Metan – produktion, egenskaper och användning

Metan: allmänna egenskaper

Metan är den enklaste föreningen i den homologa serien av alifatiska kolväten. Molekylformeln för metan är CH ₄ . Dess molekyl består av en kolatom och fyra väteatomer. Alla bindningar mellan atomer i metanmolekylen är kovalenta (sigmabindningar). De har experimentellt visat sig ha samma längd och energi. Vinklarna mellan bindningarna är lika vid 109°28′. Metanmolekylen har formen av en vanlig tetraeder. Följaktligen antar kolatomen sp ^3- hybridisering.

Beredning och egenskaper

Metan är ganska vanligt i naturen, med naturgas som huvudkälla. Avlagringar av detta fossila bränsle finns oftast djupt under jorden eller på botten av hav och oceaner, varifrån det utvinns. Produkten som erhålls från sådana källor kallas ofta organisk gas, dvs gas som genereras från omvandling av organiskt material, under hög temperatur och högt tryck. Metan finns också i eldgas som följer med kolbäddar, samt i kärrgas som frigörs vid nedbrytning av växtrester. I det senare fallet är gasen produkten av en rad sönderfallsprocesser av organiska ämnen. Betydande mängder metan ackumuleras under havsbottnen i form av metanklatrater, där gasformig metan fångas in i en sorts "bur" som bildas av vattenmolekyler. Under laboratorieförhållanden erhålls metan på ett antal sätt. En av dem är direkt syntes från kol och väte vid hög temperatur (500°C) . Laboratorier använder ofta reaktionen av aluminiumkarbid med vatten för att producera metanmolekyler, såväl som aluminiumhydroxid. När du utför reaktionen bör du komma ihåg att metan är ett gasformigt ämne, så om du vill samla upp den resulterande produkten måste du förbereda ett speciellt system för att fånga upp de gasformiga produkterna. En annan laboratoriebaserad metod är att värma en blandning av natriumacetat och natriumhydroxid vid förhöjd temperatur (dekarboxylering). Metans fysikaliska och kemiska egenskaper:

• Luktfri och färglös gas vid rumstemperatur.
• Mycket brandfarligt. Det brinner med en blå låga.
• Enstaka metanmolekyler är mycket stabila, men dess blandning med luft eller syre är explosiv (metanhalt från 5 till cirka 14 volymprocent).
• Gasen är resistent mot kemiska ämnen.
• Dess densitet är lägre än luftens.
• Det är olösligt i vatten.
• Vällösligt i organiska lösningsmedel.
• Det är giftfritt.

Metan genomgår ett antal viktiga kemiska reaktioner . De viktigaste är förbränningsreaktioner . Med obegränsad lufttillförsel sker fullständig förbränning av metan. Reaktionen resulterar i koldioxid och vatten. Denna typ av förbränning är den säkraste och mest effektiva. När syretillförseln är begränsad sker ofullständig förbränning av metan. Beroende på mängden syre som tillförs inkluderar produkterna från sådan förbränning antingen giftig kolmonoxid (II) och vatten eller kol och vatten. Metan reagerar inte med brom och permangansyra. Detta förklarar bristen på förändring i färgen på bromvatten och kaliumpermanganat (VII) lösning. Den reagerar dock relativt lätt med klor . Alkanreaktioner med halogener är mycket exoterma. Reaktionerna mellan metan och klor är radikala. Viktigt är att klorering av denna enklaste alkan inte sker i mörker (det initieras vanligtvis av ljus). För att reaktionen ska kunna ske måste hela systemet värmas upp till en temperatur på mer än 250°C. Metanklorering uppstår när en klormolekyl bryts ner till två radikaler, som sedan reagerar med det andra substratet och leder till bildning av metylradikaler och väteklorid. Kloreringsreaktionen slutar inte vid monokloreringssteget. De radikaler som bildas interagerar med klormolekyler eller klorradikaler. En molekyl som inte genomgår ytterligare klorering är koltetraklorid där alla väteatomer är substituerade med kloratomer. Faktum är att slutblandningen innehåller alla nämnda derivat.

Viktiga metantillämpningar i branschen

En av de viktigaste användningsområdena för metan är att den används som energikälla . Energin erhålls genom att bränna bränslen som innehåller denna förening. Naturgas är ett exempel på sådant bränsle. Dess metanhalt överstiger 90 %. När det väl utvunnits går det nästan direkt till privata konsumenter och industrisektorn. Metanförbränning används också i gasturbiner för att generera el och värme. Den kan också användas för att värma bostäder. Metan används för att driva motorfordon . Som bränsle marknadsförs det under namnet CNG (komprimerad naturgas) eller LNG (flytande naturgas) . Dess förbränning i bilar är mycket effektivare jämfört med diesel eller bensin. Uppenbarligen är den kemiska industrin en stor användare av metan. En kemisk tillämpning är produktionen av väte i en process som kallas ångreformering. Därför innebär ett växande intresse för väte som framtidens bränsle ett växande intresse för metan också. Andra kemiska processer som använder metan inkluderar framställning av metanol , kolgas eller plast . Metan är också indirekt involverat i däcktillverkningen. Det sot som produceras av ofullständig förbränning av gasen är en av ingredienserna som används för att förstärka gummi som används för att tillverka bildäck. Samma sot kan användas vid tillverkning av färger och tryckfärger .

Metan som växthusgas

Bland de gaser och utsläpp som har störst inverkan på den globala uppvärmningen kommer koldioxid först. Det är en typ av förorening som finns kvar i atmosfären under mycket lång tid, upp till flera tusen år. Men metan är ännu ett farligare hot mot klimatet . Som en förorening är den "bara" närvarande i cirka 10 till 15 år, mycket kortare än koldioxid, men dess påverkan på växthuseffekten är mycket större.

Metan klatrater

Ett intressant exempel på metanfyndigheter som potentiellt kan vara en värdefull källa till ämnet är så kallade metanklatrater. Med tanke på deras kemiska struktur kanske du ofta hör dem kallas metanhydrat, hydrometan eller metanis. Metanklatrater är en kombination av vattenmolekyler och metanmolekyler. Vatten bildar i detta fall en burliknande struktur inuti vilken metan fångas. Det finns inga kemiska bindningar mellan dem. Klatrater kännetecknas av en kristallin struktur och bildas under ökat tryck. Fysiskt ser de ut som vita fasta ämnen. De är luktfria och liknar frigolit vid beröring. Vanligast förekommer metanklatrater som består av 46 vattenmolekyler som omger två små och sex medelstora "burar". Metan är fångat inuti dem. Metanklatrater är fortfarande inte en helt utforskad energikälla. Det är på grund av möjligheten att utvinna betydande mängder metan från dem för energiproduktionsändamål, de väcker stort intresse. Den resulterande råvaran kan vara ett mycket bra alternativ till konventionella kolvätenkällor , dock utgör otillräcklig kunskap om utvinning av metan från klatrater en stor risk för miljön, vilket kan vara en konsekvens av okontrollerat utsläpp av metan till atmosfären.

Biometan

Biometan definieras som en gas som erhålls från biogas. Biogas, å andra sidan, är en gas som erhålls från biomassa. Det bildas genom omvandling av organiskt material, inklusive växt- och djuravfall, deponier eller reningsverk för avloppsvatten. Metan står vanligtvis för cirka 55 %av biogasen. Biogas används vanligtvis direkt, medan dess rening till ren biometan endast görs i exceptionella situationer. Biometan finns i två tillstånd av materia: gasformig och flytande. Det bildas vid metanjäsning av biologiskt avfall. Praktiskt taget all biometan som erhålls på detta sätt är avsedd för energigenereringsändamål. Många företag och tillverkningsanläggningar använder biogas och den biometan den innehåller för att driva den utrustning som nu ofta använder energi från naturgas. Även om det är en förnybar energikälla ger förbränning av biometan betydande utsläpp av koldioxid, som är en växthusgas. Läs också: etan , propan , butan .