Metan haqida malumot
Metan (CH₄) — eng oddiy to'yingan uglevodorod bo'lib, oddiy sharoitlarda rangsiz, hidsiz gazdir. Suvda kam eriydi va havodan deyarli ikki baravar yengil. Metan zaharli emas, ammo havodagi yuqori konsentratsiyalarda (7000 mg/m³) zaif narkotik ta'sir ko'rsatadi va to'rtinchi darajali toksiklikka ega. Metanning narkotik ta'siri uning suv va qonda kam erishi hamda kimyoviy inertligi bilan kamayadi. Ba'zi ma'lumotlarga ko'ra, metanning havodagi kichik konsentratsiyalarining doimiy ta'siri markaziy nerv tizimiga salbiy ta'sir ko'rsatishi mumkin.
Uy sharoitida foydalanilganda, metanga odatda odorantlar (odatda tiollar) — gazning o'ziga xos hidini beruvchi uchuvchi moddalar qo'shiladi, bu odamga gaz sizib chiqishini o'z vaqtida sezishga yordam beradi. Sanoat korxonalarida sizib chiqishlar detektorlar yordamida aniqlanadi va ko'pgina hollarda laboratoriyalar va sanoat ishlab chiqarishlari uchun metan odorantsiz yetkazib beriladi.
Yopiq joylarda havo bilan aralashgan metan 4,4% dan 17% gacha bo'lgan konsentratsiyalarda portlash xavfiga ega. Havo bilan aralashmadagi eng portlash xavfli konsentratsiya 9,5% ni tashkil etadi. Ko'mir shaxtalarida u ko'mir qatlamlaridan ajralib chiqadi, bu ba'zan portlashlarga olib keladi va oqibatlari halokatli bo'lishi mumkin.
Metan Yer atmosferasidagi issiqxona gazlari orasida uchinchi o'rinda turadi (suv bug'lari va karbonat angidrididan keyin) va uning issiqxona effektiga qo'shgan hissasi 4—9% deb baholanadi.
| Metan | |||
|---|---|---|---|
|
|||
| Umumiy | |||
| Tizimli nomlanishi | metan | ||
| An'anaviy nomlari | metan, shaxta gazi | ||
| Kimyoviy formula | CH4 | ||
| Ratsional formula | CH4 | ||
| Fizik xususiyatlari | |||
| Molyar massa | 16,04 g/mol | ||
| Zichlik |
Gaz (0°C) 0,714 kg/m3 (normal sharoitda)
|
||
| Ionlanish energiyasi | 12,51 eV | ||
| Issiqlik xususiyatlari | |||
| Harorat | |||
| Erish harorati | -182,49°C | ||
| Qaynash harorati | -161,58°C | ||
| Parchalanish harorati | 1000°C dan yuqori | ||
| Chaqnash harorati | 85,1 K, -188°C | ||
| O'z-o'zidan alangalanish harorati | +537,8°C | ||
| Portlash chegaralari | 4,4—17,0 % | ||
| Kritik nuqta | 190,56 K, -82,6°C | ||
| Entalpiya | |||
| Hosil bo‘lish entalpiyasi | -74,87 kJ/mol | ||
Tarixi
1776-yil noyabr oyida italiyalik fizik Alessandro Volta Italiya va Shveytsariya chegarasidagi Lago-Majore ko'li botqoqlarida metanni kashf etdi. U botqoq gazini o'rganishga Benjamin Franklinning "yonuvchi havo" haqidagi maqolasi ilhomlantirdi. Volta botqoq tubidan ajralib chiqayotgan gazni to'plab, 1778-yilda sof metanni ajratib oldi va gazni elektr uchqunidan yoqib ko'rsatdi.
1813-yilda Ser Humphry Davy kon gazini o'rganib, uning metan, azot (N₂) va karbonat angidrid (CO₂) aralashmasi ekanligini ko'rsatdi, ya'ni u botqoq gaziga tarkiban o'xshash edi. Hozirgi "metan" nomini 1866-yilda nemis kimyogari August Vilgelm fon Hofman berdi, bu nom "metanol" so'zidan olingan.
Tabiatda uchrashi
Metan — tabiiy gazning asosiy komponenti (77—99%), neft bilan birga keluvchi gazlarning (31—90%), shuningdek u kon va botqoqlik gazlarining tarkibiy qismidir (shuning uchun metan "botqoqlik gazi" yoki "kon gazi" deb ham ataladi). Anaerob sharoitlarda (botqoqliklar, ortiqcha namlangan tuproqlar, tuyoqli hayvonlar ichagi) ba'zi mikroorganizmlarning hayot faoliyati natijasida biogen yo'l bilan hosil bo'ladi.
Metanning katta zaxiralari dengiz tubida va doimiy muzlik zonasida metangidratlar shaklida to'plangan.
Metan boshqa sayyoralarda, jumladan, Marsda ham aniqlangan bo'lib, bu astrobiologiya sohasidagi tadqiqotlar uchun muhimdir. Hozirgi ma'lumotlarga ko'ra, Quyosh tizimidagi gigant sayyoralarning atmosferalarida sezilarli konsentratsiyalarda metan mavjud. Taxminlarga ko'ra, Titan yuzasida past harorat sharoitida (−180 °C) suyuq metan-etandan iborat butun ko'llar va daryolar mavjud. Sedna yuzasida ham metan muzlarining ulushi katta.
Sanoatda
Metan sanoatda asosan tabiiy gazdan olinadi. Shuningdek, u toshko'mirni kokslash, ko'mirni gidrirlash va uglevodorodlarning gidrogenolizi kabi usullar orqali ham olinadi.
Kelib chiqishiga ko'ra tasnifi
- Abiogen — noorganik birikmalar kimyoviy reaksiyalari natijasida hosil bo'ladi, masalan, metall karbidlarining suv bilan o'zaro ta'siri orqali.
- Biogen — organik moddalar kimyoviy o'zgarishlari natijasida hosil bo'ladi.
- Bakterial (mikrob) — bakteriyalar (mikroorganizmlar) hayot faoliyati natijasida hosil bo'ladi.
- Termogen — termokimyoviy jarayonlar davomida hosil bo'ladi.
Olinishi
Metanni olishning bir qancha usullari mavjud, jumladan sanoat va laboratoriya sharoitlarida, shuningdek, biologik usullar orqali.
Sanoat usullari:
Sabatye reaksiyasi: Bu usulda uglerod dioksidi (CO₂) va vodorod (H₂) yuqori harorat va bosim ostida, nikel katalizatori ishtirokida metan (CH₄) va suv (H₂O) hosil qilish uchun reaksiyaga kirishadi:
CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O
Reaksiya ekzotermik bo'lib, ΔH = −165,0 kJ/mol.
Ko'mirni kokslashtirish: Ko'mirni kokslashtirish jarayonida metan hosil bo'ladi.
Laboratoriya usullari:
Natriy gidroksidi va sirka kislotasi o'zaro ta'siri: Suv yo'qligida natriy gidroksidi (NaOH) va sirka kislotasi (CH₃COOH) o'zaro ta'sirida natriy karbonat (Na₂CO₃), suv va metan hosil bo'ladi:
2NaOH + CH₃COOH → Na₂CO₃ + H₂O + CH₄
Bu reaksiyada suvning yo'qligi muhim, shuning uchun gidroskopikligi kam bo'lgan natriy gidroksidi qo'llaniladi.
Natriy atsetatini natriy gidroksidi bilan eritish: Natriy atsetati (CH₃COONa) va natriy gidroksidi (NaOH) o'zaro ta'sirida metan va natriy karbonat hosil bo'ladi:
CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃
Alyuminiy karbidining gidrolizi: Alyuminiy karbidi (Al₄C₃) suv bilan reaksiyaga kirishib, alyuminiy gidroksidi [Al(OH)₃] va metan hosil qiladi:
Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄
Biologik usul:
Metanni biologik usulda ham olish mumkin, masalan, biogaz ishlab chiqarish jarayonida. Biogaz organik moddalar, masalan, qishloq xo'jaligi chiqindilari yoki maishiy chiqindilarni anaerob (kislorodsiz) sharoitda parchalanishi natijasida hosil bo'ladi. Biogaz tarkibida asosan metan va uglerod dioksidi mavjud bo'lib, u energiya manbai sifatida ishlatilishi mumkin.
Fzik xossalari
Metan (CH₄) xona haroratida va standart bosimda rangsiz, hidsiz gazdir. Tabiiy gazga xavfsizlik chorasi sifatida odoranlar, masalan, tret-butiltiol qo'shiladi, bu esa gaz sizib chiqishini hid orqali aniqlash imkonini beradi.
Asosiy fizik xossalari:
- Erish harorati: −182,5 °C
- Qaynash harorati: −161,49 °C
- Zichligi: −164 °C da 0,42 g/cm³
- Havoga nisbatan zichligi: 0,55
- Suvdagi eruvchanligi: 20 °C da 0,1 kPa bosim ostida 100 birlik suvda 3 birlik metan eriydi.
Yonuvchanlik xossalari:
- Quyi portlash chegarasi (QPV): Havodagi metanning hajmiy konsentratsiyasi 5,3% bo'lganda.
- Yuqori portlash chegarasi (YPV): Havodagi metanning hajmiy konsentratsiyasi 15% bo'lganda.
- O'z-o'zidan alangalanish harorati: 538 °C
Metan havodan yengil bo'lib, suvda kam eriydi. Uning molekulasi tetraedrik tuzilishga ega bo'lib, uglerod atomi sp³ gibridlanish holatida bo'ladi.
Kimyoviy xossalari
Metan (CH₄) — to'yingan uglevodorodlar (alkanlar) gomologik qatorining birinchi a'zosi bo'lib, kimyoviy reaksiyalarga nisbatan eng barqaror hisoblanadi. Boshqa alkanlar kabi, metan ham radikal almashinish reaksiyalariga kirishadi, masalan, galogenlanish, sulfoxlorlash, sulfooksidlash va nitrlash, ammo boshqa alkanlarga nisbatan kamroq reaktivlikka ega.
Metanning asosiy kimyoviy xossalari:
Yonish: Metan havoda och ko'kish alangada yonadi va to'liq yonish natijasida karbonat angidrid (CO₂) va suv (H₂O) hosil qiladi:
CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O + 891 kJ
Bu reaksiya ekzotermik bo'lib, 1 m³ metan yonishida taxminan 33,066 MJ energiya ajraladi.
Galogenlanish: Metan galogenlar bilan erkin radikal mexanizm orqali almashinish reaksiyalariga kirishadi. Masalan, xlor bilan ketma-ket xlorlanish natijasida metilxlorid (CH₃Cl), dixlormetan (CH₂Cl₂), xloroform (CHCl₃) va uglerod tetraklorid (CCl₄) hosil bo'ladi:
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl
CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl
CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl
CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl
Bug'li qayta ishlash (reforma qilish): Metan suv bug'i bilan yuqori haroratda (800-900 °C) va nikel katalizatori ishtirokida sintez gaziga (CO va H₂) aylantiriladi:
CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂
Olingan sintez gazidan metanol, uglevodorodlar, sirka kislotasi va boshqa mahsulotlar sintezida foydalaniladi. Bu usul vodorod olishning asosiy iqtisodiy usullaridan biridir.
Termik parchalanish: 1400 °C dan yuqori haroratda metan parchalanib, atsetilen (C₂H₂) va vodorod (H₂) hosil qiladi:
2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂
Oksidlanish: 150-200 °C harorat va 30-90 atm bosimda metan formik kislotaga oksidlanadi:
CH₄ + 3[O] → HCOOH + H₂O
Metanning bu kimyoviy xossalari uni sanoatda va laboratoriyada turli xil kimyoviy moddalar ishlab chiqarishda muhim xom ashyo sifatida qo'llash imkonini beradi.
Qo‘llanilishi
Metan pechlar, suv isitkichlari, avtomobillar, turbinalar va boshqa qurilmalar uchun yoqilg‘i sifatida ishlatiladi. Uni saqlash uchun faollashtirilgan ko‘mir qo‘llanilishi mumkin.
Metan tabiiy gazning asosiy tarkibiy qismi sifatida gaz turbinalari yoki bug‘ generatorlarida yoqilib, elektr energiyasi ishlab chiqarish uchun ishlatiladi. Boshqa uglevodorod yoqilg‘ilar bilan solishtirganda, metan harorat birligi uchun kamroq karbonat angidrid hosil qiladi. Metanning yonish issiqligi taxminan 891 kJ/mol bo‘lib, boshqa uglevodorodlarga qaraganda pastroqdir. Shunga qaramay, u o‘z massasiga nisbatan (55,7 kJ/g) boshqa organik moddalarga qaraganda ko‘proq issiqlik hosil qiladi, chunki uning tarkibidagi vodorod nisbatan ko‘p bo‘lib, yonish issiqligining taxminan 55 % ini tashkil qiladi, lekin metan molekulyar massasining atigi 25 % ini egallaydi.
Ko‘plab shaharlarga metanni uylarni isitish va ovqat tayyorlash uchun yetkazib beradi. Bunday hollarda, odatda, uni tabiiy gaz deb atashadi, uning energiya sig‘imi 39 MJ/m³ ga teng. Suyultirilgan tabiiy gaz (STG) asosan metandan (CH₄) iborat bo‘lib, uni saqlash va tashish qulayligi uchun suyultiriladi.
Metan transport vositalari uchun yoqilg‘i sifatida faol qo‘llaniladi. Ko‘plab davlatlarda avtobuslar, yuk mashinalari va yengil avtomobillar metan yoqilg‘isida ishlaydi. Rivojlangan mamlakatlarda metan bilan ta’minlovchi keng infratuzilma mavjud bo‘lib, bu ekologik toza yoqilg‘ida ishlovchi avtomobillarning tarqalishiga yordam beradi.
Suyuq metan, suyuq kislorod bilan birgalikda istiqbolli raketa yoqilg‘isi sifatida ko‘rib chiqiladi va RД-0162, BE-4 va Raptor kabi dvigatellarda qo‘llaniladi. Metan kerosin bilan solishtirilganda bir qancha afzalliklarga ega:
- yuqori o‘ziga xos impuls hosil qiladi;
- raketa dvigatellarining ichki qismlarida kamroq yonish mahsulotlarini qoldiradi;
- dvigatel bo‘shliqlarini yoqilg‘i qoldiqlaridan osonroq tozalash imkonini beradi.
Bu esa qayta ishlatiladigan raketalarni loyihalashni soddalashtiradi.
Metan organik sintezda, jumladan, metanol ishlab chiqarishda xomashyo sifatida qo‘llaniladi.
Fiziologik ta'siri
Metan parafinli uglevodorodlarning gomologik qatorida fiziologik jihatdan eng zararsiz gaz hisoblanadi. U organizmga sezilarli ta'sir ko'rsatmaydi va zaharli emas, chunki metan suvda va qon plazmasida kam eriydi hamda parafinlarga xos kimyoviy inertlikka ega. Inson yuqori konsentratsiyadagi metan mavjud bo'lgan havoda faqat kislorod yetishmasligi sababli halok bo'lishi mumkin. Masalan, havoda 25–30% metan bo'lganda, bug'ilishning dastlabki belgilarini sezish mumkin (yurak urishining tezlashishi, nafas hajmining oshishi, nozik mushak harakatlarining muvofiqlashuvi buzilishi va hokazo). Havodagi metanning yuqori konsentratsiyalari insonda kislorod yetishmasligiga olib keladi, bu esa bosh og'rig'i, nafas qisishi kabi balandlik kasalligiga xos simptomlarni keltirib chiqaradi.
Metan havodan yengilroq bo'lgani uchun, yaxshi shamollatiladigan yer osti inshootlarida to'planmaydi. Shuning uchun, metan va havo aralashmasini nafas olish natijasida odamlarning bo'g'ilib qolishi holatlari juda kam uchraydi.
Og'ir bo'g'ilish holatlarida birinchi yordam: jabrlanuvchini zararli atmosferadan olib chiqish. Agar nafas olish yo'q bo'lsa, shifokor kelguniga qadar darhol og'izdan og'izga sun'iy nafas berish. Yurak urishi sezilmasa, bilvosita yurak massaji o'tkazish lozim.
Metanning surunkali ta'siri
Shaxtalarda yoki havoda oz miqdorda metan va boshqa gazsimon parafin uglevodorodlari mavjud bo'lgan ishlab chiqarish korxonalarida ishlaydigan odamlarda vegetativ nerv tizimi faoliyatida sezilarli o'zgarishlar kuzatilgan. Bu o'zgarishlar quyidagilarni o'z ichiga oladi:
- ijobiy ko'z-yurak refleksi;
- atrofinga nisbatan keskin ifodalangan sinama;
- gipotenziya (qon bosimining pasayishi).
Ushbu o'zgarishlar ushbu moddalar juda kuchsiz narkotik ta'sirga ega bo'lganligi sababli yuzaga keladi, bu ta'sir diyetil efirining narkotik ta'siriga o'xshaydi.
Ish joyidagi havoda metanning ruxsat etilgan maksimal kontsentratsiyasi 7000 mg/m³ ni tashkil etadi.
Metan va ekologiya
Metan (CH₄) kuchli parnik effekti gazidir, u issiqlikni uglerod dioksidiga (CO₂) qaraganda ancha samarali ushlab turadi. Agar CO₂ ning iqlimga ta'sir darajasi shartli ravishda birlik deb qabul qilinsa, metanning parnik faolligi xuddi shunday molyar hajm uchun 21–25 birlikni tashkil etadi. Bu metan molekulalarining infraqizil spektrdagi chuqur tebranish-aylanish yutilish chiziqlariga ega ekanligi bilan bog'liq.Shu bilan birga, metanning atmosferadagi umr ko'rish muddati nisbatan qisqa bo'lib, taxminan 12 yilni tashkil etadi. Bu davr ichida u asosan troposferada gidroksil radikallari (OH) bilan reaksiyaga kirishib, oksidlanadi va natijada CO₂ hosil bo'ladi.
1750-yildan beri Yer atmosferasidagi metan konsentratsiyasi taxminan 150% ga oshdi va hozirda u barcha uzoq umr ko'radigan va global miqyosda aralashadigan parnik gazlarining umumiy radiatsion ta'sirining 20% ini tashkil qiladi.