Газ болотный: формула и применение

Выделяющийся со дна водоемов газ – болотный газ с неприятным запахом (другое обобщенное название – метан). С точки зрения науки это формен, или водородистый метил. По большей части он состоит из метана (CH₄

Ключевые особенности

Стандартный состав, химическая формула газа болотного – все это наглядно демонстрирует его принадлежность к простейшим соединениям углерода. Вокруг данного элемента группируются остальные компоненты. Газ болотный встречается в природе в свободном состоянии в качестве смеси с углекислотой или азотом. Он возникает в результате разложения органических веществ. Как правило, это оказавшиеся под водой и лишенные доступа к воздуху растения.

Каменноугольные копи – еще одно место, где формируется горючий болотный газ. Он скапливается среди пород после разложения органических остатков. Этому способствуют многочисленные пустоты. Такие газы вырываются при появлении случайно возникшего отверстия.

Места образования

Несмотря на свое достаточно однозначное название, газ болотный (а точнее, метан) выделяется еще и из земляных трещин рядом с месторождениями нефти. Первые подобные случаи были зафиксированы в Соединенных Штатах Америки на берегах реки Аллегейни, а также в России в Каспийском крае. В Баку по этой причине с давних времен существовало предание о загадочных бакинских огнях. Природный феномен оказался смешанным с углекислотой, азотом и нефтяными парами болотным газом.

С развитием промышленности и технологии добычи полезных ископаемых люди научились утилизировать выделявшийся метан. Первый такой завод появился в Пенсильвании. Газ болотный отличается тем, что образуется беспрерывно, его можно обнаружить в любом болоте или пруде. Зачастую для этого достаточно просто прикоснуться палкой к илу. После этого пузырьки газа всплывают на водную поверхность.

Основа болотного газа

Образованию основного компонента природного газа (метана) помогают бактерии. Из-за них начинается брожение клетчатки растений, способствующее появлению метана. Самый чистый метан, как считается, характерен для грязевых вулканов Апшеронского и Керченского полуостровов.

Кроме того, он возникает в соляных залежах, источниках и фумаролах – отверстиях и трещинах, располагающихся у подножий вулканов. Метан присутствует в кишечнике человека. Его содержат продукты выдыхания некоторых животных. Одним из первых письменных свидетельств об этом веществе можно считать сочинения античного писателя Плиния, упоминавшего о газообразных горючих соединениях.

Взрывоопасность

Больше всего болотный газ известен благодаря собственным разрушительным свойствам. При зажигании в смеси с воздухом он вызывает взрыв. Причиной тому служат свойства метана. Взрыв болотного газа и схожих соединений долгое время наводил ужас на людей, объяснявших происходившее суевериями. Причины аномалии стали ясны только после научного исследования данного феномена.

Болотный газ, метан и другие взрывоопасные соединения побудили людей изобрести лампу Дэви. Ее стали использовать как на болотах, так и в угольных шахтах. В этой лампе продукты горения отводились с помощью специальной сетки, благодаря которой исключалась возможность возгорания горючей газовой смеси.

История открытия

Большой вклад в изучение болотного газа (метана) внес итальянский ученый Аллесандро Вольта. В 1776 году он доказал, что данное вещество отличается от водорода, так как ему необходимо вдвое больше кислорода для сжигания. Кроме того, именно Вольта определил, что болотный газ – это источник угольной кислоты.

Итальянец обнаружил метан на границе Швейцарии и Италии рядом с озером Лаго-Маджоре. Вдохновением для ученого послужила статья американского ученого и политика Бенджамина Франклина о феномене «горючего воздуха». Вольта первым получил метан, собирая газ, выделяемый болотом.

Продолжение исследований

Другими важными исследователями природного феномена были французский химик Клод Бертолле и британский химик Уильям Генри. Последний из них в 1805 году определил состав болотного газа и отличил его от этилена (так называемого маслородного газа).

Загадка взрывоопасного вещества скрывалась в его основном компоненте – метане. Он был определен как легкий углеводородный газ (в отличие от тяжелого углеводородного газа этилена). Со временем устоялся другой термин – водородистый метил. Исследования Генри продолжили Джон Дальтон и Йенс Якоб Берцелиус.

В 1813 году английский химик и геолог Гемфри Дэви провел анализ рудничного газа и пришел к выводу, что это вещество – смесь метана, угольного ангидрида и азота. Так было доказано, что горючая смесь, выделяющаяся в рудниках, тождественна похожей смеси на болотах.

Влияние на экологию

Характерный для болотного газа метан возникает вследствие определенных химических реакций. В первую очередь это сухая перегонка органики (например, торфа или дерева). Химически чистый метан получают с помощью разложения цинкметила водой (при этом вырабатывается окись цинка). Сегодня данное вещество привлекает внимание многих экологов из-за своего участия в формировании парникового эффекта. Происходит это вследствие накопления метана в атмосфере Земли. Болотный газ поглощает тепловое излучение в инфракрасной области спектра. По этому параметру он уступает только чистому углекислому газу. Экологи оценивают вклад метана в усиление парникового эффекта примерно в 30%.

Свойства, состав, химическая формула газа болотного сегодня изучаются в рамках исследования его влияния на атмосферу нашей планеты. В естественных количествах, вырабатываемых самой природой, он не был опасен в качестве причины парникового эффекта. Однако проблема заключается в том, что огромное количество метана попадает в атмосферу по вине самих людей. Аналог болотного газа вырабатывается на всевозможных предприятиях. Это так называемый абиогенный метан. Тот, который возникает на болотах, считается биогенным – то есть возникшим вследствие трансформаций органического вещества.

Метаногенез

Биосинтез метана (а значит, и возникновение болотного газа) также называется метаногенезом. В этом процессе участвуют бактерии археи. Они аэробны, то есть могут получать энергию для жизнедеятельности, обходясь без кислорода. Археи не имеют мембранных органелл и ядра.

Бактерии генерируют метан, восстанавливая одноуглеродные соединения с помощью углеродных спиртов и одноуглеродных соединений. Другой способ – диспропорционирование ацетата. Вырабатываемая бактериями энергия трансформируется ферментами АТФ-синтазами. В метаногенезе участвуют самые разные молекулы: коферменты, метанофуран, тетрагидрометаноптерин и т. д.

Метаногены

Науке известно 17 родов и 50 видов архей, способных генерировать основу болотного газа. Они образуют примитивные многоклеточные колонии. Самый изученный геном подобных архей – Methanosarcina acetivorans. Они преобразуют в ацетаты и метан монооксид углерода, используя для этого ферменты ацетаткиназы и фосфотрансацетилазы. Также существует теория о том, что эти археи в древности могли трансформироваться в тиоэфир при условии, что в тогдашнем иле была высокая концентрация сульфида железа.

Причина лесных пожаров

При достаточной эмиссии и концентрации болотный газ, возгоревшись, может вызвать крупный естественный торфяной и лесной пожар. Сегодня существует целый комплекс борьбы с подобными явлениями. Специальные службы проводят газовый мониторинг самых заболоченных областей. Они отвечают за профилактику и количественный контроль соотношения компонентов потенциально опасного газа.

К примеру, одним из самых заболоченных в Московской области является восточный Шатурский район. В его водоемах водится много рыбы (карасей, окуней, бычков, карпов, щук, сазанов), тритонов, лягушек, змей, ондатр, птиц (цапель, выпей, куликов, уток). В костях всех этих животных содержится фосфор. Он перерабатывается бактериями, после чего появляются несколько другие вещества. Это дифосфин и фосфин. Именно они являются главными инициаторами цепной реакции по самовозгоранию. Начавшиеся подобным образом пожары – серьезная экологическая проблема. От возгораний на болотах горят не только леса, но и торфяники. Пожар может распространиться вглубь них. Такие торфяники могут гореть целыми годами.

В России сосредоточено около двух третей всех болот мира. Они встречаются в центре европейской части страны, Западной Сибири и на Камчатке. Общая площадь болот в России – порядка 340 миллионов гектаров, 210 из которых покрыты лесным покровом. Больше всего газа вырабатывается летом. В такой период за сутки на площади в один гектар может выделиться около двух с половиной килограммов метана.

Взаимодействие с кислородом и хлором

Природный болотный газ, формула химическая которого – CH₄, горит едва светящимся бледным пламенем. Самый сильный взрыв с ним происходит при зажигании в смеси, содержащей 7-8 объемов воздуха и 2 объема кислорода. Газ малорастворим в воде (в отличие от алкоголя). Он вступает в реакции исключительно с галогенами.

При взаимодействии с хлором болотный газ образует хлористый метил CH₃Cl. Данное вещество получают лабораторным путем. Для этого хлористоводородный газ пропускают в кипящий раствор из метилного алкоголя и расплавленного хлористого цинка. В результате получается бесцветный газ, характерной чертой которого является приятный эфирный запах со сладковатым вкусом. При сильном давлении или охлаждении он сгущается в жидкость.

Применение и реакции с галогенами

Метан (болотный газ), формула и применение которого в качестве топлива изучаются в школьной программе, активно взаимодействует с галогенами. В результате реакций замещения с этими веществами образуются следующие соединения: бромистый, хлористый, фтористый и фтористый метилен. Последний из них впервые был получен русским химиком Александром Бутлеровым. Йодистый метилен – сильно преломляющая свет желтоватая жидкость. Температура ее кипения – 180 °C.

Как называется болотный газ, полностью замещенный галогенами? Это четыреххлористый углерод. Он был открыт французским химиком Анри Реньо в 1839 году. Это жидкость с характерным пряным запахом. Она обладает анестезирующим эффектом. Другое подобное вещество – четырехбромистый углерод. Он добывается из золы от морских растений.

Опасность для здоровья

Сам по себе болотный метан физиологически безвреден. Он относится к неядовитым парафиновым углеводородам. Эта группа веществ отличается химической инертностью и плохой растворимостью в плазме крови. Воздух с высокой концентрацией болотного газа может убить человека только в том случае, если он будет испытывать недостаток кислорода.

Начальные признаки удушения (асфиксии) проявляются при содержании метана от 30%. В этом случае увеличивается объем дыхания, учащается пульс, нарушается координация мышечных движений. Но вероятность подобных случаев крайне мала. Дело в том, что метан легче воздуха, что не дает ему скапливаться в чрезмерных пропорциях.

В то же время исследователи приравнивают действие болотного газа на психику человека к действию диэтилового эфира. Подобный эффект можно приравнять к наркотическому. У людей, долгое время работавших в шахтах с высокой концентрацией метана, прослеживаются изменений в вегетативной нервной системе (гипотония, положительный глазосердечный рефлекс и т. д.).