Właściwości metanu

Metan (CH₄) jest bezbarwnym, bezwonnym gazem o geometrii czworościennej. Jego właściwości chemiczne sprawiają, że jest on przydatny jako powszechne źródło paliwa, do produkcji gazowego wodoru do nawozów i materiałów wybuchowych oraz do syntezy cennych chemikaliów. Jednak metan jest również silnym gazem cieplarnianym.

Metan ma wzór chemiczny CH₄ i masa cząsteczkowa 16,043 g/mol. Cząsteczka metanu jest czworościenna, z atomem węgla w środku i czterema atomami wodoru w rogach czworościanu. Każde wiązanie C-H jest równoważne, a każde wiązanie jest oddzielone kątem 109,5°.

Lżejszy od powietrza metan ma gęstość 0,657 g/l w temperaturze 25°C i pod ciśnieniem 1 atmosferycznym. Przekształca się w ciecz poniżej -162°C i ciało stałe poniżej -182,5 °C. Metan jest słabo rozpuszczalny w wodzie, o rozpuszczalności 22,7 mg/L, ale jest rozpuszczalny w różnych rozpuszczalnikach organicznych, takich jak:

• etanol
  
• eter dietylowy
  
• aceton
  
• benzen

Niektóre z najważniejszych reakcji chemicznych z udziałem metanu to spalanie i halogenowanie.

Spalanie metanu uwalnia znaczne ciepło (891 kJ/mol). Jest to wieloetapowa reakcja utleniania, którą można podsumować równaniem w następujący sposób:

Jedna cząsteczka gazowego metanu reaguje z dwiema cząsteczkami gazowego tlenu w warunkach spalania, tworząc jedną cząsteczkę gazowego dwutlenku węgla, dwie cząsteczki pary wodnej i energii.

Uwalniający tylko dwutlenek węgla i wodę metan jest najczystszym spalającym się paliwem kopalnym i stanowi większość gazu ziemnego. Chociaż metan jest stosunkowo stabilny, może być materiał wybuchowy gdy jego zawartość w powietrzu wynosi od 5 do 14 procent i była przyczyną wielu katastrof górniczych.

Chociaż stanowi wyzwanie w skali przemysłowej, metan może być częściowo utleniony do metanolu przez enzym monooksygenazy metanowej. Co ciekawe, stwierdzono, że grupa bakterii N-DAMO przyjmuje beztlenowe utlenianie metanu azotynem jako utleniaczem.

Metan może również reagować z halogenem w warunkach rodnikowych w następujący sposób:

Rodnik chloru jest najpierw generowany przez inicjator rodnikowy, taki jak światło ultrafioletowe. Ten rodnik chloru oddziela atom wodoru od metanu, tworząc chlorowodór i rodnik metylowy. Rodnik metylowy reaguje następnie z cząsteczką chloru (Cl₂), w wyniku czego powstaje chlorometan i rodnik chloru, który przechodzi przez inny cykl reakcji, chyba że zostanie zakończony przez inny rodnik.

Metan ma wiele zastosowań przemysłowych dzięki jego wszechstronnym właściwościom chemicznym. Jest ważnym źródłem wodoru i węgla dla różnych materiałów organicznych.

Metan jest podstawowym składnikiem gazu ziemnego, który jest powszechnym źródłem paliwa. Jest szeroko stosowany do zasilania domów, turbin, samochodów i innych rzeczy. Metan może być również upłynniony w celu ułatwienia przechowywania lub transportu. W połączeniu z ciekłym tlenem rafinowany ciekły metan może służyć jako źródło paliwo do rakiet.

Gaz ziemny jest również używany do produkcji gazowego wodoru na skalę przemysłową, ponieważ metan może reagować z parą w wysokich temperaturach (700 do 1100 °C), aby uzyskać tlenek węgla i gazowy wodór w obecności katalizator. Wodór jest następnie wykorzystywany do produkcji amoniaku, który jest prekursorem nawozów i materiałów wybuchowych. Jako dobre źródło węgla metan jest również używany do syntezy chloroformu, czterochlorku węgla, nitrometanu i metanolu. Sadza powstająca w wyniku niecałkowitego spalania metanu jest środkiem wzmacniającym gumę w oponach.

W zrównoważonym systemie metan uwalniany do atmosfery jest pochłaniany przez naturalne pochłaniacze metanu, takie jak gleba, oraz proces utleniania metanu w troposferze.

Jednak zwiększone emisje metanu w ostatnich dziesięcioleciach przyczyniły się do efektu cieplarnianego. Pomimo niewielkiego stężenia metan ogrzewa planetę 86 razy bardziej niż dwutlenek węgla, inny gaz cieplarniany. Miejmy nadzieję, że wysiłki na rzecz kontroli emisji metanu mogą spowolnić efekt cieplarniany, zanim będzie za późno.