الميثان
الميثان (الولايات المتحدة: / mɛθeɪn / MEH-thayn ، المملكة المتحدة: / ˈmiːθeɪn / MEE-thayn) هو مركب كيميائي له الصيغة الكيميائية CH4 (ذرة كربون واحدة مرتبطة بأربع ذرات هيدروجين). وهي مجموعة 14 هيدريد ، أبسط ألكان ، والمكون الرئيسي للغاز الطبيعي. إن الوفرة النسبية للميثان في الأرض تجعله وقودًا اقتصاديًا مناسبًا ، على الرغم من أن امتصاصه وتخزينه يطرح العديد من التحديات التقنية بسبب حالته الغازية في ظل الظروف العادية لدرجة الحرارة والضغط. يوجد الميثان الطبيعي تحت الأرض وتحت قاع البحر ويتكون من عمليات جيولوجية وبيولوجية. يوجد أكبر خزان للميثان تحت قاع البحر على شكل كلورات الميثان. عندما يصل الميثان إلى السطح والغلاف الجوي ، يُعرف باسم الميثان الجوي. زاد تركيز الميثان في الغلاف الجوي للأرض بنحو 150٪ منذ عام 1750 ويمثل 20٪ من إجمالي التأثير الإشعاعي من جميع غازات الدفيئة طويلة العمر والمختلطة على مستوى العالم. تم اكتشافه أيضًا على كواكب أخرى ، بما في ذلك المريخ ، مما له آثار على أبحاث علم الأحياء الفلكية.
الميثان هو جزيء رباعي السطوح له أربعة روابط C-H مكافئة. يتم وصف هيكلها الإلكتروني بأربعة مدارات جزيئية رابطة (MOs) مشتقة من تداخل مدارات التكافؤ على C و H. ينتج MO منخفض الطاقة عن تداخل المدار 2s على الكربون مع التركيبة في الطور. فوق مستوى الطاقة هذا ، توجد مجموعة ثلاثية من MOs تتكون من مدارات 2p متداخلة على الكربون مع مجموعات خطية مختلفة من مدارات 1s على الهيدروجين. يتوافق مخطط الترابط "ثلاثة على واحد" الناتج مع قياسات التحليل الطيفي الكهروضوئي. غاز الميثان عديم الرائحة واللون. يمتص الضوء المرئي ، خاصة عند الطرف الأحمر من الطيف بسبب النطاقات اللونية ، لكن التأثير يكون ملحوظًا فقط إذا كان مسار الضوء طويلًا جدًا. هذا ما يعطي أورانوس ونبتون ألوانهما الزرقاء أو الخضراء المزرقة ، حيث يمر الضوء عبر غلافهما الجوي الغني بالميثان ثم ينتشر إلى الخارج. تتحقق الرائحة المألوفة للغاز الطبيعي المستخدم في المنازل عن طريق إضافة رائحة ، عادة ما تكون مركبات تحتوي على ثلاثي بيوتيل ثيول ، كإجراء أمان. تبلغ درجة غليان الميثان -161.5 درجة مئوية عند ضغط جو واحد. كغاز ، فهو قابل للاشتعال في نطاق واسع من التركيزات (5.4-17٪) في الهواء عند الضغط القياسي. يوجد الميثان الصلب في عدة أشكال. حاليا ، 9 حالات معروفة. يؤدي تبريد الميثان عند الضغط العادي إلى تكوين غاز الميثان الأول. تتبلور هذه المادة في النظام المكعب (مجموعة الفضاء Fm3m). مواضع ذرات الهيدروجين في الميثان 1 ليست ثابتة ، أي أن جزيئات الميثان قد تدور بحرية. لذلك ، إنها بلورة بلاستيكية.
تفاعلات كيميائية
الأكسدة الانتقائية
تعتبر الأكسدة الجزئية للميثان إلى الميثانول ، وهو الوقود السائل الأسهل ، أمرًا غريبًا لأن التفاعل عادةً ما ينتقل إلى ثاني أكسيد الكربون والماء حتى مع عدم كفاية الإمداد بالأكسجين. ينتج إنزيم الميثان أحادي أوكسيجيناز الميثانول من الميثان ، ولكن لا يمكن استخدامه للتفاعلات على نطاق صناعي. تم تطوير بعض أنظمة المحفز المتجانسة وغير المتجانسة ، ولكن جميعها لها عيوب كبيرة. تعمل هذه المنتجات عادة عن طريق إنتاج منتجات محمية محمية ضد الأكسدة المفرطة. على سبيل المثال ، يمكننا أن نذكر نظام Catalytica والزيوليت النحاسي والزيوليت الحديدي التي تعمل على استقرار الموقع النشط لأكسجين ألفا. تعمل مجموعة من البكتيريا على تحفيز أكسدة الميثان بالنتريت كعامل مؤكسد في غياب الأكسجين ، مما ينتج عنه ما يسمى بالأكسدة اللاهوائية للميثان. التفاعلات الحمضية القاعدية مثل الهيدروكربونات الأخرى ، الميثان هو حمض ضعيف للغاية ، مع تقدير pKa 56 في DMSO. لا يمكن فكه في المحلول ، لكن القاعدة المترافقة معروفة في أشكال مثل الميثيل الليثيوم.
يمكن حرق فقاعات الميثان على يد مبللة دون ضرر. حرارة احتراق الميثان 55.5 ميجا جول / كجم. احتراق الميثان هو تفاعل متعدد الخطوات يتم تلخيصه على النحو التالي
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (ΔH = -891 كيلوجول / مول
في ظل الظروف القياسية (كيمياء بيترز المكونة من أربع خطوات هي كيمياء من أربع خطوات مختصرة بشكل منهجي تصف احتراق الميثان. تفاعلات الميثان الجذرية في ظل الظروف المناسبة ، يتفاعل الميثان مع جذور الهالوجين على النحو التالي
: X • + CH4 → HX + CH3 • CH3 • + X2 → CH3X + X •
حيث X عبارة عن هالوجين: الفلور (F) أو الكلور (Cl) أو البروم (Br) أو اليود (I). آلية هذه العملية تسمى هالوجين الجذور الحرة. يبدأ عندما ينتج ضوء الأشعة فوق البنفسجية أو بعض البادئ الجذري الآخر (مثل البيروكسيدات) ذرة هالوجين.
التطبيقات
الوقود
يستخدم الميثان في العمليات الكيميائية الصناعية ويمكن شحنه كسائل مبرد (غاز طبيعي مسال أو غاز طبيعي مسال). في حين أن التسرب من حاوية السائل المبرد أثقل في البداية من الهواء بسبب زيادة كثافة الغاز البارد ، يكون الغاز أخف من الهواء في درجة الحرارة المحيطة. توزع أنابيب الغاز كميات كبيرة من الغاز الطبيعي ، والميثان هو المكون الرئيسي. يستخدم وقود الميثان كوقود للأفران والمنازل وسخانات المياه والأفران والسيارات والتوربينات وما إلى ذلك. يستخدم الكربون المنشط لتخزين الميثان. يتم استخدام الميثان السائل المنقى كوقود للصواريخ عند دمجه مع الأكسجين السائل ، كما هو الحال في محركات BE-4 و Raptor.
تُستخدم المادة الخام الكيميائية للغاز الطبيعي ، والتي تتكون في الغالب من الميثان ، لإنتاج غاز الهيدروجين على نطاق صناعي. إعادة تشكيل غاز الميثان بالبخار (SMR) ، أو ما يُعرف ببساطة باسم إعادة التشكيل بالبخار ، هو الأسلوب القياسي في الصناعة لإنتاج غاز الهيدروجين التجاري السائب. أكثر من 50 مايو
