Метан ( США : / ˈ m ɛ θ eɪ n / METH -ayn , Великобритания : / ˈ m iː θ eɪ n / MEE -thayn ) — химическое соединение с химической формулой CH 4 (один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода ) . Это гидрид 14-й группы , простейший алкан и основной компонент природного газа . Относительное обилие метана на Земле делает его экономически привлекательным топливом , хотя его улавливание и хранение представляет собой техническую проблему из-за его газообразного состояния при нормальных условиях по температуре и давлению .
Природный метан встречается как под землей, так и под морским дном и образуется в результате геологических и биологических процессов. Самый крупный резервуар метана находится под морским дном в виде клатратов метана . Когда метан достигает поверхности и атмосферы , он известен как атмосферный метан . [9]
Концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась примерно на 160% с 1750 года, причем подавляющий процент вызван деятельностью человека. [10] Согласно отчету Межправительственной группы экспертов по изменению климата за 2021 год, на его долю приходится 20% общего радиационного воздействия от всех долгоживущих и глобально смешанных парниковых газов . [11] Сильное, быстрое и устойчивое сокращение выбросов метана может ограничить краткосрочное потепление и улучшить качество воздуха за счет сокращения глобального приземного озона. [12]
Метан также был обнаружен на других планетах, включая Марс , что имеет значение для астробиологических исследований. [13]
Метан представляет собой тетраэдрическую молекулу с четырьмя эквивалентными связями C–H . Его электронная структура описывается четырьмя связывающими молекулярными орбиталями (МО) , возникающими в результате перекрытия валентных орбиталей C и H. МО с самой низкой энергией является результатом перекрытия 2s-орбитали углерода с синфазной комбинацией 1s-орбиталей четырех атомов водорода. Выше этого энергетического уровня находится тройной вырожденный набор МО, в которых 2p-орбитали углерода перекрываются различными линейными комбинациями 1s-орбиталей водорода. Полученная схема связи «три к одному» согласуется с измерениями фотоэлектронной спектроскопии.
Метан — бесцветный, прозрачный газ без запаха. [14] Он действительно поглощает видимый свет, особенно в красной части спектра, из-за обертоновых полос , но эффект заметен только в том случае, если путь света очень длинный. Именно это придает Урану и Нептуну синий или голубовато-зеленый цвет, поскольку свет проходит через их атмосферу, содержащую метан, а затем рассеивается обратно. [15]
Привычный запах природного газа, используемого в домах, достигается за счет добавления одоранта , обычно смесей, содержащих трет -бутилтиол , в качестве меры безопасности. Метан имеет температуру кипения −161,5 °C при давлении в одну атмосферу . [3] Как газ, он воспламеняется в диапазоне концентраций (5,4–17%) в воздухе при стандартном давлении .
Твердый метан существует в нескольких модификациях . На данный момент известно девять. [16] Охлаждение метана при нормальном давлении приводит к образованию метана I. Это вещество кристаллизуется в кубической системе ( пространственная группа Fm 3 m). Положения атомов водорода в метане I не фиксированы, т.е. молекулы метана могут свободно вращаться. Следовательно, это пластиковый кристалл . [17]
Основными химическими реакциями метана являются горение , паровая конверсия в синтез-газ и галогенирование . В целом реакции метана трудно контролировать.
Частичное окисление метана в метанол ( CH 3 OH ), более удобное жидкое топливо , является сложной задачей, поскольку реакция обычно развивается до углекислого газа и воды даже при недостаточном поступлении кислорода . Фермент метанмонооксигеназа производит метанол из метана, но не может быть использован для реакций промышленного масштаба. [18] Были разработаны некоторые системы с гомогенным катализом и гетерогенные системы, но все они имеют существенные недостатки. Обычно они работают путем создания защищенных продуктов, защищенных от переокисления. Примеры включают систему Catalytica , медные цеолиты и железные цеолиты, стабилизирующие активный центр альфа-кислорода . [19]
Одна группа бактерий катализирует окисление метана с использованием нитрита в качестве окислителя в отсутствие кислорода , вызывая так называемое анаэробное окисление метана . [20]
Как и другие углеводороды , метан является чрезвычайно слабой кислотой . Его p K a в ДМСО оценивается в 56. [21] Он не может быть депротонирован в растворе, но сопряженное основание известно в таких формах, как метиллитий .
Было обнаружено множество положительных ионов , полученных из метана, в основном в виде нестабильных частиц в газовых смесях низкого давления. К ним относятся метений или метиловый катион CH.+3, катион метана CH+4и метан или протонированный метан CH+5. Некоторые из них были обнаружены в космическом пространстве . Метан также можно получать в виде разбавленных растворов метана с суперкислотами . Катионы с более высоким зарядом, такие как CH2+6и СН3+7, были изучены теоретически и предположительно стабильны. [22]
Несмотря на прочность связей C–H, существует большой интерес к катализаторам , которые способствуют активации связей C–H в метане (и других алканах с меньшими номерами ). [23]
Теплота сгорания метана составляет 55,5 МДж/кг. [24] Сжигание метана представляет собой многостадийную реакцию, кратко описанную следующим образом:
Четырехэтапная химия Питерса — это систематически сокращенная четырехэтапная химия, объясняющая горение метана.
В соответствующих условиях метан реагирует с радикалами галогенов следующим образом:
где X представляет собой галоген : фтор (F), хлор (Cl), бром (Br) или йод (I). Этот механизм этого процесса называется свободнорадикальным галогенированием . Он инициируется, когда ультрафиолетовый свет или какой-либо другой радикальный инициатор (например, пероксиды ) производит атом галогена . Происходит двухстадийная цепная реакция , в которой атом галогена отрывает атом водорода от молекулы метана, в результате чего образуются молекула галогеноводорода и метильный радикал ( •CH 3 ). Метильный радикал затем реагирует с молекулой галогена с образованием молекулы галогенметана с новым атомом галогена в качестве побочного продукта. [25] Подобные реакции могут происходить с галогенированным продуктом, что приводит к замене дополнительных атомов водорода атомами галогена на структуры дигалогена , тригалометана и, в конечном итоге, тетрагалометана , в зависимости от условий реакции и соотношения галогена к метану.
Эта реакция обычно используется с хлором для получения дихлорметана и хлороформа через хлорметан . Четыреххлористый углерод можно получить с избытком хлора.
Метан можно транспортировать в виде охлажденной жидкости (сжиженный природный газ или СПГ ). Хотя утечки из контейнера с охлажденной жидкостью изначально тяжелее воздуха из-за повышенной плотности холодного газа, газ при температуре окружающей среды легче воздуха. По газопроводам транспортируется большое количество природного газа, основным компонентом которого является метан.
Метан используется в качестве топлива для печей, домов, водонагревателей, печей, автомобилей, [26] [27] турбин и т. д.
Метан , являющийся основным компонентом природного газа , важен для производства электроэнергии путем его сжигания в качестве топлива в газовой турбине или парогенераторе . По сравнению с другими углеводородными видами топлива метан производит меньше углекислого газа на каждую единицу выделяемого тепла. Теплота сгорания метана, равная примерно 891 кДж/моль, ниже, чем у любого другого углеводорода, но отношение теплоты сгорания (891 кДж/моль) к молекулярной массе (16,0 г/моль, из которых 12,0 г/моль) (углерод) показывает, что метан, будучи простейшим углеводородом, производит больше тепла на единицу массы (55,7 кДж/г), чем другие сложные углеводороды. Во многих городах метан подается в дома для отопления и приготовления пищи. В этом контексте его обычно называют природным газом , энергетическая ценность которого составляет 39 мегаджоулей на кубический метр, или 1000 БТЕ на стандартный кубический фут . Сжиженный природный газ (СПГ) состоит преимущественно из метана ( CH 4 ), переведенного в жидкую форму для удобства хранения или транспортировки.
Очищенный жидкий метан , а также СПГ используется в качестве ракетного топлива [28] в сочетании с жидким кислородом , как в двигателях TQ-12 , BE-4 и Raptor . [29] Из-за сходства метана и СПГ такие двигатели обычно группируются под термином металокс .
В качестве жидкого ракетного топлива комбинация метана и жидкого кислорода имеет преимущество перед комбинацией керосина и жидкого кислорода , или керолоксом, в производстве небольших молекул выхлопных газов, уменьшении коксования или отложения сажи на компонентах двигателя. Метан легче хранить, чем водород, из-за его более высокой температуры кипения и плотности, а также отсутствия водородной хрупкости . [30] [31] Более низкая молекулярная масса выхлопных газов также увеличивает долю тепловой энергии, которая находится в форме кинетической энергии, доступной для движения, увеличивая удельный импульс ракеты. По сравнению с жидким водородом , удельная энергия метана ниже, но этот недостаток компенсируется большей плотностью метана и диапазоном температур, что позволяет использовать меньшие и более легкие резервуары для данной массы топлива. Жидкий метан имеет температурный диапазон (91–112 К), почти совместимый с жидким кислородом (54–90 К). В настоящее время это топливо используется в действующих ракетах-носителях, таких как Zhuque-2 и Vulcan , а также в находящихся в стадии разработки ракетах-носителях, таких как Starship , Neutron и Terran R. [32]
Природный газ , состоящий в основном из метана, используется для производства газообразного водорода в промышленных масштабах. Паровая конверсия метана (SMR), или просто паровая конверсия, является стандартным промышленным методом производства коммерческого газообразного водорода. Ежегодно во всем мире (2013 г.) добывается более 50 миллионов метрических тонн, в основном из SMR природного газа. [33] Большая часть этого водорода используется на нефтеперерабатывающих заводах , в производстве химикатов и в пищевой промышленности. Очень большие количества водорода используются при промышленном синтезе аммиака .
При высоких температурах (700–1100 °C) и в присутствии катализатора на основе металла ( никеля ) пар реагирует с метаном с образованием смеси CO и H 2 , известной как «водяной газ» или « сингаз »:
Эта реакция сильно эндотермична (потребляет тепло, Δ H r = 206 кДж/моль). Дополнительный водород получается в результате реакции CO с водой посредством реакции конверсии вода-газ :
Эта реакция слабо экзотермична (выделяет тепло, Δ H r = -41 кДж/моль).
Метан также подвергается свободнорадикальному хлорированию при производстве хлорметанов, хотя более типичным предшественником является метанол . [34]
Водород также можно производить путем прямого разложения метана, также известного как пиролиз метана , который, в отличие от парового риформинга, не выделяет парниковых газов (ПГ). Тепло, необходимое для реакции, также может быть без выбросов парниковых газов, например, за счет концентрированного солнечного света, возобновляемой электроэнергии или сжигания части произведенного водорода. Если метан получается из биогаза , то этот процесс может стать поглотителем углерода . Для разрыва связей метана с образованием газообразного водорода и твердого углерода необходимы температуры выше 1200 °C. Однако за счет использования подходящего катализатора температура реакции может быть снижена до 600–1000 °C в зависимости от выбранного катализатора. [35] Реакция является умеренно эндотермической, как показано в уравнении реакции ниже. [36]
Метан может генерироваться геологическими, биологическими или промышленными путями.
Двумя основными путями геологического образования метана являются (i) органический (термически генерируемый или термогенный) и (ii) неорганический ( абиотический ). [13] Термогенный метан возникает в результате распада органического вещества при повышенных температурах и давлениях в глубоких осадочных слоях . Большая часть метана в осадочных бассейнах термогенна; следовательно, термогенный метан является наиболее важным источником природного газа. Термогенные компоненты метана обычно считаются реликтовыми (более раннего времени). Как правило, образование термогенного метана (на глубине) может происходить в результате распада органического вещества или органического синтеза. Оба пути могут включать микроорганизмы ( метаногенез ), но могут также происходить и неорганически. Задействованные процессы также могут потреблять метан с микроорганизмами или без них.
Более важный источник метана на глубине (кристаллическая коренная порода) является абиотическим. Абиотический означает, что метан создается из неорганических соединений, не обладающих биологической активностью, либо в результате магматических процессов, либо в результате реакций вода-порода, которые происходят при низких температурах и давлениях, таких как серпентинизация . [37] [38]
Большая часть земного метана является биогенной и производится в результате метаногенеза , [39] [40] формы анаэробного дыхания, которая, как известно, осуществляется только некоторыми членами домена Archaea . [41] Метаногены встречаются на свалках и в почве , [42] у жвачных животных (например, крупного рогатого скота ), [43] в кишках термитов, а также в бескислородных отложениях под морским дном и на дне озер.
Этот многоэтапный процесс используется этими микроорганизмами для получения энергии. Чистая реакция метаногенеза:
Последний этап процесса катализируется ферментом метилкофермент М-редуктазой (MCR). [44]
Водно-болотные угодья являются крупнейшими естественными источниками метана в атмосферу, [45] на их долю приходится примерно 20–30% атмосферного метана. [46] Изменение климата приводит к увеличению количества метана, выбрасываемого из водно-болотных угодий из-за повышения температуры и изменения режима выпадения осадков. Это явление называется обратной связью метана водно-болотных угодий . [47]
Выращивание риса генерирует до 12% общих мировых выбросов метана из-за долгосрочного затопления рисовых полей. [48]
Жвачные животные, такие как крупный рогатый скот, отрыгивают метан, на долю которого приходится около 22% ежегодных выбросов метана в атмосферу США. [49] В одном исследовании сообщается, что животноводческий сектор в целом (в первую очередь крупный рогатый скот, куры и свиньи) производит 37% всего антропогенного метана. [50] Исследование, проведенное в 2013 году, показало, что на долю домашнего скота приходится 44% антропогенных выбросов метана и около 15% антропогенных выбросов парниковых газов. [51] Предпринимаются многочисленные усилия по сокращению производства метана в животноводстве, такие как медицинское лечение и корректировка диеты, [52] [53] и улавливание газа для использования энергии его сгорания. [54]
Большая часть подводного дна является бескислородной , поскольку кислород удаляется аэробными микроорганизмами в пределах первых нескольких сантиметров отложений . Ниже насыщенного кислородом морского дна метаногены производят метан, который либо используется другими организмами, либо попадает в газовые гидраты . [41] Эти другие организмы, которые используют метан для получения энергии, известны как метанотрофы («поедающие метан») и являются основной причиной того, что небольшое количество метана, образующегося на глубине, достигает поверхности моря. [41] Было обнаружено, что консорциумы архей и бактерий окисляют метан посредством анаэробного окисления метана (АОМ); ответственными за это организмами являются анаэробные метанотрофные археи (ANME) и сульфатредуцирующие бактерии (SRB). [55]
Учитывая дешевизну природного газа, стимулов для промышленного производства метана мало. Метан можно получить путем гидрирования углекислого газа по процессу Сабатье . Метан также является побочным продуктом гидрирования монооксида углерода в процессе Фишера-Тропша , который практикуется в больших масштабах для производства молекул с более длинной цепью, чем у метана.
Примером крупномасштабной газификации угля в метан является завод Great Plains Synfuels , запущенный в 1984 году в Бьюле, Северная Дакота, как способ разработки обильных местных ресурсов низкосортного бурого угля , ресурса, который иначе трудно транспортировать. его вес, зольность , низкая теплотворная способность и склонность к самовозгоранию при хранении и транспортировке. По всему миру существует ряд подобных заводов, хотя в основном эти заводы ориентированы на производство длинноцепочечных алканов для использования в качестве бензина , дизельного топлива или сырья для других процессов.
Энергия в метан — это технология, которая использует электроэнергию для производства водорода из воды путем электролиза и использует реакцию Сабатье для соединения водорода с диоксидом углерода для получения метана.
Метан можно получить протонированием метиллития или метилового реактива Гриньяра, такого как хлорид метилмагния . Его также можно приготовить из безводного ацетата натрия и сухого гидроксида натрия , смешав и нагрев выше 300 ° C (с карбонатом натрия в качестве побочного продукта). [ нужна цитата ] На практике потребность в чистом метане может быть легко удовлетворена с помощью стального газового баллона от стандартных поставщиков газа.
Метан был открыт и выделен Алессандро Вольтой между 1776 и 1778 годами при изучении болотного газа озера Маджоре . Это основной компонент природного газа, около 87% по объему. Основным источником метана является добыча из геологических месторождений, известных как месторождения природного газа , причем основным источником становится добыча газа из угольных пластов (см. Добыча метана из угольных пластов , метод извлечения метана из угольных месторождений, в то время как увеличение добычи метана из угольных пластов является метод добычи метана из неразрабатываемых угольных пластов). Он связан с другими углеводородными видами топлива и иногда сопровождается гелием и азотом . Метан производится на неглубоких уровнях (низкое давление) в результате анаэробного распада органического вещества и переработанного метана из глубины земной поверхности. В целом, отложения , генерирующие природный газ, залегают глубже и имеют более высокие температуры, чем отложения, содержащие нефть .
Метан обычно транспортируется навалом по трубопроводу в виде природного газа или перевозчиками СПГ в сжиженном виде; лишь немногие страны перевозят его на грузовиках.
Метан является важным парниковым газом , ответственным за около 30% повышения глобальной температуры со времен промышленной революции. [56]
Метан имеет потенциал глобального потепления (ПГП) 29,8 ± 11 по сравнению с CO 2 (потенциал 1) за 100-летний период и 82,5 ± 25,8 за 20-летний период. [57] Это означает, что, например, утечка одной тонны метана эквивалентна выбросу 82,5 тонн углекислого газа.
Поскольку метан постепенно превращается в углекислый газ (и воду) в атмосфере, эти значения включают климатические воздействия от углекислого газа, образующегося из метана, в течение этих временных масштабов.
Ежегодные глобальные выбросы метана в настоящее время составляют около 580 Мт, [58] 40% из которых приходится на природные источники, а остальные 60% возникают в результате деятельности человека, что известно как антропогенные выбросы. Крупнейшим антропогенным источником является сельское хозяйство , на которое приходится около четверти выбросов, за которым следует энергетический сектор , который включает выбросы от угля, нефти, природного газа и биотоплива. [59]
Исторические концентрации метана в мировой атмосфере колебались от 300 до 400 нмоль/моль во время ледниковых периодов, широко известных как ледниковые периоды , и от 600 до 700 нмоль/моль во время теплых межледниковых периодов. На веб-сайте НАСА в 2012 году говорилось, что океаны являются потенциальным важным источником арктического метана, [60] но более поздние исследования связывают повышение уровня метана с человеческой деятельностью. [10]
Глобальный мониторинг концентрации метана в атмосфере начался в 1980-х годах. [10] Концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась на 160% по сравнению с доиндустриальным уровнем середины 18 века. [10] В 2013 году атмосферный метан составлял 20% общего радиационного воздействия от всех долгоживущих и глобально смешанных парниковых газов. [61] В период с 2011 по 2019 год среднегодовое увеличение содержания метана в атмосфере составило 1866 частей на миллиард. [11] С 2015 по 2019 год зафиксирован резкий рост уровня метана в атмосфере. [62] [63]
В 2019 году концентрация метана в атмосфере была выше, чем когда-либо за последние 800 000 лет. Как указано в ДО6 МГЭИК : «Начиная с 1750 года увеличение концентраций CO 2 (47%) и CH 4 ( 156 %) намного превышает, а увеличение N 2 O (23%) аналогично естественному мульти- тысячелетние изменения между ледниковыми и межледниковыми периодами за, по крайней мере, последние 800 000 лет (очень высокая степень достоверности)». [11] [а] [64]
В феврале 2020 года сообщалось, что неорганизованные выбросы и выбросы газа в промышленности ископаемого топлива , возможно, были значительно недооценены. [65] [66] Наибольший годовой прирост произошел в 2021 году, причем подавляющий процент был вызван деятельностью человека. [10]
Изменение климата может повысить уровень метана в атмосфере за счет увеличения производства метана в природных экосистемах, формируя обратную связь с изменением климата . [41] [67] Другим объяснением роста выбросов метана может быть замедление химической реакции, которая удаляет метан из атмосферы. [68]
Более 100 стран подписали Глобальную программу метана, запущенную в 2021 году, обещая сократить выбросы метана на 30% к 2030 году . чтобы достичь этой цели. [70] В докладе Международного энергетического агентства за 2022 год говорится, что «наиболее экономически эффективные возможности борьбы с выбросами метана существуют в энергетическом секторе, особенно в нефтегазовых операциях». [71]
Клатраты метана (также известные как гидраты метана) представляют собой твердые клетки из молекул воды, которые улавливают отдельные молекулы метана. Значительные резервуары клатратов метана были обнаружены в арктической вечной мерзлоте и вдоль континентальных окраин под дном океана в зоне стабильности газового клатрата , расположенной при высоких давлениях (от 1 до 100 МПа; нижний предел требует более низкой температуры) и низких температурах (< 15 ° C). ; верхний предел требует более высокого давления). [72] Клатраты метана могут образовываться из биогенного метана, термогенного метана или их смеси. Эти месторождения являются одновременно потенциальным источником метанового топлива, а также потенциальным фактором глобального потепления. [73] [74] Глобальная масса углерода, хранящегося в газовых клатратах, до сих пор не определена и оценивается в 12 500 Гт углерода и всего в 500 Гт углерода. [47] Эта оценка со временем снизилась, и по последней оценке она составляет ~ 1800 Гт углерода. [75] Большая часть этой неопределенности обусловлена нашим пробелом в знаниях об источниках и поглотителях метана и распределении клатратов метана в глобальном масштабе. Например, источник метана был обнаружен сравнительно недавно на сверхмедленно спрединговом хребте в Арктике. [46] Некоторые климатические модели предполагают, что сегодняшний режим выбросов метана со дна океана потенциально аналогичен режиму в период палеоцен -эоценового термического максимума ( PETM ) около 55,5 миллионов лет назад, хотя нет никаких данных, указывающих на то, что метан из клатрата диссоциация в настоящее время достигает атмосферы. [75] Выбросы арктического метана из вечной мерзлоты и метановых клатратов морского дна являются потенциальным последствием и дальнейшей причиной глобального потепления ; это известно как гипотеза клатратной пушки . [76] [77] [78] [79] Данные за 2016 год показывают, что вечная мерзлота Арктики тает быстрее, чем прогнозировалось. [80]
Метан «ухудшает качество воздуха и отрицательно влияет на здоровье человека, урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность экосистем». [81]
Метан чрезвычайно горюч и может образовывать взрывоопасные смеси с воздухом. Взрывы метана являются причиной многих смертельных катастроф на шахтах. [82] Взрыв метана стал причиной катастрофы на угольной шахте Аппер-Биг-Бранч в Западной Вирджинии 5 апреля 2010 года, в результате которой погибло 29 человек . [83] Аварийный выброс природного газа также был в центре внимания в области техники безопасности . из-за прошлых случайных выбросов, закончившихся образованием реактивных пожаров. [84] [85]
Утечка метана в каньоне Алисо, штат Калифорния, в 2015–2016 годах считалась самой серьезной с точки зрения воздействия на окружающую среду в американской истории. [86] [87] [88] Это также было описано как более разрушительное для окружающей среды, чем утечка Deepwater Horizon в Мексиканском заливе. [89]
В мае 2023 года газета The Guardian опубликовала отчет, в котором назвала Туркменистан страной с худшим уровнем выбросов метана в мире . Данные, собранные исследователями Кайроса, показывают, что только в 2022 году из двух крупных туркменских месторождений ископаемого топлива произошла утечка 2,6 млн и 1,8 млн тонн метана, выкачивая в атмосферу 366 млн тонн эквивалента CO 2 , что превышает ежегодные выбросы CO 2 в Соединенном Королевстве. . [90]
Метан также является удушающим веществом , если концентрация кислорода снижается до уровня ниже примерно 16% путем вытеснения, поскольку большинство людей могут переносить снижение с 21% до 16% без каких-либо побочных эффектов . Концентрация метана, при которой риск удушья становится значительным, значительно превышает концентрацию 5–15 % в легковоспламеняющейся или взрывоопасной смеси. Отходящий газ метан может проникать внутрь зданий вблизи свалок и подвергать жильцов воздействию значительного количества метана. В некоторых зданиях под подвалами есть специально спроектированные системы рекуперации, которые активно улавливают этот газ и выводят его из здания.
Метан имеется в изобилии во многих частях Солнечной системы и потенциально может быть собран на поверхности другого тела Солнечной системы (в частности, с использованием производства метана из местных материалов, обнаруженных на Марсе [91] или Титане ), обеспечивая топливо для обратного пути. [28] [92]
Метан был обнаружен на всех планетах Солнечной системы и большинстве крупных спутников. [ нужна цитата ] За возможным исключением Марса , считается, что он возник в результате абиотических процессов. [93] [94]
Марсоход Curiosity зафиксировал сезонные колебания уровня метана в атмосфере Марса. Эти колебания достигли максимума в конце марсианского лета и составили 0,6 частей на миллиард. [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102]
Метан был предложен в качестве возможного ракетного топлива для будущих миссий на Марс , отчасти из-за возможности его синтеза на планете путем использования ресурсов на месте . [103] Адаптация реакции метанирования Сабатье со смешанным слоем катализатора и обратным водогазовым сдвигом в одном реакторе может быть использована для производства метана из сырья, доступного на Марсе, с использованием воды из марсианских недр и углекислого газа в марсианская атмосфера . [91]
Метан может быть произведен в результате небиологического процесса, называемого серпентинизацией [b], с участием воды, углекислого газа и минерала оливина , который, как известно, распространен на Марсе. [104]
В ноябре 1776 года метан был впервые научно идентифицирован итальянским физиком Алессандро Вольтой в болотах озера Маджоре, расположенного между Италией и Швейцарией . Вольта был вдохновлен на поиски этого вещества после прочтения статьи Бенджамина Франклина о «легковоспламеняющемся воздухе». [105] Вольта собрал газ, поднимающийся из болота, и к 1778 году выделил чистый метан. [106] Он также продемонстрировал, что газ можно зажечь электрической искрой. [106]
После катастрофы на шахте Феллинг в 1812 году, в которой погибло 92 человека, сэр Хамфри Дэви установил, что опасный рудничный газ на самом деле в основном состоял из метана. [107]
Название «метан» придумал в 1866 году немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман . [108] [109] Название произошло от метанола .
Этимологически слово метан происходит от химического суффикса « -ан », который обозначает вещества, принадлежащие к семейству алканов; и слово «метил» , которое происходит от немецкого «метил» (1840) или непосредственно от французского «метил» , которое является обратным образованием от французского «метилен» (соответствующего английскому «метилен»), корень которого был придуман Жан- Батист Дюма и Эжен Пелиго в 1834 году от греческого μέθυ methy (вино) (родственное английскому «медовуха») и ὕλη hyle (что означает «дерево»). Радикал назван в честь этого слова, потому что он был впервые обнаружен в метаноле , спирте, впервые выделенном путем перегонки древесины. Химический суффикс -ane происходит от координирующего химического суффикса -ine , который происходит от латинского женского суффикса -ina , который применяется для обозначения рефератов. Координацию «-ан», «-ен», «-один» и т. д. предложил в 1866 году немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман . [110]
Аббревиатура CH 4 -C может обозначать массу углерода, содержащуюся в массе метана, причем масса метана всегда в 1,33 раза превышает массу CH 4 -C. [111] [112] CH 4 -C может также означать отношение метан-углерод, которое составляет 1,33 по массе. [113] Метан в масштабах атмосферы обычно измеряется в тераграммах (Tg CH 4 ) или миллионах метрических тонн (MMT CH 4 ), что означает одно и то же. [114] Также используются другие стандартные единицы, такие как наномоль (нмоль, одна миллиардная часть моля), моль (моль), килограмм и грамм .
Метан — это сохраненное название (см. P-12.3), которое предпочтительнее систематического названия «карбан», названия, которое никогда не рекомендуется заменять метан, но используется для получения названий «карбен» и «карбин» для радикалов H 2 C 2 • и HC 3• соответственно.
Сжатый природный газ рекламируется как самое «чистое» альтернативное топливо, поскольку простота молекулы метана снижает выбросы различных загрязняющих веществ из выхлопных труб на 35–97%. Не столь драматично сокращение чистых выбросов парниковых газов, которое примерно такое же, как у этанола из кукурузного зерна, но примерно на 20% меньше, чем у бензина.
Мы выбрали СПГ, потому что он высокоэффективен, дешев и широко доступен. В отличие от керосина, СПГ можно использовать для создания наддува в резервуаре. Это явление, известное как автогенное повторное повышение давления, устраняет необходимость в дорогостоящих и сложных системах, использующих скудные запасы гелия на Земле. СПГ также обладает характеристиками чистого сгорания даже при низких оборотах дроссельной заслонки, что упрощает повторное использование двигателя по сравнению с керосиновым топливом.