Metan – otrzymywanie, właściwości, zastosowanie

Ogólna charakterystyka metanu

Metan jest najprostszym związkiem w szeregu homologicznym węglowodorów alifatycznych. Wzór sumaryczny metanu to CH₄. Cząsteczka tej substancji jest zbudowana z jednego atomu węgla i czterech atomów wodoru. Wszystkie wiązania pomiędzy atomami w cząsteczce metanu mają charakter kowalencyjny (są to wiązania sigma). Doświadczalnie wykazano, że mają one taką samą długość oraz energię. Kąty pomiędzy wiązaniami są równo cenne i wynoszą 109ᵒ28’. Cząsteczka tego związku przyjmuje kształt tetraedru, czyli czworościanu foremnego. W związku z tym atom węgla przyjmuje hybrydyzację określaną, jako sp³.

Otrzymywanie i właściwości

W przyrodzie metan jest spotykany dość często. Głównym jego źródłem jest gaz ziemny. Pokłady tego paliwa kopalnego najczęściej znajdują się głęboko pod ziemią lub na dnie mórz i oceanów, skąd są wydobywane. Często surowiec z takich źródeł nazywany jest gazem organicznym, czyli powstałym w wyniku przekształceń materii organicznej, w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia. Metan występuje także w gazach kopalnianych towarzyszących pokładom węgla kamiennego, jak również w gazie błotnym, uwalnianym w trakcie rozkładu resztek roślinnych. Gaz ten, w tym przypadku jest produktem szeregu procesów gnilnych substancji organicznych. Znaczne ilości metanu są zgromadzone na dnie mórz i oceanów w formie klatratów metanu, gdzie gazowy metan jest uwięziony wewnątrz swoistej klatki utworzonej z cząsteczek wody.

Metan, w warunkach laboratoryjnych jest otrzymywany na kilka sposobów. Jednym z nich jest bezpośrednia synteza z węgla i wodoru w wysokiej temperaturze (500ᵒC). W laboratorium często wykorzystuje się reakcję węgliku glinu z wodą, w wyniku której powstają cząsteczki metanu, a także wodorotlenek glinu. Przeprowadzając tę reakcję należy pamiętać, że metan jest substancją gazową i aby zebrać otrzymany produkt, należy przygotować specjalny układ umożliwiający wyłapywanie produktów gazowych. Innym, laboratoryjnym sposobem jest ogrzewanie mieszaniny octanu sodu z wodorotlenkiem sodu w podwyższonej temperaturze (dekarboksylacja).

Właściwości fizykochemiczne metanu:

• W temperaturze pokojowej bezwonny i bezbarwny gaz.
• Substancja wysoce łatwopalna. Pali się niebieskawym płomieniem.
• Pojedyncze cząsteczki metanu są bardzo stabilne, jednak jego mieszanina z powietrzem lub tlenem jest wybuchowa (zawartość metanu od 5 do około 14% objętościowych).
• Jest gazem odpornym na działanie czynników chemicznych.
• Jego gęstość jest mniejsza od gęstości powietrza.
• Nie rozpuszcza się w wodzie.
• Dobrze rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych.
• Jest nietoksyczny.

Metan ulega kilku ważnym reakcjom chemicznym. Do najważniejszych z nich należy zaliczyć reakcje spalania. Przy nieograniczonym dostępie powietrza następuje całkowite spalanie metanu. W wyniku tego powstaje dwutlenek węgla oraz woda. Ten rodzaj spalania jest najbezpieczniejszy i najbardziej ekonomiczny. W przypadku, gdy dostęp tlenu jest ograniczony, następuje niecałkowite spalanie metanu. Biorąc pod uwagę ilość dostarczonego tlenu, produktami takiego spalania są tlenek węgla (II) (trujący czad) i woda lub węgiel i woda.

Metan nie reaguje z bromem i kwasem nadmanganowym. Z tego wynika brak odbarwiania wody bromowej i roztworu nadmanganianu (VII) potasu. Natomiast stosunkowo łatwo reaguje z chlorem. Reakcje alkanów z halogenami są wysoce egzotermiczne. Przemiany zachodzące między metanem, a chlorem, mają charakter rodnikowy. Co ważne chlorowanie tego najprostszego alkanu nie zachodzi w ciemności (inicjowane są najczęściej przez światło). Aby do tego doszło, należałoby cały układ ogrzać do temperatury ponad 250ᵒC. Mechanizm chlorowania metanu polega na tym, że cząsteczka chloru rozpada się na dwa rodniki, które następnie reagują z drugim z substratów i prowadzą do powstania rodników metylowych oraz chlorowodoru. Reakcja chlorowania nie zatrzymuje się na etapie monochlorowania. Tworzone rodniki oddziaływują z cząsteczkami chloru lub rodnikami chlorowymi. Cząsteczką, która nie podlega już dalszemu chlorowaniu jest czterochlorek węgla – wszystkie atomy wodoru są podstawione przez atomy chloru. W rzeczywistości końcowa mieszanina zawiera wszystkie wspomniane pochodne.

Najważniejsze zastosowania metanu w przemyśle

Jednym z podstawowych zastosowań metanu jest jego wykorzystanie, jako źródła energii. Energia ta jest pozyskiwana w wyniku spalania paliw zawierających ten związek. Przykładem takiego paliwa jest gaz ziemny. Zawartość metanu wynosi w nim ponad 90%. Po wydobyciu trafia on praktycznie bezpośrednio do odbiorców prywatnych i sektora przemysłowego. Spalanie metanu jest także wykorzystywane w turbinach gazowych do produkcji energii elektrycznej i ciepła. Można nim także ogrzewać domy.

Metan jest wykorzystywany do napędzania pojazdów mechanicznych. Jako paliwo występuje pod nazwą CNG (sprężony gaz ziemny) lub LNG (skroplony gaz ziemny). Jego spalanie w samochodach jest znacznie bardziej korzystne w porównaniu z olejem napędowym lub benzyną.

Chętnie z metanu korzysta oczywiście przemysł chemiczny. Jednym z takich zastosowań jest produkcja wodoru, w procesie zwanym reformingiem parowym. W związku z rosnącym zainteresowaniem wodorem, jako paliwem przyszłości, zwiększa się także zainteresowanie metanem. Inne procesy chemiczne wykorzystujące metan to produkcja metanolu, gazu węglowego czy tworzyw sztucznych.

Metan pośrednio uczestniczy także w produkcji opon. Sadza powstająca w trakcie niecałkowitego spalania tego gazu jest jednym ze składników wykorzystywanych do wzmacniania gumy, która jest przeznaczona do produkcji opon samochodowych. Ta sama sadza może być stosowana w produkcji farb i tuszu drukarskiego.

Metan, jako gaz cieplarniany

Wśród gazów i emisji, które mają największy wpływ na globalne ocieplenie, na pierwszym miejscu należy wymienić dwutlenek węgla. Jest to przykład zanieczyszczenia utrzymującego się w atmosferze bardzo długo – nawet do kilku tysięcy lat. Ale groźniejszym zagrożeniem dla klimatu jest metan. Jego obecność, jako zanieczyszczenia to ‘’jedynie” od 10 do 15 lat, czyli znacznie mniej niż w przypadku dwutlenku węgla, natomiast wpływ na efekt cieplarniany jest znacznie większy.

Klatraty metanu

Ciekawym przykładem złóż metanu, które stanowią potencjalnie cenne źródło tej substancji, to tak zwane klatraty metanu. Biorąc pod uwagę ich budowę chemiczną, często można się spotkać także z określeniem hydratów metanu, wodzianów metanu lub metanowego lodu. Klatraty metanu to połączenie cząsteczek wody oraz cząsteczek metanu. Woda w tym przypadku tworzy strukturę przypominającą klatkę. W jej wnętrzu zgromadzony jest metan. Pomiędzy nimi nie występują żadne wiązania chemiczne. Klatraty charakteryzują się budową krystaliczną i powstają pod zwiększonym ciśnieniem. Postacią fizyczną przypominają białe ciała stałe. Są bezwonne, a w dotyku porównywane do styropianu. Najczęściej spotykane są klatraty metanu zbudowane z 46 cząsteczek wody, które otaczają dwie małe i sześć średnich klatek. Wewnątrz znajduje się metan.

Klatraty metanu są nadal nie w pełni zbadanym, źródłem energii. Właśnie ze względu na możliwość pozyskiwania z nich znacznych ilości metanu do celów energetycznych, wzbudzają niemałe zainteresowanie. Uzyskany w ten sposób surowiec może być bardzo dobrą alternatywą dla konwencjonalnych źródeł węglowodorów, ale niewystarczająca wiedza na temat eksploatacji metanu z klatratów powoduje duże zagrożenie dla środowiska naturalnego, które może być konsekwencją niekontrolowanego uwalniania tego gazu do atmosfery.

Biometan

Biometan definiowany jest, jako gaz otrzymywany z biogazu. Biogaz z kolei to gaz uzyskany z biomasy. Powstaje w wyniku procesów przemiany materii organicznej, a w tym w odpadach pochodzenia roślinnego, zwierzęcego, ze składowisk odpadów czy oczyszczalni ścieków. Metan zwykle stanowi około 55% biogazu. Zwykle wykorzystuje się wprost biogaz, jedynie w wyjątkowych sytuacjach podejmowane są działania mające na celu oczyszczanie go do czystego biometanu.

Biometan może występować w dwóch stanach skupienia: gazowym i ciekłym. Powstaje w trakcie fermentacji metanowej odpadów biologicznych. Praktycznie cały biometan powstały w ten sposób, jest przeznaczony do celów energetycznych. Wiele przedsiębiorstw i zakładów produkcyjnych wykorzystuje biogaz i zawarty w nim biometan do zasilania urządzeń, które obecnie często czerpią energię z gazu ziemnego. Mimo, że jest to ekologiczne źródło energii, to spalanie biometanu wiąże się ze znaczną emisją dwutlenku węgla, który jest gazem cieplarnianym.

Przeczytaj również: etan, propan, butan.