Metan – üretimi, özellikleri ve kullanımı

Metan: genel özellikler

Metan, alifatik hidrokarbonların homolog serisindeki en basit bileşiktir. Metanın moleküler formülü _CH4’tür . Molekülü bir karbon atomu ve dört hidrojen atomundan oluşur. Metan molekülündeki atomlar arasındaki tüm bağlar kovalenttir (sigma bağları). Deneysel olarak aynı uzunluğa ve enerjiye sahip oldukları gösterilmiştir. Bağlar arasındaki açılar 109°28’de eşittir. Metan molekülü düzenli bir tetrahedron şeklini alır. Buna göre karbon atomu ^sp3 hibridizasyonunu benimser.

Hazırlık ve özellikler

Metan doğada oldukça yaygındır ve ana kaynağı doğal gazdır. Bu fosil yakıtın yatakları çoğunlukla yeraltının derinliklerinde veya çıkarıldığı denizlerin ve okyanusların dibinde bulunur. Bu tür kaynaklardan elde edilen ürüne genellikle organik gaz, yani organik maddenin yüksek sıcaklık ve basınç altında dönüşümünden elde edilen gaz adı verilir. Metan ayrıca kömür yataklarına eşlik eden grizuda ve bitki artıklarının ayrışması sırasında açığa çıkan bataklık gazında da bulunur. İkinci durumda gaz, organik maddelerin bir dizi bozunma sürecinin ürünüdür. Önemli miktarda metan, okyanus deniz yatağının altında metan klatratlar halinde birikiyor; burada gaz halindeki metan, su moleküllerinin oluşturduğu bir tür ‘kafes’ içinde sıkışıp kalıyor. Laboratuvar koşullarında metan çeşitli yollarla elde edilir. Bunlardan biri, yüksek sıcaklıkta (500°C) karbon ve hidrojenden doğrudan sentezdir . Laboratuvarlar genellikle metan moleküllerinin yanı sıra alüminyum hidroksit üretmek için alüminyum karbürün suyla reaksiyonunu kullanır. Reaksiyonu gerçekleştirirken metanın gaz halinde bir madde olduğunu unutmamalısınız, dolayısıyla ortaya çıkan ürünü toplamak istiyorsanız gaz halindeki ürünleri yakalamak için özel bir sistem hazırlamalısınız. Laboratuvar bazlı başka bir yöntem, sodyum asetat ve sodyum hidroksit karışımının yüksek sıcaklıkta ısıtılmasıdır (dekarboksilasyon). Metanın fiziksel ve kimyasal özellikleri:

• Oda sıcaklığında kokusuz ve renksiz bir gazdır.
• Son derece yanıcı. Mavi bir alevle yanıyor.
• Tek metan molekülleri çok kararlıdır, ancak hava veya oksijenle karışımı patlayıcıdır (metan içeriği hacimce %5 ila yaklaşık %14 arasında).
• Gaz kimyasal maddelere karşı dayanıklıdır.
• Yoğunluğu havanınkinden düşüktür.
• Suda çözünmez.
• Organik çözücülerde iyi çözünür.
• Toksik değildir.

Metan bir dizi önemli kimyasal reaksiyona girer. En önemlileri yanma reaksiyonlarını içerir. Sınırsız hava beslemesi ile metanın tamamen yanması meydana gelir. Reaksiyon karbondioksit ve su ile sonuçlanır. Bu yanma türü en güvenli ve en verimli olanıdır. Oksijen kaynağı sınırlı olduğunda metanın eksik yanması meydana gelir. Sağlanan oksijen miktarına bağlı olarak, bu tür bir yanmanın ürünleri arasında zehirli karbon monoksit (II) ve su veya karbon ve su bulunur. Metan brom ve permanganik asitle reaksiyona girmez. Bu, bromlu su ve potasyum permanganat (VII) çözeltisinin renginde değişiklik olmamasını açıklamaktadır. Ancak klor ile nispeten kolay reaksiyona girer . Halojenlerle alkan reaksiyonları oldukça ekzotermiktir. Metan ve klor arasındaki reaksiyonlar radikaldir. Önemli olan, bu en basit alkanın klorlanmasının karanlıkta meydana gelmemesidir (genellikle ışıkla başlatılır). Reaksiyonun gerçekleşebilmesi için tüm sistemin 250°C’nin üzerinde bir sıcaklığa ısıtılması gerekir . Metan klorlaması, bir klor molekülünün iki radikale parçalanmasıyla meydana gelir; bu radikaller daha sonra diğer substratla reaksiyona girer ve metil radikallerinin ve hidrojen klorürün oluşumuna yol açar. Klorlama reaksiyonu monoklorlama aşamasında durmaz. Oluşan radikaller klor molekülleri veya klor radikalleri ile etkileşime girer. Daha fazla klorlamaya maruz kalmayan bir molekül, tüm hidrojen atomlarının klor atomları ile ikame edildiği karbon tetraklorürdür. Aslında son karışım söz konusu türevlerin tümünü içerir.

Sektördeki önemli metan uygulamaları

Metanın ana uygulamalarından biri enerji kaynağı olarak kullanılmasıdır. Enerji, bu bileşiği içeren yakıtların yakılmasıyla elde edilir. Doğal gaz bu tür yakıtlara bir örnektir. Metan içeriği %90’ı aşıyor. Çıkarıldıktan sonra neredeyse doğrudan özel tüketicilere ve sanayi sektörüne gidiyor. Metanın yakılması, gaz türbinlerinde elektrik ve ısı üretmek için de kullanılır. Evleri ısıtmak için de kullanılabilir. Metan motorlu taşıtları hareket ettirmek için kullanılır. Yakıt olarak CNG (sıkıştırılmış doğalgaz) veya LNG (sıvılaştırılmış doğalgaz) adı altında pazarlanmaktadır. Arabalarda yanması dizel veya benzine göre çok daha verimlidir. Açıkçası, kimya endüstrisi yoğun bir metan kullanıcısıdır. Kimyasal uygulamalardan biri, buhar reformasyonu adı verilen bir işlemle hidrojen üretimidir . Dolayısıyla geleceğin yakıtı olarak hidrojene olan ilginin artması, metana olan ilginin de artmasını gerektiriyor. Metan kullanan diğer kimyasal işlemler arasında metanol , kömür gazı veya plastik üretimi yer alır. Metan ayrıca dolaylı olarak lastik üretiminde de yer alıyor. Gazın eksik yanması sonucu oluşan kurum, araba lastiklerinin yapımında kullanılan kauçuğu güçlendirmek için kullanılan bileşenlerden biridir. Aynı kurum boya ve matbaa mürekkeplerinin üretiminde de kullanılabilir.

Sera gazı olarak metan

Küresel ısınmaya en fazla etki eden gazlar ve emisyonlar arasında karbondioksit ilk sırada yer alıyor. Atmosferde çok uzun bir süre, birkaç bin yıla kadar varlığını sürdüren bir kirletici türüdür. Ancak metan iklim için daha da tehlikeli bir tehdittir . Kirletici olarak ‘yalnızca’ yaklaşık 10 ila 15 yıl boyunca mevcut olur, karbondioksitten çok daha kısadır, ancak sera etkisi üzerindeki etkisi çok daha fazladır.

Metan klatratlar

Potansiyel olarak maddenin değerli bir kaynağı olabilecek metan birikintilerinin ilginç bir örneği, metan klatratlardır. Kimyasal yapılarına bakıldığında metan hidrat, hidrometan veya metan buzu isimlerini sıklıkla duyabilirsiniz. Metan klatratlar su molekülleri ve metan moleküllerinin bir kombinasyonudur. Bu durumda su, içinde metanın hapsolduğu kafes benzeri bir yapı oluşturur. Aralarında hiçbir kimyasal bağ yoktur. Klatratlar kristal yapıyla karakterize edilir ve artan basınç altında oluşturulur. Fiziksel olarak beyaz katılara benziyorlar. Kokusuzdurlar ve dokunuşta straforu andırırlar. En yaygın olarak iki küçük ve altı orta boy ‘kafesi’ çevreleyen 46 su molekülünden oluşan metan klatratlar bulunur. Metan bunların içinde hapsolmuş durumda. Metan klatratlar hâlâ tam olarak keşfedilmiş bir enerji kaynağı değil. Enerji üretimi amacıyla önemli miktarda metan çıkarma olasılıkları nedeniyle büyük ilgi görüyorlar. Ortaya çıkan hammadde, geleneksel hidrokarbon kaynaklarına çok iyi bir alternatif olabilir, ancak metanın klatratlardan çıkarılmasıyla ilgili yetersiz bilgi, metanın kontrolsüz bir şekilde atmosfere salınmasının bir sonucu olarak çevre için büyük bir risk oluşturur.

Biyometan

Biyometan, biyogazdan elde edilen bir gaz olarak tanımlanır. Biyogaz ise biyokütleden elde edilen bir gazdır. Bitki ve hayvan atıkları, çöp depolama alanları veya atık su arıtma tesisleri de dahil olmak üzere organik madde dönüşümü yoluyla oluşur. Metan genellikle biyogazın yaklaşık %55’ini oluşturur. Biyogaz genellikle doğrudan kullanılırken saf biyometana saflaştırılması yalnızca istisnai durumlarda gerçekleştirilir. Biyometan maddenin iki halinde gelir: gaz ve sıvı. Biyolojik atıkların metan fermantasyonu sırasında oluşur. Bu şekilde elde edilen biyometanın neredeyse tamamı enerji üretimi amaçlıdır. Birçok şirket ve üretim tesisi, artık genellikle doğal gazdan enerji kullanan ekipmanlara güç sağlamak için biyogaz ve içerdiği biyometanı kullanıyor. Yenilenebilir bir enerji kaynağı olmasına rağmen biyometanın yakılması, önemli miktarda sera gazı olan karbondioksit emisyonuna neden olur. Ayrıca okuyun: etan , propan , bütan .