Eigenschappen van methaangas

Methaan (CH₄) is een kleurloos, geurloos gas met een tetraëdrische geometrie. Zijn chemische eigenschappen maken het nuttig als een gemeenschappelijke brandstofbron, bij de productie van waterstofgas voor meststoffen en explosieven, en bij het synthetiseren van waardevolle chemicaliën. Methaan is echter ook een krachtig broeikasgas.

Methaan heeft de chemische formule CH₄ en een molecuulgewicht van 16,043 g/mol. Het methaanmolecuul is tetraëdrisch, met het koolstofatoom in het midden en de vier waterstofatomen op de hoeken van de tetraëder. Elke C-H-binding is equivalent en elke binding wordt gescheiden door een hoek van 109,5°.

Lichter dan lucht heeft methaangas een dichtheid van 0,657 g/L bij 25 °C en 1 atmosferische druk. Het verandert in een vloeistof onder -162 °C en een vaste stof onder -182,5 °C. Methaan is nauwelijks oplosbaar in water, met een oplosbaarheid van 22,7 mg/L, maar is oplosbaar in verschillende organische oplosmiddelen zoals:

• ethanol
  
• diethyl ether
  
• aceton
  
• benzeen

Enkele van de belangrijkste chemische reacties waarbij methaan betrokken is, zijn verbranding en halogenering.

Bij verbranding van methaan komt fors vrij warmte (891 kJ/mol). Het is een meerstaps oxidatiereactie en kan als volgt worden samengevat door de vergelijking:

Eén molecuul gasvormig methaan reageert met twee moleculen zuurstofgas onder verbrandingsomstandigheden om één molecuul koolstofdioxidegas, twee moleculen waterdamp en energie te vormen.

Methaan, waarbij alleen koolstofdioxide en water vrijkomen, is de schoonst brandende fossiele brandstof en vormt het grootste deel van aardgas. Hoewel methaan relatief stabiel is, kan het explosief wanneer de inhoud tussen 5 en 14 procent in de lucht is, en het de oorzaak is geweest van veel mijnrampen.

Hoewel het een uitdaging is op industriële schaal, kan methaan gedeeltelijk worden geoxideerd tot methanol door het methaanmono-oxygenase-enzym. Interessant is dat een groep N-DAMO-bacteriën anaërobe oxidatie van methaan met nitriet als oxidatiemiddel aannam.

Methaan kan onder radicale omstandigheden ook als volgt reageren met halogeen:

Het chloorradicaal wordt eerst gegenereerd door een radicaalinitiator zoals: ultraviolet licht. Dit chloorradicaal onttrekt een waterstofatoom aan methaan om een ​​waterstofchloor- en een methylradicaal te vormen. De methylradicaal reageert dan met een chloormolecuul (Cl₂), resulterend in chloormethaan en een chloorradicaal, dat een andere reactiecyclus doorloopt, tenzij het wordt beëindigd door een ander radicaal.

Er zijn veel industriële toepassingen voor methaan, dankzij de veelzijdige chemische eigenschappen. Het is een belangrijke bron van waterstof en koolstof voor verschillende organische materialen.

Methaan is het primaire bestanddeel van aardgas, dat een veel voorkomende brandstofbron is. Het wordt veel gebruikt voor het aandrijven van huizen, turbines, auto's en andere dingen. Methaan kan ook vloeibaar worden gemaakt voor het gemak van opslag of transport. In combinatie met vloeibare zuurstof kan geraffineerd vloeibaar methaan dienen als bron van: brandstof voor raketten.

Aardgas wordt ook gebruikt om waterstofgas op industriële schaal te produceren, aangezien methaan kan reageren met stoom bij hoge temperaturen (700 tot 1.100 °C) waarbij koolmonoxide en waterstofgas worden verkregen in aanwezigheid van a katalysator. Waterstof wordt vervolgens gebruikt voor de productie van ammoniak, dat een voorloper is van meststoffen en explosieven. Als een goede koolstofbron wordt methaan ook gebruikt om chloroform, tetrachloorkoolstof, nitromethaan en methanol te synthetiseren. Het roet dat ontstaat bij onvolledige verbranding van methaan is een versterkend middel voor rubber in banden.

In een duurzaam systeem wordt methaan dat vrijkomt in de atmosfeer opgenomen door natuurlijke methaanputten zoals de bodem en het methaanoxidatieproces in de troposfeer.

De toegenomen methaanemissies in de afgelopen decennia hebben echter bijgedragen aan het broeikaseffect. Ondanks zijn kleine concentratie warmt methaan de planeet 86 keer zoveel op als koolstofdioxide, een ander broeikasgas. Hopelijk kunnen inspanningen om de uitstoot van methaan te beheersen het broeikaseffect vertragen voordat het te laat is.