Gāze, kas izplūst no rezervuāru dibena, ir purva gāze ar nepatīkamu smaku (cits vispārināts nosaukums ir metāns). Zinātniski tas ir formēns vai metilūdeņradis. Lielākā daļa no tā sastāv no metāna (CH4). Tas var saturēt arī slāpekli, argonu, ūdeņradi, fosfīnu un oglekļa dioksīdu.
Galvenās funkcijas
Standarta sastāvs, purva gāzes ķīmiskā formula - tas viss skaidri parāda tās piederību vienkāršākajiem oglekļa savienojumiem. Citas sastāvdaļas ir sagrupētas ap šo elementu. Purva gāze dabā ir sastopama brīvā stāvoklī kā maisījums ar oglekļa dioksīdu vai slāpekli. Tas rodas organisko vielu sadalīšanās rezultātā. Parasti tie ir augi, kas atrodas zem ūdens un kuriem ir liegta piekļuve gaisam.
Ogļu raktuves ir vēl viena vieta, kur veidojas degoša purva gāze. Tas uzkrājas starp akmeņiem pēc organisko atlieku sadalīšanās. To veicina daudzi tukšumi. Šādas gāzes izplūst, kad nejauši parādās caurums.
Izglītības vietas
Neskatoties uz diezgan nepārprotamo nosaukumu, purva gāze (pareizāk sakot, metāns) tiek emitēta arī nozemes plaisas pie naftas laukiem. Pirmie šādi gadījumi reģistrēti Amerikas Savienotajās Valstīs Allegheny upes krastos, kā arī Krievijā Kaspijas reģionā. Šī iemesla dēļ Baku kopš seniem laikiem klīst leģenda par noslēpumainajiem Baku ugunsgrēkiem. Dabas parādība izrādījās sajaukta ar oglekļa dioksīdu, slāpekļa un naftas tvaikiem, purva gāzi.
Attīstoties rūpniecībai un kalnrūpniecības tehnoloģijām, cilvēki ir iemācījušies izmantot izdalīto metānu. Pirmais šāds augs parādījās Pensilvānijā. Purva gāzei raksturīgs tas, ka tā veidojas nepārtraukti, to var atrast jebkurā purvā vai dīķī. Bieži vien pietiek tikai pieskarties dūņām ar nūju. Pēc tam gāzes burbuļi peld uz ūdens virsmu.
Purva gāzes bāze
Baktērijas palīdz veidot dabasgāzes (metāna) galveno sastāvdaļu. To dēļ sākas augu šķiedras fermentācija, kas veicina metāna parādīšanos. Tiek uzskatīts, ka tīrākais metāns ir raksturīgs Apšeronas un Kerčas pussalu dubļu vulkāniem.
Turklāt tas notiek sāls atradnēs, avotos un fumarolos - caurumos un plaisās, kas atrodas vulkānu pakājē. Metāns atrodas cilvēka zarnās. Tas satur dažu dzīvnieku izelpas produktus. Par vienu no pirmajām rakstiskajām liecībām par šo vielu var uzskatīt antīkā rakstnieka Plīnija rakstus, kurā minēti gāzveida degošie savienojumi.
Sprādzienbīstamība
Lielākā daļa purva gāzespazīstama ar savām destruktīvajām īpašībām. Aizdedzinot maisījumā ar gaisu, tas izraisa sprādzienu. Iemesls tam ir metāna īpašības. Purva gāzes un līdzīgu savienojumu sprādziens ilgu laiku biedēja cilvēkus, kuri notiekošo skaidroja ar māņticību. Anomālijas iemesli kļuva skaidri tikai pēc šīs parādības zinātniskas izpētes.
Purva gāze, metāns un citi sprādzienbīstami savienojumi mudināja cilvēkus izgudrot Deivija lampu. To sāka izmantot gan purvos, gan ogļraktuvēs. Šajā lampā sadegšanas produkti tika noņemti, izmantojot īpašu režģi, pateicoties kuriem tika izslēgta degošu gāzu maisījuma aizdegšanās iespēja.
Atklājumu vēsture
Itāliešu zinātnieks Alesandro Volta sniedza lielu ieguldījumu purva gāzes (metāna) izpētē. 1776. gadā viņš pierādīja, ka šī viela atšķiras no ūdeņraža, jo tai ir nepieciešams divreiz vairāk skābekļa, lai sadegtu. Turklāt Volta noteica, ka purva gāze ir ogļskābes avots.
Itālietis atklāja metānu uz Šveices un Itālijas robežas netālu no Madžores ezera. Zinātnieka iedvesma bija amerikāņu zinātnieka un politiķa Bendžamina Franklina raksts par "degošā gaisa" fenomenu. Volta bija pirmais, kas ieguva metānu, savācot purva izdalīto gāzi.
Pētījumi turpinās
Citi nozīmīgi dabas parādības pētnieki bija franču ķīmiķis Klods Bertolē un britu ķīmiķis Viljams Henrijs. Pēdējais no tiem 1805. gadā noteica purva gāzes sastāvu un atšķīra to no etilēna (tātadko sauc par naftas gāzi).
Sprāgstvielas noslēpums bija paslēpts tās galvenajā komponentā – metānā. Tā ir definēta kā vieglā ogļūdeņraža gāze (pretēji smagajai ogļūdeņraža gāzei, etilēnam). Laika gaitā tika izveidots cits termins - metilūdeņradis. Henrija pētījumu turpināja Džons D altons un Dženss Džeikobs Berzēliuss.
1813. gadā angļu ķīmiķis un ģeologs Hamfrijs Deivijs analizēja ugunsdūmu un secināja, ka šī viela ir metāna, oglekļa anhidrīda un slāpekļa maisījums. Tātad tika pierādīts, ka raktuvēs izplūstošais degmaisījums ir identisks līdzīgam maisījumam purvos.
Ekoloģiskā ietekme
Raksturīgs purva gāzei, metāns rodas noteiktās ķīmiskās reakcijās. Pirmkārt, tā ir organisko vielu (piemēram, kūdras vai koksnes) sausā destilācija. Ķīmiski tīru metānu iegūst, sadalot cinka metilu ar ūdeni (rodas cinka oksīds). Mūsdienās šī viela piesaista daudzu vides aizstāvju uzmanību, jo tā piedalās siltumnīcas efekta veidošanā. Tas ir saistīts ar metāna uzkrāšanos Zemes atmosfērā. Purva gāze absorbē termisko starojumu spektra infrasarkanajā reģionā. Šajā parametrā tas ir otrajā vietā pēc tīra oglekļa dioksīda. Ekologi lēš, ka metāna devums siltumnīcas efekta pastiprināšanā ir aptuveni 30%.
Purva gāzes īpašības, sastāvs, ķīmiskā formula mūsdienās tiek pētīta kā daļa no pētījuma par tās ietekmi uz mūsu planētas atmosfēru. Dabiskajos daudzumos, ko ražo pati daba, tā nebijabīstams kā siltumnīcas efekta cēlonis. Taču problēma ir tā, ka milzīgs metāna daudzums atmosfērā nonāk pašu cilvēku vainas dēļ. Purva gāzes analogs tiek ražots dažādos uzņēmumos. Tas ir tā sauktais abiogēnais metāns. Tas, kas sastopams purvos, tiek uzskatīts par biogēnu - tas ir, organisko vielu pārveides rezultātā.
Metanoģenēze
Metāna biosintēzi (un līdz ar to arī purva gāzu rašanos) sauc arī par metanoģenēzi. Šajā procesā ir iesaistītas arheālās baktērijas. Tie ir aerobi, tas ir, viņi var iegūt enerģiju dzīvei bez skābekļa. Arhejās nav membrānas organellu un kodola.
Baktērijas rada metānu, reducējot viena oglekļa savienojumus ar oglekļa spirtiem un vienas oglekļa savienojumiem. Vēl viens veids ir acetāta nesamērība. Baktēriju ražoto enerģiju pārveido ATP sintāzes enzīmi. Metanoģenēzē ir iesaistītas dažādas molekulas: koenzīmi, metanofurāns, tetrahidrometanopterīns utt.
Metanogēni
Zinātne zina 17 ģintis un 50 arheju sugas, kas spēj radīt purva gāzes pamatu. Tie veido primitīvas daudzšūnu kolonijas. Visvairāk pētītais šādu arheju genoms ir Methanosarcina acetivorans. Tie pārvērš oglekļa monoksīdu par acetātiem un metānu, izmantojot enzīmus acetātkināzi un fosfotransacetilāzi. Pastāv arī teorija, ka šīs arhejas senos laikos varēja pārveidoties par tioēteri, ja vien pastāv augstsdzelzs sulfīda koncentrācija.
Meža ugunsgrēku cēlonis
Ar pietiekamu emisiju un koncentrāciju, aizdedzināta purva gāze var izraisīt lielu dabisko kūdras un meža ugunsgrēku. Mūsdienās ir vesels komplekss šādu parādību apkarošanai. Specdienesti veic gāzes monitoringu purvainākajās vietās. Viņi ir atbildīgi par potenciāli bīstamas gāzes sastāvdaļu attiecību novēršanu un kvantitatīvo kontroli.
Piemēram, viens no purvainākajiem Maskavas reģionā ir austrumu Šaturska rajons. Tās ūdenskrātuvēs ir daudz zivju (karūsi, asari, gobijas, karpas, līdakas, karpas), tritoni, vardes, čūskas, ondatras, putni (gārņi, ērkšķi, bridējputni, pīles). Visu šo dzīvnieku kauli satur fosforu. To apstrādā baktērijas, pēc tam parādās vairākas citas vielas. Tie ir difosfīns un fosfīns. Viņi ir galvenie spontānas aizdegšanās ķēdes reakcijas iniciatori. Šādi izcēlušies ugunsgrēki ir nopietna vides problēma. No ugunsgrēkiem purvos deg ne tikai meži, bet arī kūdras purvi. Uguns var izplatīties tajos dziļi. Šādi kūdrāji var degt gadiem ilgi.
Apmēram divas trešdaļas no visiem pasaules purviem ir koncentrētas Krievijā. Tie atrodas valsts Eiropas daļas centrā, Rietumsibīrijā un Kamčatkā. Kopējā purvu platība Krievijā ir aptuveni 340 miljoni hektāru, no kuriem 210 ir klāti ar mežu. Lielākā daļa gāzes tiek saražota vasarā. Šādā laika periodā viena hektāra platībā var izdalīties aptuveni divarpus kilogrami metāna dienā.
Mijiedarbība ar skābekli un hloru
Dabiskā purva gāze, kuras ķīmiskā formula ir CH4, deg ar tik tikko kvēlojošu bālu liesmu. Spēcīgākais sprādziens ar to notiek, aizdedzinot maisījumā, kas satur 7-8 tilpumus gaisa un 2 tilpumus skābekļa. Gāze nedaudz šķīst ūdenī (atšķirībā no spirta). Tas reaģē tikai ar halogēniem.
Mijiedarbojoties ar hloru, purva gāze veido metilhlorīdu CH3Cl. Šo vielu iegūst laboratorijā. Lai to izdarītu, sālsgāzi ievada verdošā metilspirta un kausēta cinka hlorīda šķīdumā. Rezultāts ir bezkrāsaina gāze, kurai raksturīga patīkama ēteriska smarža ar saldenu garšu. Spēcīga spiediena vai dzesēšanas ietekmē tas sabiezē šķidrumā.
Lietošana un reakcijas ar halogēniem
Metāns (purva gāze), kura formula un izmantošana kā degviela tiek apgūta skolas mācību programmā, aktīvi mijiedarbojas ar halogēniem. Aizvietošanas reakciju rezultātā ar šīm vielām veidojas šādi savienojumi: bromīds, hlorīds, fluorīds un metilēnfluorīds. Pēdējo no tiem pirmais ieguva krievu ķīmiķis Aleksandrs Butlerovs. Metilēnjodīds ir ļoti refrakcijas dzeltenīgs šķidrums. Tā viršanas temperatūra ir 180 °C.
Kā sauc purva gāzi, kas pilnībā aizstāta ar halogēniem? Tas ir oglekļa tetrahlorīds. To atklāja franču ķīmiķis Anrī Regno 1839. gadā. Tas ir šķidrums ar raksturīgu pikantu smaržu. Tam ir anestēzijas efekts. Vēl viena līdzīga vielaoglekļa tetrabromīds. To iegūst no jūras augu pelniem.
Bīstamība veselībai
Purva metāns pats par sevi ir fizioloģiski nekaitīgs. Tas pieder pie netoksiskiem parafīna ogļūdeņražiem. Šai vielu grupai raksturīga ķīmiskā inerce un slikta šķīdība asins plazmā. Gaiss ar augstu purva gāzes koncentrāciju var nogalināt cilvēku tikai tad, ja viņam trūkst skābekļa.
Sākotnējās nosmakšanas (asfiksijas) pazīmes parādās, kad metāna saturs ir no 30%. Šajā gadījumā palielinās elpošanas apjoms, paātrinās pulss, tiek traucēta muskuļu kustību koordinācija. Bet šādu gadījumu iespējamība ir ārkārtīgi maza. Fakts ir tāds, ka metāns ir vieglāks par gaisu, un tas neļauj tam uzkrāties pārmērīgās proporcijās.
Tajā pašā laikā pētnieki purva gāzes ietekmi uz cilvēka psihi pielīdzina dietilētera iedarbībai. Līdzīgu efektu var pielīdzināt narkotiskajai vielai. Cilvēkiem, kuri ilgstoši strādājuši raktuvēs ar augstu metāna koncentrāciju, var izsekot veģetatīvās nervu sistēmas izmaiņām (hipotensijai, pozitīvam okulokarda refleksam utt.).
