Свойства ch4: Свойства метана – физико-химическая основа молекулы

Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН

Каталог Nemoto на сайте официального дистрибьютора в России АО «ЮЕ-Интернейшнл»

Компания Nemoto & Co. Ltd является одним из мировых лидеров по производству недорогих термокаталитических и электрохимических сенсоров и датчиков для детектирования и определения концентрации горючих, токсичных газов и газовых примесей в составе воздуха.

Газовые датчики и сенсоры фирмы Nemoto используются производителями различных приборов для определения горючих и токсичных газов в местах, где возможна их утечка или накопление, что может представлять собой угрозу для безопасности людей. Основные области применения:

• Нефтепродукты
• Фармацевтические продукты
• Химические заводы
• Пищевая промышленность
• Места захоронения отходов
• Коммунальное газоснабжение
• Исследовательские лаборатории
• Подземные автомобильные стоянки
• Заводы по изготовлению полупроводниковых приборов
• Очистительные заводы
• Шахты
• Автомобильные/железнодорожные туннели
• Литейное производство
• Атомные станции
• Сталеплавильные заводы

Nemoto производит широкую линейку газовых датчиков и сенсоров, которые измеряют концентрацию таких газов как метан Ch5, кислород O2, аммиак Nh4, сероводород h3S, двуокись азота NO2, угарный газ CO, алкоголь и т.д.

Самыми популярными датчиками Nemoto, всегда имеющимся на складе ЮЕ-Интернейшнл,  являются NAP505 (Угарный газ CO) и NAP50A  (метан Ch5).

Таблица 1. Датчики для бытового применения.

Таблица 2. Датчики для индустриального применения.

Сайт компании

Исследование физико-механических свойств многослойных алмазных покрытий (Research of physico-mechanical properties of diamond coatings)

Please use this identifier to cite or link to this item: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/53986

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Химические, физические и тепловые свойства метана  — Ch5, (хладагент R50)

Металлические нанопорошки

Пандемия коронавируса COVID-19 показала, что существует неотложная потребность в эффективных мерах по предотвращению распространения вирусных инфекций различных нозологий. Последние случаи вспышек вируса атипичной пневмонии, птичьего гриппа, гриппа h2N1, и наконец, коронавируса COVID-19 показали, что высокоэффективные бытовые технические средства, позволяющие прервать пути  распространения инфекций, отсутствуют. На данный момент известно, что есть два главных пути передачи вирусов. Во-первых, это воздушно-капельный механизм передачи инфекции, во-вторых, это контакт человека с зараженными поверхностями.
В настоящее время для прерывания путей передачи вирусов в быту в качестве индивидуальных защитных средств используются маски, защищающие органы дыхания, перчатки и различные антисептики, которыми обрабатываются руки и окружающие предметы и поверхности.
Защитные маски позволяют уменьшить распространение респираторных вирусов, особенно при использовании в замкнутом пространстве или при тесном контакте с человеком с симптомами заражения [1, 2]. Однако сами маски также могут быть источником инфекции [3]. Маска примерно через два часа становится влажной и уже в ней начинают размножаться микроорганизмы. По мнению ВОЗ, маски не гарантируют защиты от COVID-19. Установлено, что эффективность хирургических масок даже самого высокого класса защиты FFP3 недостаточна (гриппом заражается не менее 23 % медицинских сестер, носивших хирургические маски класса FFP3).
Вирус COVID-19 передается не только воздушно-капельным, но и контактным путем, и может сохраняться на поверхностях до 72 часов. Поэтому другой стороной вышеуказанной проблемы является передача вирусов, в т.ч. COVID-19, в лечебных учреждениях через медицинскую одежду, постельное белье, корпуса медицинского оборудования и др.
Одним из путей решений вышеуказанных проблем является придание натуральным и искусственным, в т.ч. медицинским, материалам и поверхностям антисептических свойств, например, с помощью биоцидных наночастиц. Волокна, импрегнированные биоактивными наночастицами, проявляют биоцидные свойства – антибактериальные, противогрибковые, противовирусные [4]. В большинстве современных исследований в области применения наночастиц для уничтожения патогеннов, основное внимание уделяется однокомпонентным наноматериалам (например, наночастицам оксида меди CuO, оксида цинка ZnO, серебра Ag). До недавнего времени серебро оставалось наиболее популярным материалом, который предлагался как эффективное антимикробное средство. Однако последние исследования показывают, что серебро при применении в действующих концентрациях оказывает цитотоксический эффект на клетки организма человека [5]. Кроме того серебро имеет высокую стоимость, что приведет к заметному увеличению цены конечной продукции. Поэтому сейчас основное внимание уделяется применению в качестве бактерицидных и противовирусных материалов наночастицам CuO и ZnO, которые практически малотоксичны для человека.
Например, импрегнация биоактивных наночастиц оксида меди в фильтрующий материал позволяет придать одноразовым респираторным маскам мощные биоцидные свойства без изменения их барьерных свойств [6]. При контакте с вирусом ионы меди вызывают массовое повреждение компонентов клеточной стенки, вирусных генов и ключевых белков [7].
Таким образом, с использованием нанопорошков оксидов меди и цинка, возможно разработать ряд продуктов, позволяющих прервать пути передачи вирусов в быту и в медицинских учреждениях – лицевых масок, одежды медицинского персонала, перчаток, больничных простыней, корпусов медицинского оборудования, контейнеры для хранения продуктов, клавиатуру компьютеров, корпуса мобильных телефонов и др.

Компания «ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» может изготовить нанопорошки оксидов меди и цинка для разработки новых антимикробных материалов.

1.  Jefferson T, Foxlee R, Del Mar C, Dooley L, Ferroni E, et al. (2008) Physicalinterventions to interrupt or reduce the spread of respiratory viruses: systematicreview. BMJ 336: 77–80.
2. Jefferson T, Foxlee R, Del Mar C, Dooley L, Ferroni E, et al. (2007) Interventions for the interruption or reduction of the spread of respiratoryviruses. Cochrane Database Syst Rev 6207.
3. Zhiqing L. et al. Surgical masks as source of bacterial contamination during operative procedures //Journal of orthopaedic translation.2018; 14: 57-62.
4. Borkow, G. and Gabbay, J. (2004). Putting Copper into Action:Copper-impregnated Products with Potent Biocidal Activities, FASEB Jounal,18(14): 1728–1730.
5. Akter M. et al. A systematic review on silver nanoparticles-induced cytotoxicity: Physicochemical properties and perspectives //Journal of advanced research. – 2018. – Т. 9. – С. 1-16.
6. Gadi Borkow et al. A Novel Anti-Influenza Copper Oxide Containing Respiratory Face Mask // PLoS ONE, June 2010, Volume 5, Issue 6.
7. Borkow & Gabbay (2005) Copper as a biocidal tool. Current Medicinal Chemistry12:2163-75

ООО «ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Адрес: 634055, Российская Федерация, Томск, проспект Академический, 8/8
Телефон/Факс: +7 (3822) 28-68-72 , 8-961-888-16-24
http://www.nanosized-powders.com

Свойства метана | Sciencing

Обновлено 23 февраля 2020 г.

Лан Луо

Проверено: Lana Bandoim, B.S.

Метан (CH ₄ ) — бесцветный газ без запаха с тетраэдрической геометрией. Его химические свойства делают его полезным в качестве обычного источника топлива для производства газообразного водорода для удобрений и взрывчатых веществ, а также для синтеза ценных химикатов. Однако метан также является мощным парниковым газом.

Формула и структура метана

Метан имеет химическую формулу CH ₄ и молекулярную массу 16.043 г / моль. Молекула метана тетраэдрическая, с атомом углерода в центре и четырьмя атомами водорода по углам тетраэдра. Каждая связь C-H эквивалентна, и каждая связь разделена углом 109,5 °.

Физические свойства метана

Легче воздуха, метан имеет плотность 0,657 г / л при 25 ° C и давлении 1 атм. Он превращается в жидкость при температуре ниже -162 ° C и в твердое вещество при температуре ниже -182,5 ° C. Метан плохо растворяется в воде, его растворимость составляет 22.7 мг / л, но растворим в различных органических растворителях, таких как:

• этанол
  
• диэтиловый эфир
  
• ацетон
  
• бензол

Химические свойства

Некоторые из наиболее важных химических реакций с участием метана — горение. и галогенирование.

При сжигании метана выделяется значительное количество тепла (891 кДж / моль). Это многоступенчатая реакция окисления, которую можно описать следующим уравнением:

Одна молекула газообразного метана реагирует с двумя молекулами газообразного кислорода в условиях горения с образованием одной молекулы газообразного диоксида углерода, двух молекул водяного пара и энергия.

Выбрасывая только углекислый газ и воду, метан является самым чистым горючим ископаемым топливом и составляет большую часть природного газа. Хотя метан относительно стабилен, он может быть взрывоопасным , когда его содержание в воздухе составляет от 5 до 14 процентов, и он был причиной многих катастроф на шахтах.

Несмотря на то, что в промышленных масштабах это сложно, метан может быть частично окислен до метанола ферментом метанмонооксигеназой. Интересно, что группа бактерий N-DAMO, как было обнаружено, применяла анаэробное окисление метана с нитритом в качестве окислителя.

Метан также может реагировать с галогеном в следующих радикальных условиях:

Радикал хлора сначала генерируется радикальным инициатором, таким как ультрафиолетовый свет . Этот радикал хлора отрывает атом водорода от метана с образованием хлороводорода и метильного радикала. Затем метильный радикал реагирует с молекулой хлора (Cl ₂ ), в результате чего образуется хлорметан и радикал хлора, который проходит через другой цикл реакции, если его не обрывает другой радикал.

Использование метана

Метан находит множество промышленных применений благодаря его разносторонним химическим свойствам. Это важный источник водорода и углерода для различных органических материалов.

Метан является основным компонентом природного газа, который является обычным источником топлива. Он широко используется для питания домов, турбин, автомобилей и других вещей. Метан также можно сжижать для облегчения хранения или транспортировки. В сочетании с жидким кислородом очищенный жидкий метан может служить источником топлива для ракет.

Природный газ также используется для производства газообразного водорода в промышленных масштабах, поскольку метан может реагировать с паром при высоких температурах (от 700 до 1100 ° C) с образованием монооксида углерода и газообразного водорода в присутствии катализатора. Затем водород используется для производства аммиака, который является прекурсором для удобрений и взрывчатых веществ. Как хороший источник углерода, метан также используется для синтеза хлороформа, четыреххлористого углерода, нитрометана и метанола. Технический углерод, образующийся при неполном сгорании метана, является армирующим агентом для резины в шинах.

Метан как парниковый газ

В устойчивой системе метан, выбрасываемый в атмосферу, поглощается естественными стоками метана, такими как почва и процесс окисления метана в тропосфере.

Однако увеличение выбросов метана в последние десятилетия способствовало возникновению парникового эффекта. Несмотря на свою небольшую концентрацию, метан нагревает планету в 86 раз больше, чем углекислый газ, еще один парниковый газ. Будем надеяться, что усилия по контролю за выбросами метана могут замедлить парниковый эффект, пока не стало слишком поздно.

Метан: формула, свойства, применение

Метан — источник, формула, структура, свойства, использование

Что такое метан?

Метан (CH ₄ ) , также называемый болотным газом, представляет собой простейшее углеводородное соединение алканов или парафиновой группы с правильной тетраэдрической химической структурой.Природный газ — основной источник молекул метана. Молекула CH ₄ является важным химическим продуктом органического разложения болот и болот. Органическое соединение, метан, образуется в результате воздействия бактерий на болота и болота в нашей окружающей среде. Ферментация осадка сточных вод бактериями дает около 70 процентов газообразного метана, а также 40 процентов по объему в угольном газе. Он используется как жидкое топливо в нашей повседневной жизни. Метан является частью парниковых газов, которые вызывают глобальное потепление, удерживая тепло.

Структурная формула метана

Четыре атома водорода в молекуле CH ₄ эквивалентны без дипольного момента. Следовательно, угол связи, энергия связи и длина связи всех углеродных водородных связей эквивалентны в молекуле CH ₄ .

Как производить метан?

Метан — основная часть природного болотного газа, синтезируемого путем электрического удара между угольными электродами в атмосферном водороде или при нагревании смеси углерода и никеля при 475 ° C в присутствии водорода.

Сабатье и Сендеренс в 1897 году изобрели уравнение для производства метана, пропуская смесь водорода и монооксида углерода или диоксида углерода над мелкодисперсными элементами, такими как никель, при температуре около 300 ° C.

CO + 3H ₂ → CH ₄ + H ₂ O
CO ₂ + 4H ₂ → CH ₄ + 2H ₂ O

Лабораторная подготовка СН

В лаборатории его обычно готовят путем нагревания химического состава 1: 3 из ацетата натрия и натронной извести.Его также получают восстановлением метилиодида с растворением металлов или сильным основанием литийалюминийгидрида. CH ₃ COONa + (NaOH + CaO) → CH ₄ + Na ₂ CO ₃ .

CH ₄ получают путем гидролиза неорганических соединений, таких как карбид алюминия или реактив Гриньяра (метилмагниййодид), молекулой воды. Al ₄ C ₃ + 12H ₂ O → 3CH ₄ + 4Al (OH) ₃ .

Свойства метана

Болотный газ, имеющий общее название метан, представляет собой простейшее природное ненасыщенное углеводородное соединение в ряду алкенов с молекулярной формулой CH ₄ .При нормальной температуре метан (CH ₄ ) представляет собой неядовитое газообразное легковоспламеняющееся вещество без цвета и запаха.

Химические свойства

Этот газ менее растворим в воде, но более растворим в органических растворителях (спирте и эфире). Таким образом, в 100 мл воды растворяется около 5 мл газа CH ₄ при 20 ° C.В химии термодинамическое горение метана дает несветящееся пламя в воздухе или кислороде, образуя диоксид углерода и воду.

Химические реакции

• При смешивании с воздухом природный газ сильно взрывается, что вызывает взрыв в угольных шахтах, где метан известен как пожаро-влажный.
• В присутствии подходящего химического катализатора производит метанол и формальдегид.
• Но когда смесь метана и кислорода проходит через медную трубку при давлении 100 атм и температуре 200 ° C, образуется химическое соединение метанол.

Использование метана

• Метан при нагревании до 1000 ° C или неполном сгорании газа образует углерод или очень мелкодисперсную сажу, которая используется в лакокрасочной промышленности, чернилах для принтеров и резиновой промышленности для изготовления автомобильных шин.
• Метан также используется в качестве органического топлива в повседневной жизни.
• Он используется для получения органических соединений, таких как метилхлорид, ацетилен, формальдегид и метанол, которые в основном используются на химических предприятиях.
• Синтез-газ образуется, когда смесь метана и пара проходит над нагретым никелем, нанесенным на глинозем, который используется в химической промышленности для получения различных химикатов. Он широко используется в качестве природного источника газообразного водорода в химической промышленности.

Метан как парниковый газ

Сейчас серьезное беспокойство по поводу увеличения использования метана, диоксида углерода, CFC, озона, закиси азота и водяного пара в атмосфере вызывает повышение глобальной температуры, и этот эффект известен как парниковый эффект.А вот теплицу зимой используют для содержания в уездах за счет искусственного обогрева. Вклад газа CH ₄ в глобальное потепление составляет от 16 до 20 процентов. Следовательно, CH ₄ нагревает атмосферу Земли за счет улавливания излучения электромагнитного спектра (ИК) от солнечного света или тепла, отраженного от поверхности земли.

Воздействие метана на окружающую среду

В последнее время из-за многих глобальных мероприятий, таких как промышленная революция и использование природного газа, концентрация парниковых газов (CFC, двуокись углерода.метан и т. д.) увеличивается. Средняя температура земной атмосферы вырастет примерно на 2,5 ° C в следующие 30 лет, что приведет к серьезному изменению климата в мире.

Полярные ледяные шапки будут таять косвенно из-за парниковых газов метана или углекислого газа. Следовательно, они повышают уровень моря. Поэтому многие приморские населенные пункты, в том числе и большая Исландия, полностью затоплены. Поэтому, чтобы спасти нашу цивилизацию, используйте возобновляемые источники энергии неископаемого топлива, такие как солнечная, ветровая, гидроэлектрическая и ядерная энергия.

Метан — структура, свойства, использование и часто задаваемые вопросы

Что такое метан?

Обнаруженная итальянским физиком Алессандро Вольта в 1776 году была простейшая форма насыщенных углеводородов, названная метаном. Метан — газ без запаха и цвета. Он имеет четыре атома водорода и один атом углерода, поэтому его также называют тетраэдрической молекулой. Химическая формула метана — Ch5. Более того, метан также является самым простым алканом на Земле. Метан также находится на морском дне, под землей, за исключением атмосферы, где он присутствует в изобилии.Здесь также важно отметить, что метан — нетоксичный, но легковоспламеняющийся газ.

Структура метана Ch5

[Изображение будет скоро загружено]

Структура метана тетраэдрическая, состоящая из 3 атомов водорода и 1 атома углерода. Эта структура очень важна в органической химии, поскольку она является основой всех соединений, в которых атом углерода связан с четырьмя другими атомами. Кроме того, здесь важно отметить, что тетраэдрический валентный угол метана составляет 109,5 °.Теория VSEPR (валентная оболочка-электронная пара отталкивания) дополнительно объясняет молекулярную форму метана как форму с минимальным взаимным отталкиванием

Свойства метана

Поскольку метан является простейшим алканом, а также простейшей формой насыщенных углеводородов, он Необходимо обязательно узнать о свойствах такого уникального соединения. Некоторые из важных свойств метана перечислены ниже:

• Химическая формула метана — Ch5.

• Молярная масса метана равна 16.04 г / моль.

• Метан легче воздуха с удельным весом 0,554.

• Растворим только в воде.

• При сжигании метана образуется слегка бледное, слегка светящееся и очень горячее пламя.

• Метан также является одним из важнейших парниковых газов.

• Чистый метан также используется для отопления и приготовления пищи, поскольку он богат энергией с плотностью энергии 55.7 МДж / кг.

• Температура кипения метана составляет −161,50 ° C.

• Температура плавления метана -182,5 ° C.

• Метан легко воспламеняется

• Пары метана легче воздуха.

• При длительном воздействии огня или тепла метан может разорвать контейнер, в котором он находится, и коромысло.

• Метан также играет роль ископаемого топлива и метаболита бактерий.

• Одно из химических свойств метана состоит в том, что он является сопряженной кислотой метанида.

Использование метана

Метан с химической формулой Ch5 обладает уникальными свойствами, благодаря которым метан может использоваться во многих случаях в повседневной жизни. Ниже перечислены некоторые популярные виды использования метана.

• Поскольку метан является источником энергии, он используется в автомобилях, печах, а также в водонагревателях в качестве топлива.

• Еще одним популярным применением метана является производство электроэнергии.

• Метан, очищенный в жидкой форме, также используется в качестве ракетного топлива.

• Метан также используется в промышленности в качестве ингредиента антифриза.

• Метан также часто используется в качестве удобрения.

• Продукты для дезинфекции содержат определенную долю метана.

• Метан используется при испытании газовых приборов.

• Газовые плиты работают на метане в качестве топлива.

• Метан из-за неполного сгорания может использоваться в качестве усиливающего агента в резине, используемой в автомобильных шинах, поскольку неполное сгорание метана дает углеродную сажу.

• Метан также используется в производстве различных химикатов.

• Метан обычно используется в различных промышленных продуктах.

• В целлюлозно-бумажной промышленности метан используется в качестве продукта.

• Предприятия, которым требуются такие виды использования, как осушение, плавление, сушка, также используют метан.

• Метан также широко используется в автомобильной промышленности.

Термодинамические свойства смесей CO2 + SO2 + Ch5 в широком диапазоне температур и давлений. Оценка совместного улавливания CO2 / SO2 в присутствии Ch5 для CCS

Основные моменты

•

Термодинамические данные для двух CO _{2 Сообщается о смесях, обогащенных} , содержащих SO ₂ и CH ₄ .

•

Валидация двух широко используемых уравнений состояния исследуемых смесей.

•

Исследование воздействия SO ₂ и CH ₄ на транспортировку, закачку и хранение CO ₂ .

•

4,72 моль% SO ₂ преодолевает негативное влияние 1,85 моль% CH ₄ на большинство аспектов.

Abstract

В данной работе измерения плотности, парожидкостного равновесия и скорости звука смесей [CO ₂ +4.72 моль% SO ₂ + 1,85 моль% CH ₄ ] и [CO ₂ + 0,09 моль% SO ₂ + 1,54 моль% CH ₄ ] были выполнены в диапазоне температур 263–373K и при давлении до 30 МПа по плотности и до 190 МПа по скорости звука. Для измерения скорости звука смеси были легированы 0,8 моль% CH ₃ OH. Мы сравнили наши результаты со значениями, рассчитанными с использованием расширенной версии уравнения состояния дымовых газов (EOS-CG), которое включает бинарные модели для CO ₂ + SO ₂ и CO ₂ + CH ₄ подсистем, а также уравнение состояния статистической теории ассоциированной жидкости (PC-SAFT) с цепочкой возмущений, таким образом подтверждая оба уравнения.По результатам наших экспериментов мы оценили влияние одновременного присутствия SO ₂ и CH ₄ в качестве примесей в антропогенном CO ₂ на выбранные параметры технологии улавливания и хранения углерода. Понимая, что химические эффекты не учитывались, мы пришли к выводу, что присутствие 4,72 моль% SO ₂ компенсирует отрицательное влияние 1,85 моль% CH ₄ на большинство изучаемых параметров, что приводит к созданию благоприятной жидкости для углерод, улавливание и хранение, в отличие от смеси с 0.09 моль% SO ₂ и 1,54 моль% CH ₄ .

Ключевые слова

CO ₂

SO ₂

CH ₄

Плотность

Скорость звука

VLE

Уравнение состояния

Статьи CCS

Солевой раствор (0)

© 2019 Elsevier Ltd. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Температурная чувствительность выбросов CO2 и Ch5 зависит от свойств русловых отложений

Микробная метаболическая активность

Подробная информация о методе и результатах статистического анализа представлена ​​в разделе 2.7 и дополнительная таблица 1. Результаты ММА представлены в виде нг Rru, полученного на мкг Raz, добавленного в сосуд в нулевой момент времени. Все сообщенные ошибки представляют собой ± 1 стандартное отклонение. Когда мы ссылаемся на тестирование контрастов, подробно описанное в дополнительной таблице 1, мы отмечаем в скобках число контрастности и значение p .

MMA значительно увеличивался с температурой на неконтролируемых субстратах (рис. 2, C1, p значение <0,01). MMA in Chalk _fine увеличился на 1260% с 5 до 21 ° C, производя MMA на 400% больше, чем у второго по величине производства (Chalk _medium при 21 ° C).Единственная другая значительная активность наблюдалась в отложениях Sandstone _fine и Chalk _medium при более высоких температурах, что привело к значительно большим пересечениям для ММА в тонкодисперсных отложениях по сравнению с другими типами отложений для обеих геологических структур (C3, p значение <0,01 для Мел и C4, p значение <0,01 для песчаника). Также наблюдалось значительное увеличение MMA с температурой в тонкодисперсных отложениях по сравнению с контрольными экспериментами (C5, p value <0.01). Этого и следовало ожидать, поскольку прогнозируется, что мелкие отложения будут иметь более активную активность, и существует значительный температурный градиент по всем типам отложений. То же самое относится и к производству CO ₂ и CH ₄ .

Влияние температуры на метаболическую активность микробов и образование парниковых газов из донных отложений. Почасовое производство Resorufin, CO ₂ и CH ₄ в зависимости от температуры для каждого типа субстрата (мелкого, среднего и крупного) по разному геологическому происхождению (мел, синий и триасовый песчаник, оранжевый).Столбики ошибок представляют собой одно стандартное отклонение.

MMA был выше для мела _{, мелкого} , чем песчаника _{, мелкого} , несмотря на одинаковое содержание ОВ в обеих геологических структурах (3,6%). Мы предполагаем, что это связано с различиями в ароматичности углерода, которая составляла 17,3% в отложениях Chalk _fine и 20,9% в отложениях Sandstone _fine . Углерод в мелкой фракции Chalk имел более низкую ароматичность, следовательно, углерод был более биодоступным, что приводило к большему количеству ММА.

Линейная зависимость между температурой и ММА, как сообщалось ранее, является постоянной во всех экосистемах ³⁶ , в этом исследовании не наблюдалась.Более высокий микробный метаболизм наблюдался в отложениях Chalk _fine , Chalk _medium и Sandstone _fine при 21 ° C, чем при 26 ° C. Анаэробные условия могут вызвать снижение ММА; но концентрация кислорода в водной толще для отложений Chalk _fine , Chalk _medium и Sandstone _fine увеличилась между 21 ° C и 26 ° C, таким образом, концентрация кислорода не может объяснить наблюдаемое снижение метаболизма (дополнительный рис. 1).

Содержание и геологическое происхождение ОВ оказали существенное влияние на ММА при более высоких температурах (рис.3). Большинство отложений демонстрируют низкие скорости ММА от 5 до 15 ° C, и только мел _{мелкий мел} дает более высокие скорости при 15 ° C (11,8 ± 2,2 нг Rru мкг ^-1 Raz h ^-1 ), что указывает на начало повышенная реакционная способность при 15 ° C в Chalk _fine . Пересечение для MMA было значительно больше для мела, чем для песчаника (значение C2 p = 0,02), а для MMA было больше в меловых отложениях при 21 и 26 ° C. Разница в скорости между геологическим происхождением была больше при 21, чем 26 ° C, что отражает более высокий MMA при 21 ° C (максимум 65.7 ± 32,1 нг Rru мкг ⁻¹ Raz h ⁻¹ ), чем 26 ° C (максимум 56,8 ± 24,7 нг Rru мкг ⁻¹ Raz h ⁻¹ ) в меловых отложениях. Скорость метаболизма была наибольшей в тонкодисперсных отложениях при более высоких температурах: мел _мелкий больше, чем песчаник _мелкий при 21 и 26 ° C.

Влияние органических веществ на метаболическую активность микробов и производство парниковых газов из донных отложений. Почасовое производство Resorufin, CO ₂ и CH ₄ в зависимости от содержания органических веществ для каждой температуры (5, 9, 15, 21 и 26 ° C) для мела (синий), триасового песчаника (оранжевый) и контроля (черный ) эксперименты.Планки погрешностей представляют собой одно стандартное отклонение.

Raz и Rru сорбируются на отложениях, что несет в себе риск того, что MMA мог быть недооценен во время этих экспериментов и всех предыдущих применений индикатора. Однако, поскольку такая потенциальная недооценка имела место для всех исследованных типов отложений, ожидается, что влияние на интерпретацию результатов будет минимальным. Кроме того, ожидается, что в тонкодисперсных отложениях сорбция будет несколько выше, а следовательно, и недооценка.Поскольку мелкие отложения имели наибольший MMA, потенциальная недооценка в этих отложениях не повлияла бы на вывод о том, что метаболизм был наибольшим в тонких отложениях. Также возможно, что сорбция и извлечение массы Rru различались между типами отложений и геологическим происхождением, однако, основываясь на предыдущих исследованиях [37] и относительно низком содержании органического вещества во всех типах отложений в этом исследовании, ожидается, что незначительный эффект.

Различия в малых темпах производства привели к нереалистичным значениям температурного коэффициента ( Q ₁₀ ), поэтому здесь обсуждаются только значения Q ₁₀ , при которых наблюдались заметные уровни активности.Это также относится к обсуждению CO ₂ и CH ₄ ниже.

Q _10MMA значения обычно находились в диапазоне от 0,0 до 3,3 (дополнительная таблица 2), подтверждая ранее сообщенные значения ^34,38 . Высокий Q _10MMA значения 9,0 от 9 до 15 ° C для мела _мелкий , 22,2 от 15 до 21 ° C для мела _мелкий и 1425,3 от 15 до 21 ° C в отложениях Chalk _{средний} , отражали повышенную частоту дыхания, наблюдаемую в этих отложениях при данных температурах.Наблюдаемое значение Q _10MMA для среды Chalk между 15 и 21 ° C было значительно больше, чем ранее сообщенные значения (выше), что связано с незначительными скоростями MMA при 15 ° C, за которыми следуют высокие скорости при 21 ° C. ° C после того, как микробное сообщество отреагировало на повышенную температуру. Эти значения Q _10MMA подчеркивают разницу в температурной реакции в зависимости от геологического происхождения, при этом значительное увеличение частоты дыхания наблюдается только в меловых отложениях при более высоких температурах.

Производство диоксида углерода

Подробная информация о результатах статистического анализа приведена в дополнительной таблице 3. Мел _{, мелкий} и песчаник _{, мелкий} дали самые высокие уровни добычи CO ₂ , с увеличением на 220 и 150% по сравнению с 5 до 26 ° C, соответственно, с максимальной потенциальной производительностью CO ₂ 65,6 ± 5,9 мг C · м ⁻² час ⁻¹ , наблюдаемой в мелкодисперсных осадках Chalk при 26 ° C. CO ₂ производительность значительно увеличивалась с увеличением температуры на подложках по сравнению с контролем (рис.2, C1, p значение <0,01). Эти результаты согласуются с выводами предыдущих исследований, которые показали, что производство CO ₂ линейно увеличивается с повышением температуры ²⁸ . Однако взаимосвязь между температурой и потенциальным образованием CO ₂ , наблюдаемая в этом исследовании, варьировалась в зависимости от субстрата, со значительным (C3, p значение = 0,01 для мела и C4, p value <0,01 для песчаника) более высокими темпами производства. в тонких отложениях, чем в средних и крупных.Дебиты CO ₂ не сильно различались между отложениями Chalk _fine и Sandstone _fine , что ожидалось с учетом аналогичного содержания ОВ в этих отложениях (3,6%). Однако MMA был выше у мелка , чем у песчаника _{мелкого;} было отмечено, что производительность CO ₂ не отражает наблюдаемые темпы добычи Rru, несмотря на то, что производство Rru часто используется в качестве прокси для MMA. Несколько удивительно, что в Chalk _coarse при 5 и 9 ° C в аэробных условиях наблюдалось отрицательное образование CO ₂ , что может быть связано с двумя процессами.Во-первых, отрицательное образование CO ₂ может происходить при высоком pH из-за того, что водная карбонатная система действует как поглотитель CO ₂ . Это наблюдалось ранее при pH более 8,5 ³⁹ , а средний pH Chalk _coarse при 5 и 9 ° C составлял 8,3 ± 0,1, что близко к этому пороговому значению. Поэтому возможно, что полученный здесь CO ₂ не диффундировал в свободное пространство, а оставался в растворе в виде карбоната. Во-вторых, производительность рассчитывалась по разнице концентраций от 0 до 5 часов.Поскольку Chalk _{крупный} имел такие низкие концентрации CO ₂ в свободном пространстве, возможно, что CO ₂ из атмосферы растворялся в водяном столбе при этих низких температурах, снижая концентрацию CO ₂ в свободном пространстве с течением времени.

Содержание и геологическое происхождение ОВ оказали существенное влияние на потенциальную продуктивность CO ₂ , особенно при более высоких температурах (рис. 3). Оба потока имели одинаковые скорости производства CO ₂ для мелкодисперсных отложений, что значительно превышало дебиты для средних и крупных отложений (C3, p value <0.01 для мела и C4, p значение <0,01 для песчаника). В средних и крупных отложениях песчаника были обнаружены несколько более высокие дебиты CO ₂ , чем в меловых, с содержанием ОВ менее 2%. В целом, градиенты продуктивности CO ₂ в меле были значительно выше, чем в отложениях песчаника (C2, , значение p <0,01). Обратите внимание, что пересечение для песчаника было значительно больше, чем для мела (значение C2, , p = 0,02), что указывает на то, что зависимость от температуры не была линейной, и когда учитывались средние выбросы на банку, разница не была значимой.При 15 ° C мел _мелкий , мел _{средний} и песчаник _мелкий реагировали на повышенную температуру с повышенной производительностью по сравнению с 9 ° C, указывая на то, что пороговое значение 15 ° C требовалось для улучшения биогеохимической обработки в обеих геологических условиях. . При 21 ° C производительность CO ₂ была аналогична производительности при 15 ° C; без существенного увеличения производства. Значительное увеличение производительности CO ₂ наблюдалось при температуре от 26 ° C в тонких отложениях до 65.6 ± 5,9 мг С · м ⁻² час ⁻¹ для мела и 53,1 ± 4,7 мг С · м ⁻² час ⁻¹ для песчаника. Это противоречит наблюдаемому ММА, что может указывать на отсутствие метаболической причины наблюдаемого снижения ММА с 21 до 26 ° C. Разница между дебитами CO ₂ в тонких отложениях уменьшилась между 21 и 26 ° C.

Q _10CO2 значения обычно находились в диапазоне от 0,1 до 4,0 (дополнительная таблица 2), что было аналогично ранее сообщенным значениям в озерных отложениях ⁴⁰ .Более высокие значения указывают на большую температурную зависимость в некоторых случаях: значения Q _10CO2 8,1 для Chalk _fine от 9 до 15 ° C и 4,9 для Sandstone _fine от 21 до 26 ° C. Эти значения Q _10CO2 подчеркивают разницу в реакции двух геологических источников: мел _мелкий реагирует на повышение температуры раньше, чем песчаник _мелкий (15 и 26 ° C, соответственно).

Потенциальная производительность CO ₂ в диапазоне примерно от 70 до 156 нмоль CO ₂ г ^-1 ч ^-1 , от 10 до 25 ° C в песчаных отложениях и от 147 до 261 нмоль CO ₂ g ^-1 h ^-1 , от 3 до 22 ° C в бескислородных тонких отложениях, наблюдались ранее ^28,41 .Эти значения для предыдущих исследований больше, чем наблюдаемые здесь, где диапазон от 18 до 53 нмоль CO ₂ г ^-1 ч ^-1 для Chalk _fine и от 18 до 45 нмоль CO ₂ г ^-1 h ^-1 в песчанике _мелкий от 5 до 26 ° C. Различные единицы обсуждаются выше из-за отсутствия доступной информации для преобразования опубликованных значений в мг м ⁻² час ⁻¹ . Мелкодисперсные отложения характеризовались высокой скоростью кругооборота углерода: 82 дня для мела и 105 дней для песчаника при температуре 15 ° C (типичная для текущего климата).С учетом потепления эти скорости составили 71 день для мела и 122 дня для песчаника при 21 ° C, 50 дней для мела и 62 дня для песчаника при 26 ° C. Таким образом, наши результаты показывают, что время оборота отложений C может сократиться почти вдвое в будущих климатических условиях, когда температура в русле достигает 26 ° C (характерно для многих средиземноморских водотоков), что имеет серьезные последствия для биогеохимического круговорота и спирали питательных веществ в пресноводных экосистемах.

Производство метана

Подробная информация о результатах статистического анализа представлена ​​в дополнительной таблице 4.Максимальная потенциальная производительность CH ₄ 2,2 ± 0,2 мг C м ⁻² час ⁻¹ наблюдалась в Chalk _fine при 21 ° C. Производительность CH ₄ существенно не увеличивалась с увеличением температуры на всех субстратах (рис.2), что контрастирует с наблюдениями предыдущих исследований, в которых сообщается, что потоки CH ₄ сильно варьируются в зависимости от температуры в разных экосистемах ³⁰ , хотя скорость повышения с температурой было значительным для всех типов отложений по сравнению с контролем (C1, , p значение <0.01). Вместо этого высокая выработка CH ₄ наблюдалась только в отложениях Chalk _fine , Chalk _medium и Sandstone _fine , где дебиты увеличились с 5 ° C до 26 ° C, это может быть связано с предположением, что местный факторы являются доминирующим контролем над производством CH ₄ ¹² . Это наблюдение может быть связано с вскипанием, так как оно связано с более мелкими отложениями ⁴² , что объясняет высокие дебиты мелкого _{мелкого} и песчаника _{мелкого} , а также отложения с высоким содержанием ОВ ^42,43 , что приводит к повышенному уровню добычи в здесь исследованы три отложения с наибольшим содержанием ОВ.Температурная чувствительность дебитов CH ₄ не соответствовала меловым и песчаниковым отложениям. Скорости были выше при 21, чем 26 ° C в отложениях Chalk _fine и Chalk _medium , тогда как скорости увеличивались с повышением температуры в отложениях Sandstone _fine . Образцы в Chalk _fine и Chalk _medium CH ₄ скорости производства соответствовали тенденциям, наблюдаемым в микробном метаболизме, и могут быть объяснены увеличением окисления CH ₄ с температурой, наряду с аноксическими условиями ²⁸ .Еще одно объяснение наблюдаемой геологической разницы заключается в том, что потоки мела термически защищены за счет грунтовых вод, что приводит к уменьшению экстремальных температур летом и зимой ⁴⁴ ; Таким образом, ожидается, что микробное сообщество мела будет адаптировано к более низким температурам и может плохо реагировать на экстремальные температуры, например 26 ° С. Образцы песчаника _мелкий CH ₄ темпы добычи, однако, не соответствовали таковым для MMA, с более очевидным увеличением добычи CH ₄ , чем MMA, с повышением температуры, которое было нелинейным.

Отношения CH ₄ : CO ₂ обычно повышаются с температурой для мелких отложений с увеличением CH ₄ : CO ₂ на 10% для мелка _{мелкого} и 2840% для песчаника _{мелкого} наблюдается при повышении температуры на 1 ° C от 5 до 26 ° C (дополнительный рис. 2). Различия в увеличении соотношений между геологическим происхождением показывают, что относительное увеличение было значительно выше в отложениях песчаника, чем в отложениях мела, что указывает на большую долю C, высвобождаемого в виде CH ₄ , чем CO ₂ в отложениях песчаника.Снижение производства CH ₄ с 21 до 26 ° C вызвало снижение содержания CH ₄ : CO ₂ в осадке Chalk _fine , что привело к увеличению отношения на 58% для температуры 1 ° C. увеличивают с 5 до 21 ° С. Увеличение отношения CH ₄ : CO ₂ с температурой наблюдалось ранее и связано с высокой температурной зависимостью образования CH ₄ , вариацией кинетики между CH ₄ и CO ₂ и возможное выделение CH ₄ из отложений до преобразования в CO ₂ ^28,29,30,45 .Обнаруженные здесь соотношения выше, чем те, о которых сообщалось ранее в тонких бескислородных отложениях мела, которые показали, что повышение температуры на 1 ° C приводит к увеличению отношения CH ₄ : CO ₂ на 4% в диапазоне температур 3–22 ° С ²⁸ . Средние и крупные отложения показали относительно небольшое изменение соотношения CH ₄ : CO ₂ в зависимости от температуры (от 4 до 15% с увеличением на 1 ° C от 5 до 26 ° C), за исключением 21 ° C в Chalk _{. средний осадок} , что привело к увеличению отношения CH ₄ : CO ₂ на 159% при повышении температуры на 1 ° C с 5 до 21 ° C.Хотя большинство приростов средних и крупных соотношений CH ₄ : CO ₂ были относительно низкими по сравнению с мелкими отложениями, они все же были стабильно выше (до 4 раз), чем наблюдалось ранее ²⁸ . Высокие отношения CH ₄ : CO ₂ часто интерпретируются как индикаторы значительного человеческого влияния ¹² , что может объяснить высокие значения, наблюдаемые в этом исследовании для сельскохозяйственных потоков, в которых отношения CH ₄ : CO ₂ заметно превышены значения, указанные ранее.Наблюдаемые соотношения подчеркивают актуальность исследования биогеохимического круговорота, чтобы уменьшить производство парниковых газов, особенно в сельскохозяйственных потоках.

Содержание и геологическое происхождение ОВ оказали большое влияние на дебиты CH ₄ , особенно при более высоких температурах (рис. 3), что привело к значительным различиям в дебитах в зависимости от геологии (C2, , p , значение = 0,01). Мелкодисперсные отложения имели одинаковую производительность как при 9 ° C, так и при 26 ° C. При 15 и 21 ° C увеличение производительности в мелкодисперсных отложениях Chalk привело к четкой разнице между геологическим происхождением мелких отложений.Это указывает на начало увеличения производительности при 15 ° C для Chalk _fine . Произошло значительное снижение производительности CH ₄ в отложениях Chalk _fine с 21 до 26 ° C, наряду с увеличением добычи CH ₄ в песчанике _fine , что привело к аналогичным показателям добычи при 26 ° C. (см. выше). Средние и крупные отложения имели одинаковую низкую продуктивность при всех температурах, за исключением 21 ° C, где произошло увеличение продуктивности CH ₄ в отложениях Chalk _medium до 0.548 ± 0,075 мг С · м ⁻² час ⁻¹ . Это привело к значительно большему градиенту дебита и средней скорости на яс в мелкозернистых отложениях по сравнению со средними и крупными отложениями (значение C3, p <0,01 для мела и значение C4, p <0,01 для песчаника). Значительно более крупные пересечения песчаника в этих сравнениях указывают на нелинейную зависимость.

48% значений Q _10Ch5 находились в диапазоне от 0,0 до 4.1 (дополнительная таблица 2), аналогично ранее сообщенным значениям в озерных отложениях ⁴⁰ , с большими значениями, указывающими на большую температурную зависимость. Мелкие осадки мела привели к высоким значениям Q _10Ch5 , составляющим 134,9 между 9 и 15 ° C и 9,3 между 15 и 21 ° C. Песчаник _мелкий привел к высоким значениям Q _10Ch5 : 227,6 между 9 и 15 ° C и 12,2 между 21 и 26 ° C. Эти мелкие отложения, значения Q _10Ch5 , подчеркивают разницу в реакции двух геологических источников, причем оба сначала реагируют на повышение температуры при 15 ° C, затем мел _мелкий дает высокие дебиты CH ₄ раньше, чем песчаник _{. штраф} (21 и 26 ° C соответственно).Мел _{средний} дал высокое значение Q _10Ch5 163,2 между 15 и 21 ° C, что подчеркивает повышенный уровень образования CH ₄ , наблюдаемый при 21 ° C. Наблюдаемые здесь большие значения Q _10Ch5 были получены при изначально незначительных скоростях продукции CH ₄ с последующими повышенными темпами по мере того, как микробное сообщество реагировало на повышение температуры.

CH ₄ производительность линейно увеличивается с повышением температуры в бескислородных тонких отложениях потоков мела, увеличиваясь с 22 нмоль CH ₄ г ^-1 ч ^-1 при 3 ° C до 80 нмоль CH ₄ г ^-1 ч ^-1 при 22 ° C ²⁸ .Эти скорости были намного выше, чем наблюдаемые здесь, которые варьировались от 0,1 нмоль CH ₄ г ^-1 ч ^-1 при 5 ° C до 0,6 нмоль CH ₄ г ^-1 ч ^-1 при 26 ° C мел _мелкий и 0,0 нмоль CH ₄ г ^-1 час ^-1 при 5 ° C до 0,4 нмоль CH ₄ г ^-1 час ^-1 при 26 ° C в песчанике _мелкий . Низкая, аналогичная скорость образования CH ₄ , наблюдаемая здесь на средних и крупных подложках при всех температурах, за исключением Chalk _medium при 21 ° C (максимум 0.03 нмоль CH ₄ г ^-1 h ^-1 ) наблюдалось ранее, хотя в предыдущих экспериментах использовались сезонно собранные отложения, и поэтому другие факторы окружающей среды, такие как наличие субстрата, также могли влиять на производительность. Эти ранее наблюдаемые скорости составляли приблизительно 1,0 нмоль CH ₄ г ^-1 h ^{-1 41} , что выше, чем наблюдаемые здесь в средних и крупных отложениях, что может быть связано с большим количеством общего органического углерода. присутствует в отложениях предыдущего исследования.

Растворенный кислород

Как правило, концентрация кислорода в водяном столбе снижается с повышением температуры, что приводит к большой разнице между более низкой и высокой температурами. Концентрация кислорода в толще воды показала аналогичную тенденцию как для отложений мела, так и для песчаника, с аналогичными концентрациями, наблюдаемыми от 5 до 15 ° C, прежде чем снизиться до аналогичных концентраций при 21 и 26 ° C, что привело к анаэробным условиям в некоторых отложениях. . Также наблюдалось снижение растворенного кислорода с повышением температуры в контроле, как и ожидалось из-за физического контроля растворимости кислорода, однако это снижение не было таким выраженным в контроле, как при обработке осадка (дополнительный рис.1).

Анализ локального энергетического разложения и молекулярные свойства инкапсулированного метана в фуллерене (Ch5 @ C60)

Метан был успешно заключен в клетки фуллерена C ₆₀ , который является подходящей модельной системой для изучения эффектов локализации. Его химия и физика также актуальны для описания теоретических моделей. Здесь мы обеспечиваем понимание межмолекулярных взаимодействий и предсказанных спектроскопических откликов комплекса CH ₄ @C ₆₀ и сравниваем их с результатами других методов и литературными данными.Был использован анализ локального энергетического разложения (LED) в рамках доменной локальной пары естественных орбитально связанных кластерных одиночных, двойных и пертурбативных троек (DLPNO-CCSD (T)), а также предложен эффективный протокол для исследования эндоэдральных комплексов фуллеренов. . Этот подход позволил нам оценить энергии относительно электронного и геометрического приготовления, электростатики, обмена и лондонской дисперсии для эндоэдрального комплекса CH ₄ @C ₆₀ .Расчетная энергия стабилизации CH ₄ внутри фуллерена C ₆₀ составила −13,5 ккал моль ⁻¹ , и ее величина была значительно больше, чем скрытая теплота испарения CH ₄ . Оценка частот колебаний и поляризуемостей комплекса CH ₄ @C ₆₀ показала, что инфракрасная (ИК) и рамановская полосы эндоэдрального CH ₄ были практически «тихими» из-за диэлектрической проницаемости. экранирующий эффект C ₆₀ , который действовал как молекулярная клетка Фарадея.Спектры поглощения в УФ-видимой области и потенциалы ионизации C ₆₀ и CH ₄ @C ₆₀ были предсказаны. Они были почти идентичны. Рассчитанные ¹ H / ¹³ Сдвиги ЯМР C и константы спин-спинового взаимодействия очень хорошо согласуются с экспериментальными данными. Кроме того, были рассчитаны эталонные энергии взаимодействия DLPNO-CCSD (T) для комплексов с благородными газами (Ng @ C ₆₀ ; Ng = He, Ne, Ar, Kr).Значения сравнивались со значениями, полученными из супрамолекулярных вычислений MP2 / SCS-MP2, и оценками с формулами лондонского типа Pyykkö и соавторами [ Phys. Chem. Chem. Phys. , 2010, 12 , 6187–6203], и со значениями, полученными на основе теории возмущений, адаптированной к симметрии (DFT-SAPT) Hesselmann & Korona [ Phys. Chem. Chem. Phys. , 2011, 13 , 732–743]. Рассмотрены отдельные точки на поверхности потенциальной энергии эндоэдрального тримера He ₂ @C ₆₀ .В отличие от предыдущих теоретических попыток с использованием методов DFT / MP2 / SCS-MP2 / DFT-SAPT, наши расчеты на уровне теории DLPNO-CCSD (T) предсказывали тример He ₂ @C ₆₀ быть термодинамически устойчивым, что согласуется с экспериментальными наблюдениями.