มีเทน – การผลิต สมบัติ และการใช้ประโยชน์

มีเทน: ลักษณะทั่วไป

มีเทนเป็นสารประกอบที่ง่ายที่สุดในชุดอะลิฟาติกไฮโดรคาร์บอนที่คล้ายคลึงกัน สูตรโมเลกุลของมีเทนคือ _CH4 โมเลกุลของมันประกอบด้วยคาร์บอนหนึ่งอะตอมและไฮโดรเจนสี่อะตอม พันธะทั้งหมดระหว่างอะตอมในโมเลกุลมีเทนนั้นเป็นโควาเลนต์ (พันธะซิกมา) การทดลองแสดงให้เห็นว่าพวกมันมีความยาวและพลังงานเท่ากัน มุมระหว่างพันธะจะเท่ากันที่ 109°28′ โมเลกุลของมีเทนมีรูปร่างคล้ายจัตุรมุขปกติ ดังนั้นอะตอมของคาร์บอนจึงใช้ sp ³ ไฮบริดไดเซชัน

การเตรียมและคุณสมบัติ

มีเทนค่อนข้างพบได้ทั่วไปในธรรมชาติ โดยมีก๊าซธรรมชาติเป็นแหล่งที่มาหลัก แหล่งสะสมของเชื้อเพลิงฟอสซิลนี้มักพบอยู่ลึกใต้ดินหรือใต้ท้องทะเลและมหาสมุทรซึ่งเป็นแหล่งที่ขุดขึ้นมา ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากแหล่งดังกล่าวมักเรียกว่าก๊าซอินทรีย์ กล่าวคือ ก๊าซที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสารอินทรีย์ภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง มีเทนยังพบได้ในกองไฟที่อยู่ร่วมกับแหล่งถ่านหิน เช่นเดียวกับในก๊าซในบึงที่ปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัวของเศษซากพืช ในกรณีหลังนี้ ก๊าซเป็นผลจากกระบวนการสลายสารอินทรีย์ต่างๆ มีเธนจำนวนมากสะสมอยู่ใต้ก้นทะเลในมหาสมุทรในรูปของมีเทนคลาเทรต ซึ่งมีก๊าซมีเทนติดอยู่ภายใน ‘กรง’ ชนิดหนึ่งที่เกิดจากโมเลกุลของน้ำ ในสภาพห้องปฏิบัติการ จะได้มีเทนได้หลายวิธี หนึ่งในนั้นคือการสังเคราะห์โดยตรงจากคาร์บอนและไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง (500°C) ห้องปฏิบัติการมักใช้ปฏิกิริยาระหว่างอะลูมิเนียมคาร์ไบด์กับน้ำเพื่อผลิตโมเลกุลมีเทน เช่นเดียวกับอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ เมื่อคุณทำปฏิกิริยา คุณควรจำไว้ว่ามีเทนนั้นเป็นสารที่เป็นก๊าซ ดังนั้นหากคุณต้องการรวบรวมผลลัพธ์ที่ได้ คุณต้องเตรียมระบบพิเศษเพื่อดักจับผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซ วิธีการในห้องปฏิบัติการอีกวิธีหนึ่งคือการให้ความร้อนส่วนผสมของโซเดียมอะซิเตตและ โซเดียมไฮดรอกไซด์ ที่อุณหภูมิสูงขึ้น (ดีคาร์บอกซิเลชัน) คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของมีเทน:

• ก๊าซไม่มีกลิ่นและไม่มีสีที่อุณหภูมิห้อง
• ไวไฟสูง. มันเผาไหม้ด้วยเปลวไฟสีน้ำเงิน
• โมเลกุลมีเทนเดี่ยวมีความเสถียรมาก อย่างไรก็ตาม เมื่อผสมกับอากาศหรือออกซิเจนจะระเบิดได้ (ปริมาณมีเทนตั้งแต่ 5%ถึงประมาณ 14%โดยปริมาตร)
• ก๊าซมีความทนทานต่อสารเคมี
• ความหนาแน่นของมันต่ำกว่าอากาศ
• มันไม่ละลายในน้ำ
• ละลายได้ดีในตัวทำละลายอินทรีย์
• มันไม่เป็นพิษ

มีเทนเกิด ปฏิกิริยาเคมี ที่สำคัญหลายอย่าง สิ่งที่สำคัญที่สุด ได้แก่ ปฏิกิริยาการเผาไหม้ ด้วยการจ่ายอากาศที่ไม่จำกัด จะทำให้เกิดการเผาไหม้ของมีเทนโดยสมบูรณ์ ปฏิกิริยาส่งผลให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ การเผาไหม้ประเภทนี้ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากที่สุด เมื่อปริมาณออกซิเจนมีจำกัด การเผาไหม้มีเทนที่ไม่สมบูรณ์จะเกิดขึ้น ขึ้นอยู่กับปริมาณออกซิเจนที่ให้มา ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ดังกล่าวรวมถึงคาร์บอนมอนอกไซด์ที่เป็นพิษ (II) และน้ำ หรือคาร์บอนและน้ำ มีเทนไม่ทำปฏิกิริยากับโบรมีนและกรดเปอร์แมงกานิก สิ่งนี้อธิบายถึงการขาดการเปลี่ยนแปลงสีของน้ำโบรมีนและสารละลายโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต (VII) อย่างไรก็ตาม มัน ทำปฏิกิริยากับ คลอรีน ค่อนข้างง่าย ปฏิกิริยาอัลเคนกับฮาโลเจนมีปฏิกิริยาคายความร้อนสูง ปฏิกิริยาระหว่างมีเทนกับคลอรีนมีความรุนแรง ที่สำคัญ การคลอรีนของอัลเคนที่ง่ายที่สุดนี้จะไม่เกิดขึ้นในที่มืด (โดยปกติจะเกิดขึ้นจากแสง) เพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้น ทั้งระบบจะต้องได้รับความร้อนที่อุณหภูมิมากกว่า 250°C คลอรีนมีเทนเกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลของคลอรีนแตกตัวออกเป็นสองอนุมูล ซึ่งจากนั้นจะทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นอื่น และทำให้เกิดอนุมูลเมทิลและไฮโดรเจนคลอไรด์ ปฏิกิริยาคลอรีนไม่ได้หยุดอยู่ที่ขั้นโมโนคลอรีน อนุมูลที่เกิดขึ้นจะมีปฏิกิริยากับโมเลกุลของคลอรีนหรืออนุมูลคลอรีน โมเลกุลที่ไม่ได้รับคลอรีนเพิ่มเติมคือคาร์บอนเตตระคลอไรด์โดยที่อะตอมไฮโดรเจนทั้งหมดจะถูกแทนที่ด้วยอะตอมของคลอรีน อันที่จริงส่วนผสมสุดท้ายประกอบด้วยอนุพันธ์ดังกล่าวทั้งหมด

การใช้งานมีเทนที่สำคัญในอุตสาหกรรม

การใช้งานหลักอย่างหนึ่งของมีเธนคือการใช้ เป็นแหล่งพลังงาน พลังงานได้มาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงที่มีสารประกอบนี้ ก๊าซธรรมชาติเป็นตัวอย่างหนึ่งของเชื้อเพลิงดังกล่าว มีเทนเนื้อหาเกิน 90%เมื่อสกัดแล้วจะส่งตรงถึงผู้บริโภคภาคเอกชนและภาคอุตสาหกรรมเกือบโดยตรง การเผาไหม้มีเทนยังใช้ในกังหันก๊าซเพื่อผลิตไฟฟ้าและความร้อนอีกด้วย นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อให้ความร้อนในบ้านได้อีกด้วย มีเทนใช้ใน การขับเคลื่อนยานยนต์ เพื่อเป็นเชื้อเพลิง จำหน่ายภายใต้ชื่อ CNG (ก๊าซธรรมชาติอัด) หรือ LNG (ก๊าซธรรมชาติเหลว) การเผาไหม้ในรถยนต์มีประสิทธิภาพมากกว่ามากเมื่อเทียบกับดีเซลหรือเบนซิน เห็นได้ชัดว่า อุตสาหกรรมเคมี เป็นผู้ใช้มีเทนจำนวนมาก การใช้สารเคมีอย่างหนึ่งคือ การผลิตไฮโดรเจน ในกระบวนการที่เรียกว่าการปฏิรูปด้วยไอน้ำ ดังนั้นความสนใจที่เพิ่มขึ้นในเรื่องไฮโดรเจนในฐานะเชื้อเพลิงแห่งอนาคต ย่อมนำมาซึ่งความสนใจที่เพิ่มขึ้นในเรื่องมีเทนด้วยเช่นกัน กระบวนการทางเคมีอื่นๆ ที่ใช้มีเทน ได้แก่ การผลิต เมทานอล ก๊าซถ่านหิน หรือ พลาสติก มีเทนยังเกี่ยวข้องทางอ้อมในการผลิตยางรถยนต์อีกด้วย เขม่าที่เกิดจากการเผาไหม้ก๊าซที่ไม่สมบูรณ์เป็นส่วนผสมหนึ่งที่ใช้เสริมแรงยางที่ใช้ทำยางรถยนต์ เขม่าชนิดเดียวกันนี้สามารถนำไปใช้ในการผลิต สี และ หมึกพิมพ์ ได้

มีเทนเป็นก๊าซเรือนกระจก

ในบรรดาก๊าซและการปล่อยมลพิษที่มีผลกระทบต่อภาวะโลกร้อนมากที่สุด คาร์บอนไดออกไซด์ มีความสำคัญเป็นอันดับแรก เป็นมลพิษชนิดหนึ่งที่คงอยู่ในชั้นบรรยากาศเป็นเวลานานถึงหลายพันปี อย่างไรก็ตาม มีเทนยังเป็นภัยคุกคามต่อสภาพอากาศที่อันตรายยิ่งกว่าอีกด้วย เนื่องจากเป็นมลพิษ จึงปรากฏอยู่ ‘เท่านั้น’ เป็นเวลา 10 ถึง 15 ปี ซึ่งสั้นกว่าคาร์บอนไดออกไซด์มาก แต่ผลกระทบต่อภาวะเรือนกระจกมีมากกว่ามาก

มีเทนคลาเทรต

ตัวอย่างที่น่าสนใจของการสะสมของมีเทนที่อาจเป็นแหล่งที่มีคุณค่าของสารนั้นเรียกว่ามีเทนคลาเทรต เมื่อพิจารณาถึงโครงสร้างทางเคมี คุณอาจได้ยินบ่อยครั้งว่าพวกมันถูกเรียกว่ามีเทนไฮเดรต ไฮโดรมีเทน หรือมีเทนน้ำแข็ง มีเทนคลาเทรตเป็นส่วนผสมของโมเลกุลน้ำและโมเลกุลมีเทน น้ำในกรณีนี้จะสร้างโครงสร้างคล้ายกรงภายในซึ่งมีเธนติดอยู่ ไม่มี พันธะเคมี ระหว่างกัน คลาเทรตมีลักษณะเป็นโครงสร้างผลึกและเกิดขึ้นภายใต้แรงกดดันที่เพิ่มขึ้น โดยทางกายภาพแล้วพวกมันดูเหมือนของแข็งสีขาว ไม่มีกลิ่นและมีลักษณะ คล้ายโฟม เมื่อสัมผัส คลาเทรตมีเทนที่พบโดยทั่วไปส่วนใหญ่ประกอบด้วยโมเลกุลของน้ำ 46 โมเลกุลที่ล้อมรอบ ‘กรง’ ขนาดเล็ก 2 อันและขนาดกลาง 6 อัน มีเทนติดอยู่ข้างใน คลาเทรตมีเทนยังคงไม่ใช่แหล่งพลังงานที่ได้รับการสำรวจอย่างสมบูรณ์ เนื่องจากมีความเป็นไปได้ที่จะสกัดมีเทนจำนวนมากออกมาเพื่อวัตถุประสงค์ในการผลิตพลังงาน จึงดึงดูดความสนใจเป็นอย่างมาก วัตถุดิบที่ได้อาจเป็นทางเลือกที่ดีมากแทนแหล่ง ไฮโดรคาร์บอน ทั่วไป อย่างไรก็ตาม ความรู้ที่ไม่เพียงพอเกี่ยวกับการสกัดมีเทนจากคลาเทรตทำให้เกิดความเสี่ยงอย่างมากต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งอาจเป็นผลมาจากการปล่อยมีเทนสู่ชั้นบรรยากาศที่ไม่สามารถควบคุมได้

ไบโอมีเทน

ไบโอมีเทนหมายถึงก๊าซที่ได้จากก๊าซชีวภาพ ก๊าซชีวภาพเป็นก๊าซที่ได้จากชีวมวล เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงอินทรียวัตถุ รวมถึงของเสียจากพืชและสัตว์ สถานที่ฝังกลบ หรือโรงบำบัดน้ำเสีย โดยปกติมีเทนจะมีสัดส่วนประมาณ 55%ของก๊าซชีวภาพ โดยปกติก๊าซชีวภาพจะใช้โดยตรง ในขณะที่การทำให้บริสุทธิ์เป็นไบโอมีเทนบริสุทธิ์จะดำเนินการเฉพาะในสถานการณ์พิเศษเท่านั้น ไบโอมีเทนมาในสองสถานะของสสาร: ก๊าซและของเหลว มันเกิดขึ้นระหว่างการหมักมีเทนของเสียทางชีวภาพ ไบโอมีเทนเกือบทั้งหมดที่ได้รับจึงมีจุดมุ่งหมายเพื่อการผลิตพลังงาน บริษัทและโรงงานผลิตหลายแห่งใช้ก๊าซชีวภาพและไบโอมีเทนที่บรรจุอยู่ในนั้นเพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ที่ปัจจุบันมักใช้พลังงานจากก๊าซธรรมชาติ แม้ว่าจะเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียน แต่การเผาไหม้ไบโอมีเทนส่งผลให้เกิดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกอย่างมีนัยสำคัญ อ่านเพิ่มเติม: อีเทน , โพรเพน , บิวเทน .