ساختار و خواص

متان ترکیب آلی با ساده ترین ساختار است. مولکول ها از یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن تشکیل شده اند. بر این اساس، این ماده متعلق به هیدروکربن ها است. در مولکول، اتم های هیدروژن از طریق یک جفت الکترون مشترک (پیوند اتمی غیر قطبی) به اتم کربن متصل می شوند و بنابراین بخشی از کلاس مواد است. آلکان ها برای انتصاب. چهار جفت الکترون مشترک که پیوندهای بین اتم کربن و چهار اتم هیدروژن را ایجاد می کنند یکدیگر را دفع می کنند. بنابراین، اتم‌ها در یک صفحه ذخیره نمی‌شوند، بلکه از نظر مکانی در یک راستا قرار دارند. مولکول متان به شکل چهار وجهی است (شکل 3). برای نشان دادن، یک کره را تصور کنید، نقاط روی گوشته که از هم دورتر هستند، گوشه های چهار وجهی را نشان می دهند. اگر به طور ذهنی مرکز کره را با گوشه های چهار وجهی متصل کنید، مدلی به دست می آید که پیوندها را با زوایای آنها در مولکول متان منعکس می کند. این به ویژه در مدل میله توپ به خوبی نشان داده شده است.

خواص این ماده از ساختار مولکول های متان ناشی می شود. مولکول های متان بسیار کوچک هستند، بنابراین جرم مولکولی آنها کم است. علاوه بر این، پیوندهای اتمی بین اتم های کربن و هیدروژن فقط قطبی ضعیفی هستند. این باعث می شود که تنها نیروهای جاذبه ضعیفی بین مولکول ها عمل کنند. در شرایط استاندارد، متان گازی است و فقط چگالی کمی دارد.

• دمای ذوب: -182.5 ℃
• دمای جوش: -161 درجه سانتیگراد
• چگالی (در دمای 25 درجه سانتی گراد و 101.3 کیلو پاسکال): 0.72 گرم در لیتر

از آن زمان مولکول متان از آنجایی که متان یک مولکول غیر قطبی است، به سختی در آب (حلال قطبی) محلول است اما در حلال های آلی (غیر قطبی) مانند بنزین بسیار محلول است.

متان اولین عضو از سری همولوگ آلکان ها است. مانند تمام هیدروکربن ها، متان نیز قابل اشتعال است. با شعله آبی می سوزد. واکنش کامل با اکسیژن بسیار گرمازا است. واکنش زمانی که کنترل نشود انفجاری است:

CH4 + 2 O2→ CO2 + 2 ساعت2OQ = -890 کیلوژول⋅مول-1

با این حال، در بخاری‌های گازسوز و وسایل نقلیه گاز طبیعی، متان با هوا به صورت کنترل‌شده واکنش نشان می‌دهد به طوری که انرژی آزاد شده می‌تواند برای گرم کردن خانه‌ها یا رانندگی ماشین‌ها استفاده شود.

از آنجایی که پیوندهای غیرقطبی CH نسبتاً پایدار هستند، متان به غیر از احتراق با اکسیژن، تنها چند واکنش را متحمل می‌شود. اینها شامل اکسیداسیون ناقص به متانول و واکنش های جایگزینی با هالوژن است که در صنعت نیز استفاده می شود.

تولید

در فناوری، متان با تمیز کردن تولید می شود گاز طبیعی (نسبت متان بسته به ترکیب مخلوط تا 90٪ است). علاوه بر این، متان نیز در طی فرآوری نفت خام، به عنوان مثال در فرآیندهای کراکینگ، به مقدار زیادی تولید می شود.
یکی از امکان‌های تولید از طریق یک واکنش شیمیایی، به اصطلاح سنتز FISCHER-TROPSCH است که در آن مونوکسید کربن با هیدروژن واکنش می‌دهد.

CO + 3H2→ CH4 + اچ2OQ = -206 کیلوژول⋅مول-1

کاربرد و اهمیت متان

از آنجایی که متان در مقادیر زیاد به عنوان یک ماده خام نسبتا ارزان در دسترس است، از آن به عنوان ماده اولیه برای چندین سنتز آلی استفاده می شود. بنابراین، با واکنش های جایگزینی هالوآلکان ها به عنوان مثال، B. کلروآلکان (اما هیچ یدوآلکان) تشکیل شد.

CH4 + 2 سی سی2→ CH2کلاس2 + 2 HCl

متان همچنین به عنوان ماده اولیه برای سنتز آمونیاک مهم است. در یک فرآیند چند مرحله ای، متان ابتدا به صورت کاتالیزوری با کمبود بخار تبدیل می شود.

CH4 + H2O → CO + 3H2

در مرحله دوم، متان باقیمانده با هوا واکنش داده و نیتروژن مورد نیاز از این طریق وارد می شود.

2 CH4 + O2 + (4 N2) → 2 CO + 4 H2 + (4 N2)

مونوکسید کربن تشکیل شده در هر دو مرحله اکنون به طور کاتالیزوری با بخار به هیدروژن و دی اکسید کربن تبدیل می شود (تبدیل).

پس از شسته شدن دی اکسید کربن، نیتروژن و هیدروژن در کوره تماس واکنش داده و آمونیاک تشکیل می دهند. مراحل فرآیند حاضر به گونه ای هماهنگ شده اند که نیتروژن و هیدروژن به نسبت لازم 1:3 در فرآیند تولید می شوند.

گزینه دیگر اضافه کردن مخلوطی از مونوکسید کربن و هیدروژن است متانول برای پیاده سازی:

CO + 2H2→گربه. CH3اوه

با این حال، متان عمدتاً به عنوان منبع انرژی به دلیل احتراق بسیار گرمازا آن استفاده می شود (به بالا مراجعه کنید). به عنوان مثال، گاز طبیعی (جزء اصلی متان) به طور مستقیم به عنوان گاز گرمایش استفاده می شود. همچنین به عنوان منبع انرژی برای تولید برق عمل می کند و به عنوان سوخت برای وسایل نقلیه موتوری خاص استفاده می شود.

برخلاف نیروگاه‌های زغال‌سنگ، نیروگاه‌های گازسوز برای تولید برق را می‌توان از حالت سکون تا بار کامل در مدت زمان بسیار کوتاهی راه‌اندازی کرد. این بدان معنی است که آنها عملکرد مهمی در پوشش تقاضای انرژی الکتریکی در زمان اوج مصرف دارند.
بیوگاز تشکیل شده در برج های هضم تصفیه خانه های فاضلاب یا بیوگاز تولید شده از ضایعات آلی در کارخانه های مربوطه نیز می تواند به عنوان گاز گرمایش استفاده شود.

متان – منبع انرژی سازگار با محیط زیست یا خطر آب و هوایی غیرقابل محاسبه؟

متان به عنوان نسبی است منبع انرژی سازگار با محیط زیست مورد بحث است زیرا احتراق آن دی اکسید کربن کمتری در هر کیلووات ساعت تولید شده نسبت به سایر سوخت های فسیلی آزاد می کند. از آنجایی که دی اکسید کربن یک گاز گلخانه ای است، به عنوان مثال. به عنوان مثال، استفاده از متان یا گاز طبیعی به جای بنزین یا گازوئیل به عنوان سوخت برای وسایل نقلیه موتوری می تواند منجر به انتشار کمتر دی اکسید کربن شود.

در این زمینه اخیراً صحبت از ذخایر بزرگ هیدرات متان در کف دریا شده است. تخمین زده می شود که دوازده تریلیون تن در آنجا ذخیره شده است. این بدان معناست که مقدار کربن موجود در آن حداقل دو برابر مقدار کربن موجود در نفت، گاز و زغال سنگ است. با توجه به کاهش ذخایر سوخت های فسیلی ذکر شده، هیدرات متان می تواند منبع انرژی در آینده باشد.

با این حال، مشکلاتی برای برچیدن وجود دارد. با افزایش دما و کاهش فشار، متان خارج می شود زیرا هیدرات متان در شرایط استاندارد پایدار نیست. پوسیدگی در حال حاضر زمانی رخ می دهد که هیدرات متان به سطح دریا منتقل می شود. امکان ذوب یخ متان روی زمین و جمع آوری متان آزاد شده در حال بررسی است. جدا از مشکلات فنی، عواقب استخراج و استفاده از متان هیدرات هنوز قابل ارزیابی نیست.

متان نیز یک گاز گلخانه ای، که تاثیر زیادی بر اقلیم دارد. این اثر بیش از 20 برابر قوی تر از دی اکسید کربن است. اگر متان استفاده نشده در طول تجزیه هیدرات متان آزاد شود و در اتمسفر آزاد شود، این می تواند عواقب گسترده ای داشته باشد.

از طریق اثر گلخانه ای – عمدتاً به دلیل انتشار در مقادیر بسیار بیشتر

CO 2ایجاد می شود – اما یک مارپیچ خطرناک را می توان به حرکت در آورد. برخی از محققان اقلیم تصور می کنند که گرم شدن کره زمین منجر به تغییر در جریان گلف استریم می شود و مناطقی در کف دریا که ذخایر هیدرات متان در آن قرار دارند ممکن است گرم شوند. این می تواند منجر به بی ثباتی و انتشار مقادیر زیادی متان شود که اثر گلخانه ای را تا حدی تشدید می کند که به سختی قابل تخمین است.

عواقب آن برای آب و هوا و محیط زیست ویرانگر خواهد بود. از یک طرف، آب دریا حتی بیشتر گرم می شود و از نظر تئوری تمام متان ذخیره شده در کف دریا می تواند آزاد شود. این باعث لرزش زیردریایی ها و لغزش توده های سنگی در حاشیه قاره می شود که منجر به سونامی های عظیمی می شود که می تواند مناطق وسیعی از زمین را برای همیشه سیل کند. همراه با ذوب شدن کلاهک های قطبی ناشی از اثر گلخانه ای تقویت شده با متان، چهره زمین به طور اساسی تغییر خواهد کرد.

اتفاقاً اخیراً فرض بر این است که نشت های کوچک گاز متان می تواند علت ناپدید شدن کشتی ها و هواپیماها در مثلث مرموز برمودا باشد. تغییر در چگالی آب یا هوا می تواند باعث غرق شدن یا سقوط آن شود.