Metán – výroba, vlastnosti a použitie

Metán: všeobecná charakteristika

Metán je najjednoduchšia zlúčenina v homologickej sérii alifatických uhľovodíkov. Molekulový vzorec metánu je _CH4 . Jeho molekula sa skladá z jedného atómu uhlíka a štyroch atómov vodíka. Všetky väzby medzi atómami v molekule metánu sú kovalentné (sigma väzby). Experimentálne sa ukázalo, že majú rovnakú dĺžku a energiu. Uhly medzi väzbami sú rovnaké pri 109°28′. Molekula metánu má tvar pravidelného štvorstenu. V súlade s tým atóm uhlíka prijíma hybridizáciu ^sp3 .

Príprava a vlastnosti

Metán je v prírode pomerne bežný, pričom jeho hlavným zdrojom je zemný plyn. Ložiská tohto fosílneho paliva sa najčastejšie nachádzajú hlboko pod zemou alebo na dne morí a oceánov, odkiaľ sa ťaží. Produkt získaný z takýchto zdrojov sa často nazýva organický plyn, tj plyn vznikajúci pri transformácii organickej hmoty pri vysokej teplote a tlaku. Metán sa tiež nachádza v hornom plyne sprevádzajúcom uhoľné vrstvy, ako aj v močiarnom plyne, ktorý sa uvoľňuje pri rozklade rastlinných zvyškov. V druhom prípade je plyn produktom celého radu procesov rozkladu organických látok. Značné množstvo metánu sa hromadí pod morským dnom oceánu vo forme klatrátov metánu, kde je plynný metán zachytený vo vnútri akejsi „klietky“ tvorenej molekulami vody. V laboratórnych podmienkach sa metán získava rôznymi spôsobmi. Jednou z nich je priama syntéza z uhlíka a vodíka pri vysokej teplote (500°C) . Laboratóriá často využívajú reakciu karbidu hliníka s vodou na výrobu molekúl metánu, ako aj hydroxidu hlinitého. Pri vykonávaní reakcie by ste mali pamätať na to, že metán je plynná látka, takže ak chcete zbierať výsledný produkt, musíte pripraviť špeciálny systém na zachytávanie plynných produktov. Ďalšou laboratórnou metódou je zahrievanie zmesi octanu sodného a hydroxidu sodného pri zvýšenej teplote (dekarboxylácia). Fyzikálne a chemické vlastnosti metánu:

• Plyn bez farby a zápachu pri izbovej teplote.
• Veľmi horľavý. Horí modrým plameňom.
• Jednotlivé molekuly metánu sú veľmi stabilné, avšak jeho zmes so vzduchom alebo kyslíkom je výbušná (obsah metánu od 5 %do cca 14 %objemu).
• Plyn je odolný voči chemickým látkam.
• Jeho hustota je nižšia ako hustota vzduchu.
• Je nerozpustný vo vode.
• Dobre rozpustný v organických rozpúšťadlách.
• Je netoxický.

Metán prechádza množstvom dôležitých chemických reakcií . Medzi najvýznamnejšie patria spaľovacie reakcie . Pri neobmedzenom prívode vzduchu dochádza k úplnému spáleniu metánu. Výsledkom reakcie je oxid uhličitý a voda. Tento typ spaľovania je najbezpečnejší a najefektívnejší. Keď je prísun kyslíka obmedzený, dochádza k neúplnému spaľovaniu metánu. V závislosti od množstva dodávaného kyslíka produkty takéhoto spaľovania zahŕňajú buď jedovatý oxid uhoľnatý (II) a vodu, alebo uhlík a vodu. Metán nereaguje s brómom a kyselinou manganistanou. To vysvetľuje chýbajúcu zmenu farby brómovej vody a roztoku manganistanu draselného (VII). S chlórom však reaguje pomerne ľahko. Alkánové reakcie s halogénmi sú vysoko exotermické. Reakcie medzi metánom a chlórom sú radikálne. Dôležité je, že chlorácia tohto najjednoduchšieho alkánu neprebieha v tme (väčšinou je iniciovaná svetlom). Aby reakcia prebehla, celý systém by sa musel zahriať na teplotu vyššiu ako 250 °C . K chlorácii metánu dochádza, keď sa molekula chlóru rozpadne na dva radikály, ktoré potom reagujú s druhým substrátom a vedú k tvorbe metylových radikálov a chlorovodíka. Chloračná reakcia sa nezastaví v štádiu monochlorácie. Radikály, ktoré sa tvoria, interagujú s molekulami chlóru alebo chlórovými radikálmi. Molekula, ktorá nepodlieha ďalšej chlorácii, je tetrachlórmetán, kde sú všetky atómy vodíka nahradené atómami chlóru. V skutočnosti koncová zmes obsahuje všetky uvedené deriváty.

Kľúčové aplikácie metánu v priemysle

Jednou z hlavných aplikácií metánu je jeho využitie ako zdroja energie . Energia sa získava spaľovaním palív obsahujúcich túto zlúčeninu. Príkladom takéhoto paliva je zemný plyn. Jeho obsah metánu presahuje 90 %. Po vyťažení ide takmer priamo k súkromným spotrebiteľom a priemyselnému sektoru. Spaľovanie metánu sa používa aj v plynových turbínach na výrobu elektriny a tepla. Dá sa použiť aj na vykurovanie domácností. Metán sa používa na pohon motorových vozidiel . Ako palivo sa predáva pod názvom CNG (stlačený zemný plyn) alebo LNG (skvapalnený zemný plyn) . Jeho spaľovanie v autách je v porovnaní s naftou či benzínom oveľa efektívnejšie. Je zrejmé, že chemický priemysel je veľkým užívateľom metánu. Jednou chemickou aplikáciou je výroba vodíka v procese nazývanom parné reformovanie. Preto rastúci záujem o vodík ako palivo budúcnosti znamená rastúci záujem aj o metán. Medzi ďalšie chemické procesy, ktoré využívajú metán, patrí výroba metanolu , uhoľného plynu alebo plastov . Metán sa nepriamo podieľa aj na výrobe pneumatík. Sadze vznikajúce pri nedokonalom spaľovaní plynu sú jednou z prísad používaných na vystuženie gumy používanej na výrobu pneumatík. Rovnaké sadze možno použiť pri výrobe farieb a tlačiarenských farieb .

Metán ako skleníkový plyn

Medzi plynmi a emisiami, ktoré majú najväčší vplyv na globálne otepľovanie, je na prvom mieste oxid uhličitý . Ide o druh znečisťujúcej látky, ktorá pretrváva v atmosfére veľmi dlho, až niekoľko tisíc rokov. Metán je však ešte nebezpečnejšou hrozbou pre klímu . Ako znečisťujúca látka je prítomný „len“ asi 10 až 15 rokov, oveľa kratšie ako oxid uhličitý, no jeho vplyv na skleníkový efekt je oveľa väčší.

Metánové klatráty

Zaujímavým príkladom ložísk metánu, ktoré môžu byť potenciálne cenným zdrojom látky, sú takzvané klatráty metánu. Vzhľadom na ich chemickú štruktúru môžete často počuť, že sa nazývajú hydrát metánu, hydrometán alebo metánový ľad. Metánové klatráty sú kombináciou molekúl vody a molekúl metánu. Voda v tomto prípade tvorí štruktúru podobnú klietke, v ktorej sa zachytáva metán. Neexistujú medzi nimi žiadne chemické väzby . Klatráty sa vyznačujú kryštalickou štruktúrou a vznikajú pri zvýšenom tlaku. Fyzicky vyzerajú ako biele pevné látky. Sú bez zápachu a na dotyk pripomínajú polystyrén . Najčastejšie sa nachádzajú klatráty metánu, ktoré pozostávajú zo 46 molekúl vody, ktoré obklopujú dve malé a šesť stredne veľkých „klietok“. V nich je zachytený metán. Metánové klatráty stále nie sú úplne preskúmaným zdrojom energie. Práve z dôvodu možnosti získavať z nich značné množstvo metánu na energetické účely priťahujú značný záujem. Výsledná surovina môže byť veľmi dobrou alternatívou ku konvenčným zdrojom uhľovodíkov , avšak nedostatočné znalosti o extrakcii metánu z klatrátov predstavujú veľké riziko pre životné prostredie, ktoré môže byť dôsledkom nekontrolovaného uvoľňovania metánu do atmosféry.

biometán

Biometán je definovaný ako plyn získaný z bioplynu. Bioplyn je na druhej strane plyn získaný z biomasy. Vzniká premenou organickej hmoty, vrátane rastlinného a živočíšneho odpadu, skládok alebo čistiarní odpadových vôd. Metán zvyčajne tvorí asi 55 %bioplynu. Bioplyn sa zvyčajne používa priamo, zatiaľ čo jeho čistenie na čistý biometán sa vykonáva len vo výnimočných situáciách. Biometán prichádza v dvoch skupenstvách: plynný a kvapalný. Vzniká pri metánovej fermentácii biologického odpadu. Prakticky všetok takto získaný biometán je určený na účely výroby energie. Mnoho spoločností a výrobných závodov využíva bioplyn a biometán, ktorý obsahuje, na pohon zariadení, ktoré v súčasnosti často využívajú energiu zo zemného plynu. Aj keď ide o obnoviteľný zdroj energie, spaľovanie biometánu má za následok značné emisie oxidu uhličitého, ktorý je skleníkovým plynom. Prečítajte si tiež: etán , propán , bután .