Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович (2025)
§ 21. Метан
Фізичні властивості
Метан — найпростіший вуглеводень (речовина, яка складається з атомів Карбону й Гідрогену). Його хімічна формула — СН4.
Метан:
• безбарвний газ без смаку та запаху;
• розчинність у воді: за 0 °С в 1 л води розчиняється 90 мл метану, а за 25 °С — 0,03 мл;
• густина за 0 °С та нормального атмосферного тиску — 0,662 г/л;
• tпл. = -182,5 °С, tкип. = -161,6 °С;
• нетоксичний, але за високого вмісту виявляє слабкий наркотичний ефект.
Модель молекули метану
За вмісту в повітрі 4,4-17 % метан вибухає. Оскільки метан є основним компонентом природного газу, яким ми користуємося в побуті, то витік газу є дуже небезпечним. Через відсутність запаху в метану виявити його витік було б неможливо, тому до природного газу ще на стадії видобутку додають спеціальні речовини із запахом (одоранти). Зазвичай це органічні речовини класу меркаптанів, що мають характерний запах зіпсованого м’яса.
Метан нетоксичний і в малих концентраціях безпечний для людини, але за значного вмісту метану в повітрі (25-30 %) людина може знепритомніти й навіть померти, оскільки метан не підтримує дихання.
Поміркуйте
Що таке «парниковий ефект»? Які його наслідки для довкілля?
Метан — один із парникових газів, його вплив на парниковий ефект сильніший за вплив вуглекислого газу в 20-25 разів.
Останніми роками концентрація метану в повітрі суттєво збільшується через інтенсивний розвиток тваринництва: кожна корова за добу випускає близько 300 л метану, а поголів’я корів в Україні налічує понад 1,5 млн, не враховуючи іншу велику рогату худобу.
Метан зазвичай зберігають за підвищеного тиску в спеціальних сталевих балонах, пофарбованих у червоний колір.
Метан у природі
Метан — поширена в природі речовина. Він трапляється насамперед у вигляді природного газу, який утворився на Землі з рослинної сировини мільйони років тому глибоко під землею. Уміст метану в природному газі становить 77-99 % залежно від родовища. Також метан міститься у складі рудничного (того, що виділяється в рудниках) та болотного (того, що виділяється на болотах) газів.
В Україні запаси метану (природного газу) оцінюють приблизно в 1,5 трлн м3 (28-ме місце з-поміж усіх країн світу). Найбільші родовища газу в Україні зосереджені в Дніпровсько-Донецькому нафтогазоносному регіоні (територія Полтавської, Харківської, Сумської та Дніпропетровської областей) та в Передкарпатському родовищі (територія Львівської, Івано-Франківської, Чернівецької областей). Значні поклади природного газу є на рівнинній частині Кримського півострова та в Чорноморському й Азовському шельфах. Також Україна має перспективи добування природного газу світового масштабу в північній частині Чорноморського шельфу, де припускають існування найбільшого родовища природного газу під дном Чорного моря.
Значні обсяги метану існують на Землі у газогідратах (продуктах сполучення метану з водою). Такі сполуки існують лише за умови низької температури та високого тиску, тому трапляються переважно в північних морях і залягають на глибині близько 1 км. Запаси такого метану оцінюють у 100 разів більшими, ніж запаси всіх розвіданих на сьогодні родовищ природного газу.
Окрім покладів природного газу, утворених у давнину, метан у помітних обсягах утворюється внаслідок життєдіяльності деяких анаеробних мікроорганізмів. Такі мікроорганізми поширені в болотній воді. Також вони часто існують у симбіозі з тваринами, зокрема в кишечнику людини.
Дізнайтеся більше
Газогідрати є клатратними сполуками (від лат. clathratus — той, що закритий ґратками, посаджений у клітку), або сполуками включення. Клатратними називають сполуки, у яких маленькі молекули (такі як у метану) розміщені в порожнинах між молекулами води (як зображено на малюнку) і фактично є газовими гідратами. Такі сполуки характерні для багатьох газуватих речовин, зокрема метану, але вони стійкі лише за умов високого тиску та низької температури. У разі потрапляння гідрату метану в звичайні умови він розкладається на газуватий метан і рідку воду. Один об'єм гідрату метану може виділити 160-180 об'ємів чистого газу.
Клатрату метану
Будова клатрату метану
Хімічні властивості метану
Поміркуйте
Пригадайте продукти згоряння метану. Чи можливе неповне окиснення метану за нестачі кисню? Які речовини будуть утворюватися?
Метан — горючий і вибухонебезпечний газ. За достатньої кількості кисню він згоряє з утворенням вуглекислого газу і води:
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
За нестачі кисню він окиснюється неповністю з утворенням чадного газу або сажі:
2СН4 + 3О2 = 2СО + 4Н2О
СН4 + О2 = С + 2Н2О
Останню реакцію широко застосовують у промисловості для одержання сажі, яку у великих обсягах використовують у виробництві автомобільних шин.
Мал. 21.1. Згоряння метану: а — за достатньої кількості кисню; б — за нестачі кисню
Дізнайтеся більше
В Україні газове освітлення вулиць (із використанням метану) уперше було запроваджено у Львові 1858 року. Згодом таке освітлення з'явилося в Одесі, Харкові, Києві та Чернівцях. Пізніше в цих містах газ почали використовувати як паливо.
Робота з інформацією
261. Уперше чистий метан добув італійський фізик Алессандро Вольта 1778 року: він виділив його з болотного газу, натхнений статтею Бенджаміна Франкліна «про горюче повітря». За додатковими джерелами інформації підготуйте доповідь про відкриття й дослідження метану. Чому його назвали «горючим повітрям»?
262. Порівняйте фізичні властивості метану, вуглекислого газу та кисню. Який із цих газів має найменшу густину? Найменшу / найбільшу розчинність у воді?
263. Обчисліть масову частку метану у водному розчині за 0 °С. Порівняйте з масовою часткою вуглекислого газу та кисню у водному розчині за умови максимального їх розчинення.
264. Із додаткових джерел дізнайтеся про виробництво біогазу. Чи є у складі біогазу метан? За яких умов утворюється біогаз? Для яких потреб його використовують? Підготуйте презентацію.
265. Дізнайтеся про виробництво гуми для автомобільних шин. З якою метою до неї додають сажу? Підготуйте повідомлення.
266. За температури 0 °С розчинність метану у воді становить 0,04 г на 1 кг води. Обчисліть об’єм метану, який можна виділити з розчину з максимальним умістом метану за такої температури масою 1000 кг.
267. Обчисліть мінімальний об’єм метану (н. у.), виток якого з побутової газової печі зробить повітря на кухні вибухонебезпечним. Прийміть, що площа кухні становить 10 м2, висота стелі — 2,5 м, інші дані знайдіть у тексті параграфа. (Пам’ятайте, що витік будь-якої кількості газу є вкрай небезпечною ситуацією!)
268. 2015 року споживання природного газу в Україні становило близько 34 млрд м3 на рік. Знайдіть у тексті параграфа необхідну інформацію та обчисліть, на скільки років Україні вистачить власних розвіданих запасів природного газу за умови споживання на такому самому рівні.
Розуміння явищ природи (робота в групах)
269. За якою ознакою можна виявити, що для згоряння газу в газовій печі не вистачає кисню? Якими мають бути ваші дії в такому разі?
270. За якою ознакою можна виявити витік природного газу в помешканні? Як слід діяти в цих обставинах?
271. Вибір меркаптану для надання запаху метану не випадковий: нюх людини може сприйняти запах меркаптану, навіть якщо в 1 л повітря його буде лише 10-16 моль. У такій концентрації навіть собака не здатний відчути цей запах. Є ще одна причина: саме домішки меркаптану дають змогу виявити витік метану з газопроводів, оскільки над місцем витоку будуть кружляти стерв’ятники. Поясніть, з якою метою додають одоранти до природного газу, а також, чому ці одоранти переважно мають запах зіпсованого м’яса. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про реальні випадки, коли це допомогло виявити витоки.
272. Метан (природний газ) — один із найважливіших товарів світової економіки. Транспортують природний газ зазвичай трубопроводами або танкерами (для скрапленого природного газу (СПГ)). Як ви вважаєте, на що витрачають кошти для забезпечення транспортування природного газу обома цими способами. Оцініть, у якому агрегатному стані природний газ транспортувати економічно доцільно. У якому — безпечніше? Перевірте свої припущення за додатковими джерелами інформації.
273. Перевозять скраплений природний газ (СПГ) через океан у величезних танкерах. Скраплений газ поміщають у величезні баки (танки), які за будовою нагадують посудину Дьюара (див. с. 77). Однак скраплений газ не можна зберігати в щільно закоркованих ємностях, тому ці танки обов’язково мають сполучатися з атмосферою, через що частина скрапленого газу за час перевезення випаровується. Оцініть правильність тверджень щодо такого способу транспортування скрапленого газу.
• Газ, який випаровується за час транспортування, доцільно використовувати як пальне на кораблях.
• Будова танків за типом «термоса» необхідна, аби рідина всередині якомога менше нагрівалася для запобігання надлишковому випаровуванню.
• Випаровування скрапленого газу в щільно закоркованому танку спричиняє підвищення тиску всередині, через що може статися вибух.
274. Як ви вважаєте, чи існують промислові синтетичні способи одержання метану? Обґрунтуйте свою думку.
Один із лабораторних способів одержання метану — гідроліз алюміній карбіду, який відбувається за хімічним рівнянням:
Аl4С3 + 12Н2О = 4Аl(ОН)3 + 3СН4↑
За перекладом з грецької гідро — «вода», лізіс — «розкладання», а також за рівнянням реакції поясніть значення терміну «гідроліз». Обчисліть об’єм метану, який можна одержати гідролізом алюміній карбіду масою 360 г.
