Μεθάνιο (CH4) είναι ένα άχρωμο, άοσμο αέριο με τετραεδρική γεωμετρία. Οι χημικές του ιδιότητες το καθιστούν χρήσιμο ως κοινή πηγή καυσίμου, στην παραγωγή αερίου υδρογόνου για λιπάσματα και εκρηκτικά και στη σύνθεση πολύτιμων χημικών. Ωστόσο, το μεθάνιο είναι επίσης ένα ισχυρό αέριο θερμοκηπίου.
Τύπος και δομή μεθανίου
Το μεθάνιο έχει τον χημικό τύπο CH4 και μοριακό βάρος 16.043 g / mol. Το μόριο του μεθανίου είναι τετραεδρικό, με το άτομο άνθρακα στο κέντρο και τα τέσσερα άτομα υδρογόνου στις γωνίες του τετραέδρου. Κάθε δεσμός C-H είναι ισοδύναμος και κάθε δεσμός διαχωρίζεται με γωνία 109,5 °.
Φυσικές ιδιότητες του μεθανίου
Ελαφρύτερο από τον αέρα, το αέριο μεθάνιο έχει πυκνότητα 0,657 g / L στους 25 ° C και 1 ατμοσφαιρική πίεση. Μετατρέπεται σε υγρό κάτω από -162 ° C και στερεό κάτω από -182,5 ° C. Το μεθάνιο είναι σχεδόν διαλυτό στο νερό, με διαλυτότητα 22,7 mg / L, αλλά είναι διαλυτό σε διάφορους οργανικούς διαλύτες όπως:
- αιθανόλη
- διαιθυλαιθέρα
- ακετόνη
- βενζόλιο
Χημικές ιδιότητες
Μερικές από τις πιο σημαντικές χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν μεθάνιο είναι η καύση και η αλογόνωση.
Η καύση του μεθανίου απελευθερώνει σημαντική θερμότητα (891 kJ / mol). Είναι μια αντίδραση οξείδωσης πολλαπλών σταδίων και μπορεί να συνοψιστεί με την εξίσωση ως εξής:
Ένα μόριο αερίου μεθανίου αντιδρά με δύο μόρια αερίου οξυγόνου υπό συνθήκες καύσης σχηματίζοντας ένα μόριο αερίου διοξειδίου του άνθρακα, δύο μόρια υδρατμών και ενέργειας.
Απελευθερώνοντας μόνο διοξείδιο του άνθρακα και νερό, το μεθάνιο είναι το καθαρότερο καύσιμο ορυκτό καύσιμο και αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του φυσικού αερίου. Αν και το μεθάνιο είναι σχετικά σταθερό, μπορεί να είναι εκρηκτικός όταν το περιεχόμενό του κυμαίνεται μεταξύ 5 και 14 τοις εκατό και υπήρξε αιτία πολλών ναρκών.
Αν και είναι δύσκολο σε βιομηχανική κλίμακα, το μεθάνιο μπορεί να οξειδωθεί μερικώς στη μεθανόλη με ένζυμο μονοοξυγενάσης μεθανίου. Είναι ενδιαφέρον ότι μια ομάδα βακτηρίων N-DAMO βρέθηκε να υιοθετεί αναερόβια οξείδωση του μεθανίου με το νιτρώδες ως οξειδωτικό.
Το μεθάνιο μπορεί επίσης να αντιδράσει με αλογόνο υπό ριζικές συνθήκες ως εξής:
Η ρίζα χλωρίου δημιουργείται αρχικά από έναν εκκινητή ριζών όπως υπεριώδες φως. Αυτή η ρίζα χλωρίου αφαιρεί ένα άτομο υδρογόνου από μεθάνιο για να σχηματίσει ένα υδροχλώριο και μια μεθυλική ρίζα. Η ρίζα του μεθυλίου στη συνέχεια αντιδρά με ένα μόριο χλωρίου (Cl2), με αποτέλεσμα το χλωρομεθάνιο και μια ρίζα χλωρίου, η οποία διέρχεται έναν άλλο κύκλο αντίδρασης εκτός εάν τερματιστεί από άλλη ρίζα.
Χρήσεις μεθανίου
Υπάρχουν πολλές βιομηχανικές χρήσεις για το μεθάνιο, χάρη στις ευέλικτες χημικές του ιδιότητες. Είναι μια σημαντική πηγή υδρογόνου και άνθρακα για διάφορα οργανικά υλικά.
Το μεθάνιο είναι το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου, το οποίο είναι μια κοινή πηγή καυσίμου. Χρησιμοποιείται ευρέως για την τροφοδοσία σπιτιών, στροβίλων, αυτοκινήτων και άλλων πραγμάτων. Το μεθάνιο μπορεί επίσης να υγροποιηθεί για την ευκολία αποθήκευσης ή μεταφοράς. Όταν συνδυάζεται με υγρό οξυγόνο, το εξευγενισμένο υγρό μεθάνιο μπορεί να χρησιμεύσει ως πηγή καύσιμα για πυραύλους.
Το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή αερίου υδρογόνου σε βιομηχανική κλίμακα αφού το μεθάνιο μπορεί να αντιδράσει με ατμό σε υψηλές θερμοκρασίες (700 έως 1.100 ° C) για να αποδώσει μονοξείδιο του άνθρακα και αέριο υδρογόνο παρουσία α καταλύτης. Στη συνέχεια χρησιμοποιείται υδρογόνο για την παραγωγή αμμωνίας, η οποία είναι πρόδρομος για λιπάσματα και εκρηκτικά. Ως καλή πηγή άνθρακα, το μεθάνιο χρησιμοποιείται επίσης για τη σύνθεση χλωροφορμίου, τετραχλωράνθρακα, νιτρομεθανίου και μεθανόλης. Η αιθάλη που παράγεται με την ατελή καύση του μεθανίου είναι ένας ενισχυτικός παράγοντας για ελαστικό στα ελαστικά.
Το μεθάνιο ως αέριο θερμοκηπίου
Σε ένα βιώσιμο σύστημα, το μεθάνιο που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα απορροφάται από φυσικούς νεροχύτες μεθανίου όπως το έδαφος και η διαδικασία οξείδωσης του μεθανίου στην τροπόσφαιρα.
Ωστόσο, οι αυξημένες εκπομπές μεθανίου τις τελευταίες δεκαετίες συνέβαλαν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Παρά τη μικρή συγκέντρωσή του, το μεθάνιο θερμαίνει τον πλανήτη 86 φορές περισσότερο από το διοξείδιο του άνθρακα, ένα άλλο αέριο του θερμοκηπίου. Ας ελπίσουμε ότι, οι προσπάθειες για τον έλεγχο των εκπομπών μεθανίου θα μπορούσαν να επιβραδύνουν το φαινόμενο του θερμοκηπίου πριν είναι πολύ αργά.
