متان

متان (US: /ˈmɛθeɪn/ MEH-thayn, UK: /ˈmiːθeɪn/ MEE-thayn) یک ترکیب شیمیایی با فرمول شیمیایی CH4 ) یک اتم کربن متصل به چهار اتم هیدروژن) است. این یک هیدرید گروه 14، ساده‌ترین آلکان، و ترکیب اصلی گاز طبیعی است. فراوانی نسبی متان در زمین، آن را به یک سوخت اقتصادی مناسب تبدیل می‌کند، اگرچه جذب و ذخیره آن به دلیل حالت گازی آن در شرایط عادی برای دما و فشار، چالش‌ های فنی فراوانی را به همراه دارد. متان طبیعی هم در زیر زمین و هم در زیر بستر دریا یافت می‌شود و توسط فرآیندهای زمین‌شناسی و بیولوژیکی تشکیل می‌شود. بزرگترین مخزن متان در زیر بستر دریا به شکل کلترات متان است. هنگامی که متان به سطح و جو می‌رسد، به عنوان متان اتمسفر شناخته می‌شود. غلظت متان اتمسفر زمین از سال 1750 حدود 150 درصد افزایش یافته است و 20 درصد از مجموع نیروی تابشی حاصل از تمام گازهای گلخانه‌ای با عمر طولانی و مخلوط در سطح جهان را تشکیل می‌دهد. همچنین در سیارات دیگر، از جمله مریخ، که پیامدهایی برای تحقیقات اختر زیست شناسی دارد، شناسایی شده است.

متان یک مولکول چهار وجهی با چهار پیوند C-H معادل است. ساختار الکترونیکی آن توسط چهار اوربیتال مولکولی پیوندی (MOs) که از همپوشانی اوربیتال‌های ظرفیتی در C و H به دست می‌آیند توصیف می‌شود.  MO  کم‌انرژی نتیجه همپوشانی اوربیتال 2 s روی کربن با ترکیب درون فازی است. بالاتر از این سطح انرژی، مجموعه ای از MO ها منحط سه گانه است که شامل همپوشانی اوربیتال‌های 2 p روی کربن با ترکیب‌های خطی مختلف اوربیتال‌های 1s روی هیدروژن است. طرح پیوند "سه روی یک" حاصل با اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی فوتوالکترون سازگار است. متان گازی بی بو و بی رنگ به نظر می‌رسد. نور مرئی را مخصوصاً در انتهای قرمز طیف به دلیل نوارهای رنگی جذب می‌کند، اما اثر آن تنها در صورتی قابل توجه است که مسیر نور بسیار طولانی باشد. این همان چیزی است که به اورانوس و نپتون رنگ‌های آبی یا سبز مایل به آبی آنها را می‌دهد، زیرا نور از اتمسفر آنها حاوی متان عبور می‌کند و سپس به بیرون پراکنده می‌شود. بوی آشنای گاز طبیعی که در خانه‌ها استفاده می‌شود با افزودن یک ماده خوشبو کننده به دست می‌آید که معمولاً از ترکیبات حاوی ترت بوتیل تیول به عنوان یک اقدام ایمنی استفاده می‌شود. نقطه جوش متان 161.5- درجه سانتی‌گراد در فشار یک اتمسفر است. به عنوان یک گاز، در طیف وسیعی از غلظت‌ها (5.4-17٪) در هوا در فشار استاندارد قابل اشتعال است. متان جامد در چندین شکل وجود دارد. در حال حاضر 9 مورد شناخته شده است. سرد کردن متان در فشار معمولی منجر به تشکیل متان I می‌شود. این ماده در سیستم مکعبی (گروه فضایی Fm3m) متبلور می‌شود. موقعیت اتم‌های هیدروژن در متان I ثابت نیست، یعنی مولکول‌های متان ممکن است آزادانه بچرخند. بنابراین، این یک کریستال پلاستیکی است.

واکنش‌های شیمیایی

اکسیداسیون انتخابی

اکسیداسیون جزئی متان به متانول، سوخت مایع راحت‌تر، عجیب است زیرا واکنش معمولاً تا دی‌اکسید کربن و آب حتی با عرضه ناکافی اکسیژن پیشرفت می‌کند. آنزیم متان مونواکسیژناز متانول را از متان تولید می‌کند، اما نمی‌تواند برای واکنش‌های در مقیاس صنعتی استفاده شود. برخی از سیستم‌های کاتالیزور همگن و سیستم‌های ناهمگن توسعه یافته‌اند، اما همگی دارای اشکالات قابل توجهی هستند. اینها معمولاً با تولید محصولات محافظت شده‌ای که در برابر اکسیداسیون بیش از حد محافظت می‌شوند، عمل می‌کنند. به عنوان مثال می‌توان به سیستم کاتالیتیکا، زئولیت‌های مس و زئولیت‌های آهنی اشاره کرد که محل فعال آلفا-اکسیژن را تثبیت می‌کنند. یک گروه از باکتری‌ها اکسیداسیون متان را با نیتریت به عنوان اکسیدان در غیاب اکسیژن کاتالیز می‌کنند و به اصطلاح اکسیداسیون بی‌هوازی متان را ایجاد می‌کنند. واکنش‌های اسید و باز مانند سایر هیدروکربن‌ها، متان نیز یک اسید بسیار ضعیف است که pKa آن در DMSO 56 تخمین زده می‌شود. در محلول نمی‌توان پروتون زدایی کرد، اما پایه مزدوج به اشکالی مانند متیل لیتیوم شناخته می‌شود.

 حباب‌های متان را می‌توان روی دست خیس بدون آسیب سوزاند. گرمای احتراق متان 55.5 MJ/kg است. احتراق متان یک واکنش چند مرحله‌ای است که به شرح زیر خلاصه می‌شود

 .CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (ΔH = -891 kJ/mol

در شرایط استاندارد (شیمی چهار مرحله‌ای پیترز یک شیمی چهار مرحله‌ای به طور سیستماتیک کاهش یافته است که سوزاندن متان را توضیح می‌دهد. واکنش‌های رادیکال متان در شرایط مناسب، متان با رادیکال‌های هالوژن به صورت زیر واکنش می‌دهد

: X• + CH4 → HX + CH3• CH3• + X2 → CH3X + X•

 که در آن X یک هالوژن است: فلوئور (F)، کلر (Cl)، برم (Br)، یا ید (I). این مکانیسم برای این فرآیند هالوژناسیون رادیکال آزاد نامیده می‌شود. زمانی شروع می‌شود که نور ماوراء بنفش یا برخی آغازگرهای رادیکال دیگر (مانند پراکسیدها) یک اتم هالوژن تولید کند.

کاربردها

سوخت

 متان در فرآیندهای شیمیایی صنعتی استفاده می‌شود و ممکن است به عنوان مایع سرد (گاز طبیعی مایع یا LNG) حمل شود. در حالی که نشتی از یک ظرف مایع یخچالی در ابتدا به دلیل افزایش چگالی گاز سرد سنگین‌تر از هوا است، گاز در دمای محیط سبک‌تر از هوا است. خطوط لوله گاز مقادیر زیادی گاز طبیعی را توزیع می‌کنند که متان جزء اصلی آن است. سوخت متان به عنوان سوخت کوره‌ها، خانه‌ها، آبگرمکن‌ها، کوره‌ها، اتومبیل‌ها، توربین‌ها و غیره استفاده می‌شود. کربن فعال برای ذخیره متان استفاده می‌شود. متان مایع تصفیه شده به عنوان سوخت موشک استفاده می‌شود، هنگامی که با اکسیژن مایع ترکیب می‌شود، مانند موتورهای BE-4 و Raptor.

مواد اولیه شیمیایی گاز طبیعی که بیشتر از متان تشکیل شده است، برای تولید گاز هیدروژن در مقیاس صنعتی استفاده می‌شود. رفرمینگ متان بخار (SMR) یا به سادگی به عنوان رفرمینگ بخار شناخته می‌شود، روش صنعتی استاندارد برای تولید گاز هیدروژن فله تجاری است. بیش از 50 میلیون تن متریک سالانه در سراسر جهان (2013) عمدتاً از SMR گاز طبیعی تولید می‌شود. بیشتر این هیدروژن در پالایشگاه‌های نفت، در تولید مواد شیمیایی و در فرآوری مواد غذایی استفاده می‌شود. مقادیر بسیار زیادی هیدروژن در سنتز صنعتی آمونیاک استفاده می‌شود.

تاریخچه

در نوامبر سال 1776، متان برای اولین بار توسط فیزیکدان ایتالیایی الساندرو ولتا در باتلاق‌های دریاچه ماگیوره در میان ایتالیا و سوئیس شناسایی شد. ولتا پس از خواندن مقاله‌ای که توسط بنجامین فرانکلین در مورد "هوای قابل اشتعال" نوشته شده بود، الهام گرفت تا به دنبال این ماده بگردد. ولتا گاز خروجی از مرداب را جمع‌آوری کرد و تا سال 1778 متان خالص را جدا کرد. او همچنین نشان داد که گاز می‌تواند با جرقه الکتریکی مشتعل شود. پس از فاجعه معدن فلینگ در سال 1812 که در آن 92 مرد جان خود را از دست دادند، سر همفری دیوی ثابت کرد که آتش‌سوزی ترسناک در واقع عمدتاً متان است. نام "متان" در سال 1866 توسط شیمیدان آلمانی آگوست ویلهلم فون هافمن ابداع شد. این نام از متانول گرفته شده است.

سمیت

متان گازی غیر سمی است، اما بسیار قابل اشتعال است و ممکن است با هوا مخلوط‌های انفجاری تولید کند. همچنین اگر غلظت اکسیژن با جابجایی به کمتر از 16 درصد کاهش یابد، متان نیز خفه کننده است، زیرا اکثر افراد می‌توانند کاهش 21 درصدی به 16 درصد را بدون عوارض جانبی تحمل کنند. غلظت متانی که در آن خطر خفگی قابل توجه است، بسیار بیشتر از غلظت 5 تا 15 درصد در یک مخلوط قابل اشتعال یا انفجار است. گاز متان می‌تواند به داخل ساختمان‌های نزدیک محل‌های دفن زباله نفوذ کند و ساکنان را در معرض سطوح قابل توجهی از متان قرار دهد. برخی از ساختمان‌ها سیستم‌های بازیابی مهندسی ویژه‌ای در زیرزمین‌های خود دارند تا به طور فعال این گاز را گرفته و آن را از ساختمان خارج کنند. انفجار گاز متان مسئول بسیاری از بلایای مرگبار معدن است. انفجار گاز متان عامل فاجعه معدن زغال سنگ Upper Big Branch در غرب ویرجینیا در 5 آوریل 2010 بود که 29 کشته برجای گذاشت.

  1.  "Front Matter". Nomenclature of Organic Chemistry : IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013 (Blue Book). Cambridge: The Royal Society of Chemistry. 2014. pp. 3–4. doi:10.1039/9781849733069-FP001. ISBN 978-0-85404-182-4. Methane is a retained name (see P-12.3) that is preferred to the systematic name ‘carbane’, a name never recommended to replace methane, but used to derive the names ‘carbene’ and ‘carbyne’ for the radicals H2C2• and HC3•, respectively.
  2. ^ "Gas Encyclopedia". Archived from the original on December 26, 2018. Retrieved November 7, 2013.
  3. ^ Jump up to:a b c d Haynes, p. 3.344
  4. ^ Haynes, p. 5.156
  5. ^ Haynes, p. 3.578
  6. ^ Haynes, pp. 5.26, 5.67
  7. ^ "Safety Datasheet, Material Name: Methane" (PDF). USA: Metheson Tri-Gas Incorporated. December 4, 2009. Archived from the original (PDF) on June 4, 2012. Retrieved December 4, 2011.
  8. ^ NOAA Office of Response and Restoration, US GOV. "METHANE". noaa.gov. Archived from the original on January 9, 2019. Retrieved March 20, 2015.
  9. ^ Khalil, M. A. K. (1999). "Non-Co2 Greenhouse Gases in the Atmosphere". Annual Review of Energy and the Environment. 24: 645–661. doi:10.1146/annurev.energy.24.1.645.
  10. ^ Jump up to:a b "Climate Change 2021. The Physical Science Basis. Summary for Policymakers. Working Group I contribution to the WGI Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change". IPCC. The Intergovernmental Panel on Climate Change. Archived from the original on August 22, 2021. Retrieved August 22, 2021.
  11. ^ Jump up to:a b Etiope, Giuseppe; Lollar, Barbara Sherwood (2013). "Abiotic Methane on Earth". Reviews of Geophysics. 51 (2): 276–299. Bibcode:2013RvGeo..51..276E. doi:10.1002/rog.20011. S2CID 56457317.
  12. ^ Hensher, David A.; Button, Kenneth J. (2003). Handbook of transport and the environment. Emerald Group Publishing. p. 168. ISBN 978-0-08-044103-0. Archived from the original on March 19, 2015. Retrieved February 22, 2016.
  13. ^ P.G.J Irwin; et al. (January 12, 2022). "Hazy blue worlds: A holistic aerosol model for Uranus and Neptune, including Dark Spots" (PDF). arXiv:2201.04516.