Metan – výroba, vlastnosti a použití

Metan: obecná charakteristika

Metan je nejjednodušší sloučenina v homologické řadě alifatických uhlovodíků. Molekulární vzorec metanu je _CH4 . Jeho molekula je tvořena jedním atomem uhlíku a čtyřmi atomy vodíku. Všechny vazby mezi atomy v molekule metanu jsou kovalentní (sigma vazby). Experimentálně se ukázalo, že mají stejnou délku a energii. Úhly mezi vazbami jsou stejné při 109°28′. Molekula metanu má tvar pravidelného čtyřstěnu. V souladu s tím atom uhlíku přijímá hybridizaci ^sp3 .

Příprava a vlastnosti

Metan je v přírodě poměrně běžný, jeho hlavním zdrojem je zemní plyn. Ložiska tohoto fosilního paliva se nejčastěji nacházejí hluboko pod zemí nebo na dně moří a oceánů, odkud se těží. Produkt získaný z takových zdrojů se často nazývá organický plyn, tj. plyn vznikající přeměnou organické hmoty za vysoké teploty a tlaku. Metan se také nachází v bahně doprovázejícím uhelné vrstvy a také v bahenním plynu uvolňovaném při rozkladu rostlinných zbytků. V druhém případě je plyn produktem řady rozkladných procesů organických látek. Významná množství metanu se hromadí pod mořským dnem oceánu ve formě metanových klatrátů, kde je plynný metan uvězněn uvnitř jakési „klece“ tvořené molekulami vody. V laboratorních podmínkách se metan získává řadou způsobů. Jedním z nich je přímá syntéza z uhlíku a vodíku při vysoké teplotě (500°C) . Laboratoře často využívají reakci karbidu hliníku s vodou k výrobě molekul metanu a také hydroxidu hlinitého. Při provádění reakce byste měli pamatovat na to, že metan je plynná látka, takže pokud chcete výsledný produkt shromáždit, musíte připravit speciální systém pro zachycení plynných produktů. Další laboratorní metodou je zahřívání směsi octanu sodného a hydroxidu sodného při zvýšené teplotě (dekarboxylace). Fyzikální a chemické vlastnosti metanu:

• Plyn bez barvy a zápachu při pokojové teplotě.
• Vysoce hořlavý. Hoří modrým plamenem.
• Jednotlivé molekuly metanu jsou velmi stabilní, ale jeho směs se vzduchem nebo kyslíkem je výbušná (obsah metanu od 5 %do cca 14 %obj.).
• Plyn je odolný vůči chemickým činidlům.
• Jeho hustota je nižší než hustota vzduchu.
• Je nerozpustný ve vodě.
• Dobře rozpustný v organických rozpouštědlech.
• Je netoxický.

Metan prochází řadou důležitých chemických reakcí . Mezi ty nejdůležitější patří spalovací reakce . Při neomezeném přívodu vzduchu dochází k úplnému spálení metanu. Výsledkem reakce je oxid uhličitý a voda. Tento typ spalování je nejbezpečnější a nejúčinnější. Při omezeném přívodu kyslíku dochází k neúplnému spalování metanu. V závislosti na množství dodávaného kyslíku produkty takového spalování zahrnují buď jedovatý oxid uhelnatý (II) a vodu, nebo uhlík a vodu. Metan nereaguje s bromem a kyselinou manganistanou. To vysvětluje chybějící změnu barvy bromové vody a roztoku manganistanu draselného (VII). S chlórem však reaguje poměrně snadno. Alkanové reakce s halogeny jsou vysoce exotermické. Reakce mezi metanem a chlorem jsou radikální. Důležité je, že k chloraci tohoto nejjednoduššího alkanu nedochází ve tmě (je obvykle iniciována světlem). Aby reakce proběhla, musel by se celý systém zahřát na teplotu vyšší než 250 °C . K chloraci metanu dochází, když se molekula chloru rozloží na dva radikály, které pak reagují s druhým substrátem a vedou ke vzniku methylových radikálů a chlorovodíku. Chlorační reakce nekončí ve fázi monochlorace. Vzniklé radikály interagují s molekulami chloru nebo radikály chloru. Molekula, která nepodléhá další chloraci, je tetrachlormethan, kde jsou všechny atomy vodíku nahrazeny atomy chloru. Ve skutečnosti koncová směs obsahuje všechny uvedené deriváty.

Klíčové aplikace metanu v průmyslu

Jednou z hlavních aplikací metanu je jeho využití jako zdroje energie . Energie se získává spalováním paliv obsahujících tuto sloučeninu. Zemní plyn je příkladem takového paliva. Jeho obsah metanu přesahuje 90 %. Po vytěžení jde téměř přímo k soukromým spotřebitelům a průmyslovému sektoru. Spalování metanu se také používá v plynových turbínách k výrobě elektřiny a tepla. Lze jej použít i k vytápění domácností. Metan se používá k pohonu motorových vozidel . Jako palivo je uváděn na trh pod názvem CNG (stlačený zemní plyn) nebo LNG (zkapalněný zemní plyn) . Jeho spalování v autech je ve srovnání s naftou nebo benzínem mnohem efektivnější. Je zřejmé, že chemický průmysl je velkým uživatelem metanu. Jednou chemickou aplikací je výroba vodíku v procesu zvaném parní reformování. Rostoucí zájem o vodík jako palivo budoucnosti tedy znamená rostoucí zájem o metan. Mezi další chemické procesy využívající metan patří výroba metanolu , uhelného plynu nebo plastů . Metan se nepřímo podílí i na výrobě pneumatik. Saze produkované nedokonalým spalováním plynu jsou jednou z přísad používaných k vyztužení pryže používané k výrobě pneumatik automobilů. Stejné saze lze použít při výrobě barev a tiskařských barev .

Metan jako skleníkový plyn

Mezi plyny a emisemi, které mají největší vliv na globální oteplování, je na prvním místě oxid uhličitý . Jedná se o druh znečišťující látky, který přetrvává v atmosféře velmi dlouhou dobu, až několik tisíc let. Metan je však ještě nebezpečnější hrozbou pro klima . Jako znečišťující látka je přítomen „pouze“ asi 10 až 15 let, mnohem kratší dobu než oxid uhličitý, ale jeho dopad na skleníkový efekt je mnohem větší.

Klatráty metanu

Zajímavým příkladem metanových ložisek, která mohou být potenciálně cenným zdrojem této látky, jsou tzv. klatráty metanu. Vzhledem k jejich chemické struktuře můžete často slyšet, jak se jim říká hydrát metanu, hydrometan nebo metanový led. Metanové klatráty jsou kombinací molekul vody a molekul metanu. Voda v tomto případě tvoří strukturu podobnou kleci, uvnitř které je zadržován metan. Nejsou mezi nimi žádné chemické vazby . Klatráty se vyznačují krystalickou strukturou a vznikají za zvýšeného tlaku. Fyzicky vypadají jako bílé pevné látky. Jsou bez zápachu a na dotek připomínají polystyren . Nejčastěji se nalézají klatráty metanu, které se skládají ze 46 molekul vody, které obklopují dvě malé a šest středně velkých „klecí“. Uvnitř nich je uvězněn metan. Metanové klatráty stále nejsou plně prozkoumaným zdrojem energie. Právě kvůli možnosti získávat z nich značné množství metanu pro energetické účely přitahují značný zájem. Výsledná surovina může být velmi dobrou alternativou ke konvenčním zdrojům uhlovodíků , avšak nedostatečné znalosti o těžbě metanu z klatrátů představují velké riziko pro životní prostředí, které může být důsledkem nekontrolovaného uvolňování metanu do atmosféry.

Biometan

Biometan je definován jako plyn získaný z bioplynu. Bioplyn je naproti tomu plyn získaný z biomasy. Vzniká přeměnou organické hmoty, včetně rostlinného a živočišného odpadu, skládek nebo čistíren odpadních vod. Metan obvykle tvoří asi 55 %bioplynu. Bioplyn se obvykle používá přímo, zatímco jeho čištění na čistý biometan se provádí pouze ve výjimečných situacích. Biometan se vyskytuje ve dvou skupenstvích: plynné a kapalné. Vzniká při metanové fermentaci biologického odpadu. Prakticky veškerý takto získaný biometan je určen pro účely výroby energie. Mnoho společností a výrobních závodů využívá bioplyn a biometan, který obsahuje, k pohonu zařízení, která nyní často využívají energii ze zemního plynu. Přestože se jedná o obnovitelný zdroj energie, spalování biometanu má za následek značné emise oxidu uhličitého, který je skleníkovým plynem. Čtěte také: etan , propan , butan .