מאפייני גז מתאן

מתאן (CH₄) הוא גז חסר צבע וריח עם גיאומטריה טטרהדרלית. התכונות הכימיות שלו הופכות אותו לשימוש כמקור דלק נפוץ, בייצור גז מימן לדשנים וחומרי נפץ ובסינתזת כימיקלים יקרי ערך. עם זאת, מתאן הוא גם גז חממה חזק.

למתאן הנוסחה הכימית של CH₄ ומשקל מולקולרי של 16.043 גרם למול. מולקולת המתאן היא טטרהדרלית, במרכזה אטום הפחמן וארבעת אטומי המימן בפינות הטטרהדרון. כל קשר C-H ​​שווה ערך, וכל קשר מופרד בזווית של 109.5 °.

קל יותר מאוויר, גז מתאן הוא בעל צפיפות של 0.657 גרם / ליטר ב 25 מעלות צלזיוס ולחץ אטמוספרי אחד. הוא הופך לנוזל הנמוך מ -162 מעלות צלזיוס ומוצק מתחת ל -182.5 מעלות צלזיוס. מתאן בקושי מסיס במים, עם מסיסות של 22.7 מ"ג / ליטר, אך הוא מסיס בממיסים אורגניים שונים כגון:

• אתנול
  
• אתר דיאתיל
  
• אֲצֵטוֹן
  
• בֶּנזִין

כמה מהתגובות הכימיות החשובות ביותר הקשורות למתאן הן בעירה והלוגן.

בעירה של מתאן משחררת משמעותית חוֹם (891 kJ / mol). זוהי תגובת חמצון רב-שלבית וניתן לסכם אותה במשוואה באופן הבא:

מולקולה אחת של מתאן גזי מגיבה עם שתי מולקולות של גז חמצן בתנאי בעירה ליצירת מולקולה אחת של גז פחמן דו חמצני, שתי מולקולות של אדי מים ואנרגיה.

השחרור של פחמן דו חמצני ומים בלבד, מתאן הוא הדלק המאובנים הנקי ביותר והמהווה את רוב הגז הטבעי. למרות שמתאן הוא יציב יחסית, זה יכול להיות חומר נפץ כאשר תכולתו היא בין 5 ל -14 אחוזים באוויר, והיא הייתה הגורם לאסונות מוקשים רבים.

למרות שמאתגר בקנה מידה תעשייתי, ניתן לחמצן חלקית את המתאן למתנול על ידי האנזים של מתאן מונו-חמצן. מעניין לציין שקבוצת חיידקי N-DAMO נמצאה מאמצת חמצון אנאירובי של מתאן עם ניטריט כמחמצן.

מתאן יכול גם להגיב עם הלוגן בתנאים רדיקליים באופן הבא:

רדיקל הכלור נוצר לראשונה על ידי יוזם רדיקלי כגון אור אולטרה סגול. רדיקל כלור זה מפשט אטום מימן ממתאן ליצירת מימן כלור ורדיקל מתיל. רדיקל המתיל מגיב לאחר מכן עם מולקולת כלור (Cl₂), וכתוצאה מכך כלורומטן ורדיקל כלור, אשר עובר מחזור תגובה אחר אלא אם כן הוא הופסק על ידי רדיקל אחר.

ישנם שימושים תעשייתיים רבים למתאן, הודות לתכונותיו הכימיות המגוונות. זהו מקור חשוב של מימן ופחמן עבור חומרים אורגניים שונים.

מתאן הוא המרכיב העיקרי בגז טבעי, המהווה מקור דלק נפוץ. נעשה בו שימוש נרחב להפעלת בתים, טורבינות, מכוניות ודברים אחרים. מתאן יכול גם להיות מנוזל כדי להקל על האחסון או ההובלה. בשילוב עם חמצן נוזלי, מתאן נוזלי מזוקק יכול לשמש מקור דלק לרקטות.

גז טבעי משמש גם לייצור גז מימן בקנה מידה תעשייתי שכן מתאן יכול להגיב עם קיטור בטמפרטורות גבוהות (700 עד 1,100 מעלות צלזיוס) להניב פחמן חד חמצני וגז מימן בנוכחות a זָרָז. מימן משמש לייצור אמוניה, שהוא מבשר לדשנים ונפצים. כמקור טוב לפחמן, מתאן משמש גם לסינתזת כלורופורם, פחמן טטרכלוריד, ניטרומתן ומתנול. הפחמן השחור הנוצר עם בעירה לא מלאה של מתאן הוא חומר חיזוק לגומי בצמיגים.

במערכת בת קיימא, מתאן המשתחרר לאטמוספירה נלקח על ידי כיורי מתאן טבעיים כמו האדמה ותהליך חמצון המתאן בטרופוספירה.

עם זאת, פליטת מתאן מוגברת בעשורים האחרונים תרמה לאפקט החממה. למרות ריכוזו הקטן, מתאן מחמם את כדור הארץ פי 86 מפחמן דו חמצני, גז חממה נוסף. יש לקוות שמאמצים לבקרת פליטת מתאן עלולים להאט את אפקט החממה לפני שיהיה מאוחר מדי.