенения (537°С) выше, чем у более тяжелых алканов (этан — 11 300 ккал/кг и 515 °C, пропан — 11 100 ккал/кг и 466 °C соответственно). Не имеет запаха. (Перед пуском в сеть потребителей в него добавляют ничтожную примесь сильнопахнущих газов — сигнализаторов, обычно из группы меркаптанов.) Метан, в отличие от других углеводородных газов, значительно легче воздуха, поэтому в случае утечки в закрытом помещении собирается в его верхней части.

Концентрационные пределы распространения пламени метана в воздухе при атмосферном давлении составляют от 5,0 до 15,0 об.% (табл. 1.2). Хотя нижний предел воспламенения метана остается практически постоянным при увеличении давления, по крайней мере, до 100 атм, область распространения пламени значительно расширяется с ростом давления за счет увеличения верхнего предела [3] (рис. 1.1). Повышение начальной температуры приводит к расширению пределов распространения пламени.

Концентрационные пределы распространении пламени |4| и максимальные скорости распространении пламени |5| в углеводородвоздушных смесях при атмосферном давлении

Примечание. В скобках указано содержание (в %) топлива в воздухе При сгорании газообразных углеводородов в основном образуются углекислый газ, потребляемый зелеными растениями, и вода. Поэтому их сжигание сравнительно мало загрязняет атмосферный воздух, и природный газ является более «чистым» топливом по сравнению с бензином, керосином, соляркой, не говоря уже о каменном и буром угле, горючих сланцах и пр. Метан обладает высокой детонационной стойкостью (октановое число по моторному методу ОЧМ = 110 ед.), что обеспечивает высокую экономичность непосредственного использования его в двигателях внутреннего сгорания.

Рис. 1.1. Влияние давления на пределы распространения пламени в метане (по |3|).

Метан играет важную роль в химии атмосферы и изменении климата Земли. На начало 1990;х годов его относительное содержание в атмосфере составляло 1,7 ppm (абсолютное содержание — 4780 Тг) [6], а в 2016 г. оно достигло 1,8 ppm. Основным антропогенным источником поступления метана в атмосферу является сельское хозяйство. В тропосфере химические реакции с участием метана приводят к образованию озона и гибели гидроксильных радикалов. В стратосфере окисление метана приводит к образованию молекул воды и радикалов ОН, которые замедляют разрушение озона в азотно-окисном цикле с участием хлорных частиц. Вклад метана в парниковый эффект, несмотря на относительно низкую концентрацию в атмосфере, оценивается в 4—9%, что объясняется его высокой эффективностью как газа, вызывающего парниковый эффект, в 25 раз превышающей эффективность С02. Однако время жизни метана в атмосфере (около 10,5 лет [7]) меньше, чем у других парниковых газов антропогенного происхождения: углекислого газа — основного источника парникового эффекта, а также закиси азота и фреонов.

Радиоуглеродный анализ метана из воздушных пузырьков в пробах антарктического льда показал, что увеличение его концентрации в атмосфере началось примерно 400 лет назад [8] и имеет в основном не антропогенную природу. Метан, попадающий в атмосферу, составляет всего около 0,5% от полного кругооборота углерода в природе, хотя примерно половина всего количества углеводородов органического происхождения разлагается до метана анаэробной микрофлорой. Разница обусловлена деятельностью аэробных метанпоглощающих микроорганизмов, располагающихся между анаэробными отложениями, в которых происходит образование метана, и атмосферой [9].