Jakou látku lze použít k výrobě metanu?

Metan CH₄ je nasycený uhlovodík obsahující jeden atom uhlíku v uhlíkovém řetězci. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, lehčí než voda, nerozpustný ve vodě a nemísí se s ní.

Všechny alkany jsou látky, které mají podobné fyzikální a chemické vlastnosti a liší se jednou nebo více skupinami –CH₂– od sebe navzájem. Takové látky se nazývají homology, a řada látek, které jsou homology, se nazývá homologická řada.

Vůbec prvním zástupcem homologní řady alkanů je metan CH₄nebo H-CH₂–H.

Homologní řada může pokračovat postupným přidáváním skupiny –CH₂– do uhlovodíkového řetězce alkanu.

Alkanové jméno	Alkanový vzorec
Metan	CH4
Etan	C2H6
Propan	C3H8
Butan	C4H10
pentan	C5H12
Hexan	C6H14
Heptan	C7H16
Oktan	C8H18
Nonan	C9H20
Děkan	C10H22

Obecný vzorec homologní řady alkanů C_nH_{2n + 2}.

První čtyři členy homologní řady alkanů jsou plyny, C₅-C₁₇ – kapaliny počínaje C₁₈ – pevné látky.

V molekule metanu jsou vazby C–H. Vazba C–H je kovalentní a slabě polární. Toto je jednoduchá vazba σ. Atom uhlíku v metanu tvoří čtyři vazby σ. V důsledku toho je hybridizace atomu uhlíku v molekule methanu sp 3:

Když se vytvoří vazba C–H, sp 3 -hybridní orbital atomu uhlíku a s-orbital atomu vodíku se překrývají:

Čtyři hybridní orbitaly sp 3 atomu uhlíku se vzájemně odpuzují a jsou umístěny v prostoru tak, že úhel mezi orbitaly je maximální možné.

Proto jsou čtyři hybridní orbitaly uhlíku v alkanech nasměrovány v prostoru pod úhlem 109 o 28′ navzájem:

To odpovídá tetraedrické struktuře molekuly.

Například, v molekule metanu CH4 atomy vodíku se nacházejí v prostoru ve vrcholech čtyřstěnu, jehož středem je atom uhlíku

Metan není charakterizován přítomností izomery – ani strukturní (izomerie uhlíkového skeletu, poloha substituentů), ani prostorové.

Metan je nasycený uhlovodík, takže nemůže vstupovat do adičních reakcí.

Metan se vyznačuje následujícími reakcemi:

• rozklad,
• substituce,
• oxidace.

Ke štěpení slabě polárních vazeb C–H dochází pouze homolytickým mechanismem za vzniku volných radikálů.

Proto se metan vyznačuje pouze tím radikální reakce.

Metan odolný vůči silným oxidačním činidlům (KMnO₄K₂Cr₂O₇ , Atd.), nereaguje s koncentrovanými kyselinami, zásadami, bromovou vodou.

1. Substituční reakce

Metan se vyznačuje radikálními substitučními reakcemi.

1.1. Halogenace

Metan reaguje s chlorem a bromem ve světle nebo při zahřátí.

Když se methan chloruje, nejprve se vytvoří chlormethan:

Chlormethan může dále reagovat s chlorem za vzniku dichlormethanu, trichlormethanu a tetrachlormethanu:

Chemická aktivita chloru je vyšší než u bromu, takže dochází k chloraci rychle a bez rozdílu.

Dochází k bromaci pomaleji.

Substituční reakce v alkanech probíhají podle mechanismus volných radikálů.

Volné radikály R∙ jsou atomy nebo skupiny vzájemně propojených atomů, které obsahují nepárový elektron.

První etapa. Zahájení řetězce.

Pod vlivem kvanta světla nebo při zahřátí se molekula halogenu rozpadne na dva radikály:

Volné radikály jsou velmi aktivní částice, které se snaží vytvořit vazbu s nějakým jiným atomem.

Druhá fáze. Vývoj řetězce.

Halogenový radikál interaguje s molekulou alkanu a odebírá z ní vodík.

V tomto případě se vytvoří přechodná částice – alkylový radikál, který zase interaguje s novou nerozloženou molekulou chloru:

Třetí etapa. Přerušení obvodu.

Když dojde k řetězovému procesu, radikály se dříve nebo později srazí s radikály, vytvoří molekuly a radikálový proces skončí.

Mohou se srazit stejné i různé radikály, včetně dvou methylových radikálů:

1.2. Nitrace metanu

Metan interaguje se zředěnou kyselinou dusičnou radikálovým mechanismem při zahřátí na 140 o C a pod tlakem. Atom vodíku v methanu je nahrazen nitroskupinou NO₂.

2. Reakce rozkladu metanu (d ehydrogenace, pyrolýza)

Při pomalém a dlouhodobém zahřívání na 1500 o C se metan rozkládá na jednoduché látky:

Pokud proces zahřívání metanu probíhá velmi rychle (asi 0,01 s), dochází k intermolekulární dehydrogenaci a vzniká acetylen:

Pyrolýza metanu – průmyslová metoda výroby acetylenu.

3. Oxidace metanu

Alkanes – nízkopolární sloučeniny, proto za normálních podmínek neoxidují ani silná oxidační činidla (manganistan draselný, chroman či dichroman draselný atd.).

3.1. Kompletní oxidace – spalování

Alkany hoří za vzniku oxidu uhličitého a vody. Spalovací reakce alkanů je doprovázena uvolňováním velkého množství tepla.

Obecná rovnice pro spalování alkanů je:

Když alkany hoří v nedostatku kyslíku, může vznikat oxid uhelnatý CO nebo saze C.

Průmyslový význam má reakce oxidace metanu s kyslíkem na jednoduchou látku – uhlík:

Tato reakce se používá k výrobě sazí.

3.2. katalytická oxidace

• Při katalytické oxidaci methanu kyslíkem je možná tvorba různých produktů v závislosti na podmínkách procesu a katalyzátoru. Možná tvorba methanolu, mravenčího aldehydu nebo kyseliny mravenčí:

• Parní reformování metanu je důležité v průmyslu: oxidace metanu vodní párou při vysoké teplotě.

Produktem reakce je takzvaný „syntézní plyn“.

1. Interakce halogenalkanů s kovovým sodíkem (Wurtzova reakce)

Jedná se o jednu z laboratorních metod získávání alkanů. V tomto případě je uhlíková kostra zdvojená. Reakce je vhodnější pro výrobu symetrických alkanů. Metan tímto způsobem nelze vyrobit.

2. Vodná nebo kyselá hydrolýza karbidu hliníku

Tento způsob výroby se používá v laboratoři k výrobě metanu.

3. Dekarboxylace solí karboxylových kyselin (Dumasova reakce)

Dumasova reakce – jedná se o interakci solí karboxylových kyselin s alkáliemi při fúzi.

R-COONa + NaOH → R–H + Na₂CO₃

Dekarboxylace je odstranění (eliminace) molekuly oxidu uhličitého z karboxylové skupiny (-COOH) nebo organické kyseliny nebo karboxylátové skupiny (-COOMe) soli organické kyseliny.

Když octan sodný během fúze reaguje s hydroxidem sodným, tvoří se methan a uhličitan sodný:

4. Fischer-Tropschova syntéza

Ze syntézního plynu (směs oxidu uhelnatého a vodíku) lze za určitých podmínek (katalyzátor, teplota a tlak) získat různé uhlovodíky:

Jedná se o průmyslový proces výroby alkanů.

Metan lze získat Fischer-Tropschovou syntézou:

5. Výroba metanu v průmyslu

Metan se vyrábí v průmyslu z ropy, uhlí, zemního plynu a souvisejícího plynu . Při rafinaci ropy se využívá rektifikace, krakování a dalších metod.

Tento výbušný plyn se často nazývá „bažinový plyn“. Každý zná jeho specifickou vůni, ale ve skutečnosti se jedná o speciální přísady „s vůní plynu“, které se přidávají za účelem jeho rozpoznání. Při spálení nezanechává prakticky žádné škodlivé produkty. Tento plyn se mimo jiné poměrně aktivně podílí na vzniku známého skleníkového efektu.

Metan je plyn běžně spojovaný s živými organismy. Když byl v atmosférách Marsu a Titanu objeven metan, vědci začali doufat, že na těchto planetách existuje život. Metanu je na Rudé planetě málo, ale Titan je jím doslova „zaplaven“. A když ne pro Titan, tak pro Mars jsou biologické zdroje metanu stejně pravděpodobné jako geologické. Hodně metanu je na obřích planetách – Jupiter, Saturn, Uran a Neptun, kde vznikl jako produkt chemického zpracování hmoty z protosolární mlhoviny. Na Zemi je vzácný: jeho obsah v atmosféře naší planety je pouze 1750 dílů na miliardu objemu (ppbv).

Zdroje a produkce metanu

Metan je nejjednodušší uhlovodík, bezbarvý plyn bez zápachu. Jeho chemický vzorec je CH₄. Málo rozpustný ve vodě, lehčí než vzduch. Při použití v každodenním životě a průmyslu se obvykle do metanu přidávají odoranty se specifickým „plynovým zápachem“. Hlavní složkou přírodní (77-99 %), přidružené ropné (31-90 %), důlní a bažinné plyny (odtud jiné názvy pro metan – bažina či důlní plyn).

90–95 % metanu je biologického původu. Býložraví kopytníci, jako jsou krávy a kozy, vypouštějí pětinu ročních emisí metanu z bakterií v jejich žaludcích. Mezi další důležité zdroje patří termiti, neloupaná rýže, bažiny, filtrace zemního plynu (produkt minulého života) a fotosyntéza rostlin. Sopky přispívají k celkové bilanci metanu na Zemi méně než 0,2 %, ale zdrojem tohoto plynu mohou být i organismy minulých epoch. Průmyslové emise metanu jsou zanedbatelné. Objev metanu na planetě jako je Země tedy naznačuje přítomnost života na ní.

Metan vzniká při tepelném zpracování ropy a ropných produktů (10-57 % obj.), koksování a hydrogenaci uhlí (24-34 %). Laboratorní metody přípravy: fúze octanu sodného s alkálií, působení vody na methylmagneziumjodid nebo karbid hliníku.

V laboratoři se připravuje zahříváním sodného vápna (směs hydroxidu sodného a draselného) nebo bezvodého hydroxidu sodného s kyselinou octovou. Pro tuto reakci je důležitá nepřítomnost vody, proto se používá hydroxid sodný, protože je méně hygroskopický.

Vlastnosti metanu

Metan hoří ve vzduchu namodralým plamenem a uvolňuje energii asi 39 MJ na 1 m 3 . Se vzduchem tvoří výbušné směsi. Obzvláště nebezpečný je metan, který se uvolňuje při hlubinné těžbě nerostných surovin v důlních dílech, dále v úpravnách uhlí a briketách a v třídírnách. Když je tedy obsah ve vzduchu do 5–6 %, metan hoří v blízkosti zdroje tepla (teplota vznícení 650–750 °C), od 5–6 % do 14–16 % exploduje, přes 16 % může shořet příliv kyslíku zvenčí. Snížení koncentrace metanu může vést k výbuchu. Navíc výrazné zvýšení koncentrace metanu ve vzduchu může způsobit udušení (např. koncentrace metanu 43 % odpovídá 12 % O₂).

Výbušné hoření se šíří rychlostí 500–700 m/s; tlak plynu při výbuchu v uzavřeném prostoru je 1 Mn/m2. Po kontaktu se zdrojem tepla dochází s určitým zpožděním ke vznícení metanu. Na této vlastnosti je založeno vytváření bezpečnostních výbušnin a nevýbušných elektrických zařízení. Na místech, která jsou nebezpečná přítomností metanu (hlavně uhelné doly), tzv. plynový režim.

Při 150-200 °C a tlaku 30-90 atm se metan oxiduje na kyselinu mravenčí.

Metan tvoří inkluzní sloučeniny – plynové hydráty, které jsou v přírodě rozšířené.

Methan použití

Metan je tepelně nejstabilnější nasycený uhlovodík. Je široce používán jako domácí a průmyslové palivo a jako surovina pro průmysl. Chlorací methanu tak vzniká methylchlorid, methylenchlorid, chloroform a chlorid uhličitý.

Nedokonalým spalováním metanu vznikají saze a katalytická oxidace formaldehyd. , při interakci se sírou – sirouhlík.

Tepelně-oxidační krakování a elektrokrakování metanu jsou důležité průmyslové metody výroby acetylenu.

Základem průmyslové výroby kyseliny kyanovodíkové je katalytická oxidace směsi metanu a čpavku. Metan se používá jako zdroj vodíku při výrobě čpavku, dále k výrobě vodního plynu (tzv. syntézního plynu): CH₄ + H₂O → CO + 3H₂, sloužící k průmyslové syntéze uhlovodíků, alkoholů, aldehydů apod. Významným derivátem metanu je nitromethan.

Automobilové palivo

Metan je široce používán jako motorové palivo pro automobily. Hustota přírodního metanu je však tisíckrát nižší než hustota benzínu. Pokud tedy natankujete do auta metan za atmosférického tlaku, tak na stejné množství paliva jako na benzín budete potřebovat nádrž 1000x větší. Abychom nevezli obrovský přívěs s palivem, je nutné zvýšit hustotu plynu. Toho lze dosáhnout stlačením metanu na 20–25 MPa (200–250 atmosfér). Pro skladování plynu v tomto stavu se používají speciální lahve, které jsou instalovány na autech.

Metan a skleníkový efekt

Metan je skleníkový plyn. Pokud je stupeň dopadu oxidu uhličitého na klima konvenčně brán jako jedna, pak skleníková aktivita metanu bude 23 jednotek. Hladiny metanu v atmosféře za poslední dvě století velmi rychle vzrostly.

Nyní průměrný obsah metanu CH₄ v moderní atmosféře se odhaduje na 1,8 ppm (Díly na milión, Díly na milión). A ačkoli je to 200krát méně než jeho obsah oxidu uhličitého (CO₂), na jednu molekulu plynu je skleníkový efekt metanu – tedy jeho příspěvek k rozptylu a zadržování tepla vyzařovaného sluncem ohřátou Zemí – výrazně vyšší než u CO₂. Metan navíc absorbuje záření Země v těch „oknech“ spektra, která jsou průhledná pro jiné skleníkové plyny. Žádné skleníkové plyny – CO₂, vodní páry, metanu a některých dalších nečistot by průměrná teplota na zemském povrchu byla pouze –23 °C, nyní je však asi +15 °C.

Metan prosakuje na dně oceánu trhlinami v zemské kůře a ve značném množství se uvolňuje při těžbě a při vypalování lesů. Nedávno byl objeven nový, zcela nečekaný zdroj metanu – vyšší rostliny, ale mechanismy vzniku a význam tohoto procesu pro samotné rostliny nebyly dosud objasněny.

Nedaleko Santa Barbary se ze dna oceánu ve velkých objemech uvolňuje metan, aktivní skleníkový plyn.

Metan je zvláště nebezpečný při těžebních operacích

Metan místo benzínu? Snadno

Když byl v atmosféře Marsu objeven metan, měli vědci naději, že na planetě najdou stopy života