Methaan – productie, eigenschappen en gebruik

Methaan: algemene kenmerken

Methaan is de eenvoudigste verbinding in de homologe reeks alifatische koolwaterstoffen. De molecuulformule van methaan is CH ₄ . Het molecuul bestaat uit één koolstofatoom en vier waterstofatomen. Alle bindingen tussen atomen in het methaanmolecuul zijn covalent (sigmabindingen). Experimenteel is aangetoond dat ze dezelfde lengte en energie hebben. De hoeken tussen bindingen zijn gelijk op 109°28′. Het methaanmolecuul heeft de vorm van een regelmatige tetraëder. Dienovereenkomstig neemt het koolstofatoom ^sp3- hybridisatie over.

Bereiding en eigenschappen

Methaan komt vrij veel voor in de natuur, waarbij aardgas de belangrijkste bron is. Afzettingen van deze fossiele brandstof worden meestal diep onder de grond of op de bodem van zeeën en oceanen aangetroffen, waar deze wordt gewonnen. Het product dat uit dergelijke bronnen wordt verkregen, wordt vaak organisch gas genoemd, dat wil zeggen gas dat wordt gegenereerd door de transformatie van organisch materiaal onder hoge temperatuur en druk. Methaan wordt ook aangetroffen in mijngas dat steenkoollagen vergezelt, evenals in moerasgas dat vrijkomt bij de ontbinding van plantenresten. In het laatste geval is het gas het product van een reeks vervalprocessen van organische stoffen. Onder de zeebodem van de oceaan worden aanzienlijke hoeveelheden methaan opgehoopt in de vorm van methaanclathraten, waar gasvormig methaan wordt opgesloten in een soort ‘kooi’ gevormd door watermoleculen. Onder laboratoriumomstandigheden wordt methaan op een aantal manieren verkregen. Eén daarvan is de directe synthese uit koolstof en waterstof bij hoge temperatuur (500°C) . Laboratoria gebruiken vaak de reactie van aluminiumcarbide met water om methaanmoleculen te produceren, evenals aluminiumhydroxide. Wanneer u de reactie uitvoert, moet u er rekening mee houden dat methaan een gasvormige stof is, dus als u het resulterende product wilt verzamelen, moet u een speciaal systeem voorbereiden om de gasvormige producten op te vangen. Een andere laboratoriummethode is het verwarmen van een mengsel van natriumacetaat en natriumhydroxide bij een verhoogde temperatuur (decarboxylering). De fysische en chemische eigenschappen van methaan:

• Reukloos en kleurloos gas bij kamertemperatuur.
• Licht ontvlambaar. Het brandt met een blauwe vlam.
• Afzonderlijke methaanmoleculen zijn zeer stabiel, maar het mengsel ervan met lucht of zuurstof is explosief (methaangehalte van 5%tot ongeveer 14%per volume).
• Het gas is bestand tegen chemische middelen.
• De dichtheid is lager dan die van lucht.
• Het is onoplosbaar in water.
• Goed oplosbaar in organische oplosmiddelen.
• Het is niet giftig.

Methaan ondergaat een aantal belangrijke chemische reacties . De belangrijkste zijn onder meer verbrandingsreacties . Bij onbeperkte luchttoevoer vindt volledige verbranding van methaan plaats. De reactie resulteert in kooldioxide en water. Dit type verbranding is het veiligst en meest efficiënt. Wanneer de zuurstoftoevoer beperkt is, vindt onvolledige verbranding van methaan plaats. Afhankelijk van de hoeveelheid toegevoerde zuurstof omvatten de producten van een dergelijke verbranding het giftige koolmonoxide (II) en water of koolstof en water. Methaan reageert niet met broom en permangaanzuur. Dit verklaart het gebrek aan verandering in de kleur van broomwater en kaliumpermanganaat (VII)-oplossing. Het reageert echter relatief gemakkelijk met chloor . Alkaanreacties met halogenen zijn zeer exotherm. De reacties tussen methaan en chloor zijn radicaal. Belangrijk is dat de chlorering van dit eenvoudigste alkaan niet in het donker plaatsvindt (het wordt meestal geïnitieerd door licht). Om de reactie te laten plaatsvinden, zou het hele systeem moeten worden verwarmd tot een temperatuur van meer dan 250°C . Methaanchlorering vindt plaats wanneer een chloormolecuul uiteenvalt in twee radicalen, die vervolgens reageren met het andere substraat en leiden tot de vorming van methylradicalen en waterstofchloride. De chloreringsreactie stopt niet bij de monochloreringsfase. De gevormde radicalen gaan een interactie aan met chloormoleculen of chloorradicalen. Een molecuul dat geen verdere chlorering ondergaat, is tetrachloorkoolstof, waarbij alle waterstofatomen zijn vervangen door chlooratomen. In feite bevat het eindmengsel alle genoemde derivaten.

Belangrijke methaantoepassingen in de industrie

Een van de belangrijkste toepassingen van methaan is het gebruik ervan als energiebron . De energie wordt verkregen door brandstoffen te verbranden die deze verbinding bevatten. Aardgas is een voorbeeld van zo’n brandstof. Het methaangehalte bedraagt ​​meer dan 90%. Eenmaal gewonnen gaat het vrijwel rechtstreeks naar particuliere consumenten en de industriële sector. Methaanverbranding wordt ook gebruikt in gasturbines om elektriciteit en warmte op te wekken. Het kan ook worden gebruikt om huizen te verwarmen. Methaan wordt gebruikt om motorvoertuigen aan te drijven . Als brandstof wordt het op de markt gebracht onder de naam CNG (gecomprimeerd aardgas) of LNG (vloeibaar aardgas) . De verbranding ervan in auto’s is veel efficiënter in vergelijking met diesel of benzine. Het is duidelijk dat de chemische industrie een grote gebruiker van methaan is. Eén chemische toepassing is de productie van waterstof in een proces dat stoomreforming wordt genoemd. De groeiende belangstelling voor waterstof als brandstof van de toekomst brengt dus ook een groeiende belangstelling voor methaan met zich mee. Andere chemische processen waarbij methaan wordt gebruikt, zijn onder meer de productie van methanol , steenkoolgas of kunststoffen . Methaan is ook indirect betrokken bij de productie van banden. Het roet dat ontstaat bij onvolledige verbranding van het gas is een van de ingrediënten die worden gebruikt om rubber te versterken dat wordt gebruikt om autobanden te maken. Hetzelfde roet kan worden gebruikt bij de productie van verven en drukinkten .

Methaan als broeikasgas

Van de gassen en emissies die de grootste impact hebben op de opwarming van de aarde, komt koolstofdioxide op de eerste plaats. Het is een soort verontreinigende stof die zeer lang in de atmosfeer aanwezig blijft, tot wel enkele duizenden jaren. Methaan is echter nog een gevaarlijkere bedreiging voor het klimaat . Als verontreinigende stof is het ‘slechts’ zo’n 10 tot 15 jaar aanwezig, veel korter dan kooldioxide, maar de impact op het broeikaseffect is veel groter.

Methaan clathraten

Een interessant voorbeeld van methaanafzettingen die mogelijk een waardevolle bron van de stof kunnen zijn, zijn zogenaamde methaanclathraten. Gezien hun chemische structuur hoor je ze vaak methaanhydraat, hydromethaan of methaanijs noemen. Methaanclathraten zijn een combinatie van watermoleculen en methaanmoleculen. Water vormt in dit geval een kooiachtige structuur waarin methaan wordt opgesloten. Er zijn geen chemische bindingen tussen hen. Clathraten worden gekenmerkt door een kristallijne structuur en worden gevormd onder verhoogde druk. Fysiek zien ze eruit als witte vaste stoffen. Ze zijn geurloos en lijken bij aanraking op piepschuim . Meestal worden methaanclathraten gevonden die bestaan ​​uit 46 watermoleculen die twee kleine en zes middelgrote ‘kooien’ omringen. Daarin zit methaan vast. Methaanclathraten zijn nog steeds geen volledig onderzochte energiebron. Vanwege de mogelijkheid om er aanzienlijke hoeveelheden methaan uit te winnen voor energieopwekkingsdoeleinden, trekken ze aanzienlijke belangstelling. De resulterende grondstof kan een zeer goed alternatief zijn voor conventionele bronnen van koolwaterstoffen , maar onvoldoende kennis over de winning van methaan uit clathraten vormt een groot risico voor het milieu, wat een gevolg kan zijn van de ongecontroleerde uitstoot van methaan in de atmosfeer.

Biomethaan

Biomethaan wordt gedefinieerd als een gas dat wordt gewonnen uit biogas. Biogas daarentegen is een gas dat wordt gewonnen uit biomassa. Het wordt gevormd door de transformatie van organisch materiaal, inclusief plantaardig en dierlijk afval, stortplaatsen of afvalwaterzuiveringsinstallaties. Methaan is doorgaans goed voor ongeveer 55%van het biogas. Biogas wordt veelal direct ingezet, terwijl de zuivering tot puur biomethaan slechts in uitzonderlijke situaties plaatsvindt. Biomethaan komt in twee toestanden voor: gasvormig en vloeibaar. Het wordt gevormd tijdens de methaanvergisting van biologisch afval. Vrijwel al het aldus verkregen biomethaan is bestemd voor energieopwekking. Veel bedrijven en fabrieken gebruiken biogas en het biomethaan dat het bevat om de apparatuur aan te drijven die nu vaak energie uit aardgas gebruikt. Hoewel het een hernieuwbare energiebron is, resulteert de verbranding van biomethaan in een aanzienlijke uitstoot van kooldioxide, een broeikasgas. Lees ook: ethaan , propaan , butaan .