Metan

Metan

Ball and stick model of methane Spacefill model of methane
Nazivi
Preferisani IUPAC naziv Metan
Sistemski IUPAC naziv Karban (nije preporučen)
Drugi nazivi Maršov gas Prirodni gas Ugljen tetrahidrid Vodnik karbid
Identifikacija
CAS broj	74-82-8 Y
3D model (Jmol)	interaktivna slika
3DMet	B01453
Bajlštajn	1718732
ChEBI	CHEBI:16183 Y
ChemSpider	291 Y
ECHA InfoCard	100.000.739
EC broj	200-812-7
Gmelin Referenca	59
KEGG	C01438?
MeSH	Methane
PubChem C ID	297
RTECS	PA1490000
UN broj	1971
InChI InChI=1S/CH4/h1H4 Y Ključ: VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N Y
SMILES C
Svojstva
Hemijska formula	CH4
Molarna masa	16,04 g·mol−1
Agregatno stanje	Bezbojni gas
Miris	Bez mirisa
Gustina	0,657 g·L−1 (гас, 25 °C, 1 atm) 0,717 g·L−1 (гас, 0 °C, 1 atm) 422,62 g·L−1 (течност, −162  °C)
Tačka topljenja	−182,5 °C; −296,4 °F; 90,7 K
Tačka ključanja	−161,50 °C; −258,70 °F; 111,65 K
Rastvorljivost u vodi	22,7 mg·L−1
Rastvorljivost	Rastvoran u etanolu, dietil etru, benzenu, toluenu, metanolu, acetonu i nije rastvoran u vodi
log P	1,09
kH	14 nmol·Pa−1·kg−1
Konjugovana kiselina	Metanijum
Konjugovana baza	Metil anjon
Magnetna susceptibilnost	−12,2×10−6 cm³·mol−1
Struktura
Grupa simetrije	Td
Oblik molekula (orbitale i hibridizacija)	Tetraedar
Dipolni moment	0 D
Termohemija
Specifični toplotni kapacitet, C	35,69 J·(K·mol)−1
Standardna molarna entropija (So298)	186,25 J·(K·mol)−1
Standardna entalpija stvaranja (ΔfHo298)	−74,87 kJ·mol−1
Std entalpija sagorevanja (ΔcH⦵298)	−891,1 do −890,3 kJ·mol−1
Opasnosti
GHS piktogrami
GHS signalne reči	Opasnost
GHS izveštaji opasnosti	H220
GHS izjave predostrožnosti	P210
NFPA 704	4 2 0 SA
Tačka paljenja	−188 °C (−306,4 °F; 85,1 K)
Tačka spontanog paljenja	537 °C (999 °F; 810 K)
Eksplozivni limiti	4,4–17%
Srodna jedinjenja
Srodna alkani	Metil jodid Difluorometan Jodoform Ugljen tetrahlorid
Ukoliko nije drugačije napomenuto, podaci se odnose na standardno stanje materijala (na 25°C [77°F], 100 kPa).
Y verifikuj (šta je YN ?)
Reference infokutije

Metan (CH₄), poznat i kao blatni gas je najprostiji zasićeni ugljovodonik (alkan). Ukoliko vladaju normalni uslovi on je bezbojan gas. U prirodi metan nastaje usled beskiseoničnog raspada organskih materija (npr. u močvarama). Metan je glavni sastojak zemnog gasa. Koristi se kao gas za grejanje i kao sirovina za dobijanje organskih jedinjenja. Zapaljen gori svetlim modrikastim plamenom, a njegovim sagorevanjem u prisustvu kiseonika nastaje ugljen-dioksid i voda. Nerastvoran je u vodi, a u smeši sa vazduhom vrlo eksplozivan. Relativno velika količina metana na Zemlji daje mu status alternativnog, atraktivnog izvora energije. Međutim, pošto je na normalnoj temperaturi i pritisku u gasovitom stanju, metan je veoma teško transportovati iz njegovih nalazišta. Kao gas, obično se prevozi putem gasovoda ili cisternama utečnjen kao tečnost na temperaturi ispod -162 °C (kao LNG - liquefied natural gas).

Molekul metana ima oblik tetraedra. Atom ugljenika s ima sp³ hibridizaciju. Ostale orbitale grade hemijsku vezu sa četiri atoma vodonika. Sve četiri veze su podjednake (uglovi između veza iznose 109°28') i veoma su malo polarizovane, što je zajedno sa nedostatkom slobodnih elektronskih parova velike postojanosti ovog jedinjenja. Metan može da učestvuje samo u reakcijama tipičnim za alkane (npr: sagorevanje).

Metan ima potencijalno delovanje kao staklenički gas sa visokim potencijalom za globalno zatopljenje sa indeksom od 72 (uz prosek od 20 godina) odnosno indeksom 25 (uz prosek od 100 godina). Metan se u atmosferi oksiduje, proizvodeći ugljen-dioksid i vodu. Zbog toga, metan u atmosferi ima poluvreme postojanja od oko sedam godina.

Rasprostranjenost metana u Zemljinoj atmosferi u toku 1998 godine je procenjena na 1745 ppb (milijarditi deo, parts per billion), a procenjuje se da se u 1750. godini u atmosferi nalazilo oko 700 ppb. Metan može zadržavati i do 20 puta više toplote od ugljen-dioksida. U istom periodu (1750—1998) količina CO₂ u atmosferi je porasla sa 278 na 365 ppm. Toplotni efekt zbog ovog povećanja količine metana je oko jedne trećine od istog efekta povećanja CO₂. Pored toga, postoje ogromne ali nepoznate količine metana u obliku metan hidrata na dnu okeana. Zemljina kora takođe sadrži ogromne količine metana. Velike količine se proizvedu anaerobnim putem metanogeneze. Ostali izvori metana su vulkanske erupcije i fermentacijom unutar stoke (krava, ovaca, konja i drugih životinja).

Istorija

Reč metan verovatno potiče iz starogrčkog jezika. Već se u vreme antičke Grčke znalo o zapaljivom gasu. Tako su u Maloj Aziji postojala mesta izvora metana. Vulkansko područje, u kojem su pronađeni takvi gasovi, je dobilo ime po ovom gasu.

Metan je bio poznat i alhemičarima u srednjem veku kao sastavni deo gasova koji nastaju pri raspadanju, a imao je i ime močvarni gas. Metan je otkrio Tomas Širli 1667. godine. Džozef Pristli je otkrio 1772. godine da metan nastaje pri procesima raspadanja. Alesandro Volta ga je izolovao između 1776. i 1778. godine dok je studirao močvarni gas iz jezera Mađore. Godine 1856. Marselin Bertelo je prvi sintetizirao metan iz ugljen-disulfida i vodonik-sulfida.

Dobijanje

Laboratorijski metan se dobija prženjem natrijum oktana sa natrijum hidroksidom:

CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃

Druga metoda je hidroliza aluminijum karbida:

Al₄C₃ +12H₂O → 3CH₄ + 4Al(OH)₃

Osobine metana

Metan je jedna od osnovnih komponenata zemnog gasa, od oko 87% po zapremini. Na sobnoj temperaturi i standardnom pritisku, metan je bezbojni gas, bez mirisa i ukusa. Navodni miris zemnog gasa, koji se koristi u domaćinstvu, je veštački napravljen kao jedna od sigurnosnih mera, dodavanjem odoranta, najčešće metantiola ili etantiola. Metan ima tačku ključanja od oko -161 °C pri pritisku od jedne atmosfere. Kao gas je lako zapaljiv, već pri manjim koncentracijama u vazduhu (5-15%). Tečni metan nije zapaljiv sve dok se ne izloži velikom pritisku (obično 4-5 atmosfera).

Mešavina metana sa vazduhom u razmeri 1:10 ima eksplozivno dejstvo. Nastanak ovakve smeše u rudnicima je često razlog velikih eksplozija i smrti mnogih ljudi. Velike količine metana se nalaza na planetama u obliku mora (kao što na zemlji postoje mora vode, tako na nekim planetama postoje mora metana)

Potencijalni efekti na zdravlje

Metan nije otrovan. Međutim, veoma je zapaljiv i u smesi sa vazduhom može biti eksplozivan. Burno reaguje sa oksidacionim sredstvima, halogenim elementima i supstancama koje sadrže halogene. Metan je asfiksioni gas, što znači da može istisnuti kiseonik u zatvorenim prostorijama, ali su koncentracije pri kojima on može eksplodirati ili zapaliti se, daleko niže od koncentracija na kojima se može razviti rizik od gušenja. Najveća opasnost od eksplozije mešavine metana i vazduha postoji u rudnicima uglja.

Hemija

Reakcije metana

Osnovne reakcije u koje stupa metan su: gorenje, halogenacija i aktivacija vodonika. Generalno, reakcije metana je dosta teško kontrolisati. Na primer, vrlo teško je doći do delimične oksidacije metanola, jer se reakcija obično nastavlja sve do nastanka ugljen-dioksida i vode.

Sagorevanje

Pri sagorevanju metana, dešavaju se brojne reakcije:

Veruje se da metan formira formaldehid (HCHO ili H₂CO). Formaldehid daje formil radikal (HCO), koji dalje formira ugljen monoksid (CO). Ovaj proces se naziva oksidativna piroliza:

$\mathrm {CH_{4}+O_{2}\longrightarrow CO+H_{2}+H_{2}O}$

U toku oksidativne pirolize, H₂ se oksiduje dajući vodu (H₂O) otpuštajući toplotu. Ovo se dešava veoma brzo, obično za manje od jedne milisekunde.

$\mathrm {2H_{2}+O_{2}\longrightarrow 2H_{2}O}$

Na kraju, CO se oksiduje dajući CO₂ i otpušta još više toplote. Ovaj proces je generalno sporiji od drugih hemijskih koraka i obično traje nekoliko milisekundi.

$\mathrm {2CO+O_{2}\longrightarrow 2CO_{2}}$

Rezultat gornjih reakcija je sledeća totalna reakcija:

$\mathrm {CH_{4}(g)+2O_{2}(g)\longrightarrow CO_{2}(g)+2H_{2}O(l)-890kJ/mol}$

(g) i (l) označavaju agregatno stanje: g - gas; l - tečnost

Aktivacija vodonika

Jačine kovalentne veze između ugljenika i vodonika u molekulu metana su među najsnažnijim među svim ugljovodonicima, te je njihovo korištenje u hemijskim reakcijama ograničeno. Pored visoke granice aktivacije za razbijanje C-H veza, metan je i dalje glavni početni materijal za alkane u oblastima istraživanja i sa izuzetnim industrijskim značajem. U metanovom molekulu veze zatvaraju ugao od 109,5 stepeni.

Reakcije sa halogenima

Metan reaguje sa svim halogenim elementima, u datim uslovima i okolnostima:

$\mathrm {CH_{4}+X_{2}\longrightarrow CH_{3}X+HX}$

gde je X neki halogeni element: fluor (F), hlor (Cl), brom (Br) ili jod (I). Ovaj mehanizam za ovaj proces se naziva halogenacija slobodnim radikalima. Ako su metan i halogeni element (X₂) upotrebljeni u ekvimolarnim količinama, mogu se formirati CH₂X₂, CHX₃ pa čak i CX₄. Koristeći veće količine metana, smanjuje se proizvodnja CH₂X₂, CHX₃, CX₄, a više se formira CH₃X.

Upotreba

Gorivo

Metan je važan za proizvodnju električne energije putem sagorevanja kao goriva u gasnim turbinama ili parnim bojlerima. U poređenju sa fosilnim gorivima, sagorevanjem metana se proizvodi manje ugljen-dioksida po jedinici otpuštene toplote. Sa oko 890,8 kJ/mol toplote pri sagorevanju metana, iako je najjednostavniji ugljenovodonik, daje više toplote po jedinici mase nego drugi kompleksniji ugljenovodonici. U mnogim naseljima, metan se transportuje cevima do domaćinstava u svrhu grejanja. U ovom kontekstu je obično poznat kao zemni gas, a ima energetsku vrednost od oko 39 MJ po m³.

Metan u obliku kompresovanog prirodnog gasa (CNG) se koristi kao pogonsko gorivo, a smatra se da prouzrokuje manje zagađenje od drugih fosilnih goriva poput nafte i dizela.|first=Clayton B. NASA je vršila određena istraživanja o potencijalu metana kao raketnog goriva. Jedna od prednosti metana je da je prisutan u mnogim delovima sunčevog sistema, te bi se potencijalno mogao eksploatirati na površini drugih nebeskih tela, dajući gorivo za putovanje.

Trenutno se razvijaju motori na metanski pogon koji mogu da razviju potisak od 7.500 funti, što je daleko manje od 7 miliona funti neophodnih da se lansira Spejs Šatle. Umesto toga, takvi motori bi se mogli koristiti za pogon letelica sa površine Meseca ili slanje robotskih ekspedicija na druge planete sunčevog sistema.

Nedavno, metan koji nastaje u rudnicima uglja je uspešno iskorišten u proizvodnji električne energije.

Industrijska upotreba

Metan se koristi u procesima hemijske industrije a može se transportovati u vidu ohlađenog tekućeg LNG (liquefied natural gas). Iako je kao gas lakši od vazduha, u tečnom, ohlađenom stanju je teži od vazduha zbog povećanja gustine. Putem gasovoda se distribuiraju velike količine prirodnog gasa, u kojem je metan glavna komponenta.

U hemijskoj industriji, metan je jedan od glavnih resursa u proizvodnji vodonika, metanola, sirćetne kiseline i acetatnog anhidrida. Pri proizvodnji ovih supstanci, metan se prvo konvertuje u gas za sintezu, mešavinu ugljen monoksida i vodonika delovanjem pare. U tom procesu, metan i para reaguju na visokim temperaturama (700-1000 °C) uz nikl kao katalizator.

$CH_{4}+H_{2}O{\xrightarrow[{700-1100^{o}C}]{Ni}}CO+3H_{2}$

Odnos ugljen monoksida i vodonika u gasu za sintezu može biti podešen preko reakcije otklona vodenog gasa na određenu vrednost u zavisnosti od nameravane svrhe upotrebe.

$\mathrm {CO+H_{2}O\longrightarrow CO_{2}+H_{2}}$

Manje značajne hemikalije koje se izvode iz metana su acetilen, dobijen prolaskom metana kroz električni luk, i hlorometani (hlorometan, metilen hlorid, hloroform i ugljen tetrahlorid, koji se dobijaju reakcijom metana sa hlorom. Međutim, upotreba ovih hemikalija sve više opada. Acetilen je zamenjen jeftinijim supstituentima, a korištenje hlorometana je upitno zbog rizika po zdravlje i zagađenje okoline.

Izvori metana

Polja prirodnog gasa

Najveći izvor metana je njegovo izdvajanje iz geoloških depozita poznatih kao polja prirodnog plina. Uglavnom je povezan sa drugim ugljovodoničnim gorivima, a ponekad i sa helijumom i azotom. Metan pod niskim pritiskom se formira pri anaerobnom razlaganju organskih materijala, te u prirodnim izvorima iz velikih dubina Zemljine kore. Generalno, sedimenti koji se nalaze na većim dubinama i koji su izloženi višim temperaturama od onih iz kojih nastaje nafta, obično se pretvaraju u prirodni gas. Metan se takođe proizvodi u većim količinama pri raspadanju organskog otpada na odlagalištima smeća.

Alternativni izvori

Pored polja gasa, alternativni način dobijanja metana je putem biogasa koji se generiše fermentacijom organskih materijala uključujući otpadne vode, smeće te druge otpadne materijale koji sadrže organske materije. Fermentacijom tih materijala u uslovima bez prisustva vazduha (kiseonika) nastaje, između ostalih, metan. Metan hidrat (kombinacija metana i leda, nađen je u ogromnim količinama na dnu okeana) potencijalni je izvor metana u budućnosti. Metan nastao preživanjem krava čini oko 16% svetske godišnje emisije metana u atmosferu. Generalno, sektor stočarstva (uglavnom krave, kokoške i svinje) proizvodi oko 37% metana kojem je, direktno ili indirektno, uzrok čovek. Ranija istraživanja se pronašla brojne medicinske tretmane i načine prilagođavanja ishrane stoke kojima se pomaže smanjenje proizvodnje metana kod preživara.

Naučni eksperimenti su dali različite rezultate kod ispitivanja da li su žive biljke izvor emisije metana.

Vanzemaljski izvori metana

Metan je otkriven ili se pretpostavlja da postoji na brojim mestima u sunčevom sistemu. Veruje se da nastaje u nebiotičkim procesima, uz izuzetak na Marsu, gde se pretpostavlja da ga proizvode mikroorganizmi.

• Mesec - otkriveni su tragovi metana na površini
• Mars - atmosfera sadrži 10 ppb (milioniti deo) metana. U januaru 2009, naučnici iz agencije NASA su objavili da su otkrili da se na Marsu često ispušta metan u određenim područjima, što daje pretpostavke o biološkoj aktivnosti ispod površine planete
• Jupiter - atmosfera sadrži oko 0,3% metana
• Saturn - atmosfera sadrži oko 0,4% metana
  • Titan - atmosfera sadrži oko 1,6% metana
  • Enkelad - atmosfera sadrži oko 1,7% metana
• Uran - atmosfera sadrži oko 2,3% metana
  • Arijel - smatra se da je metan jedan od sastojaka površinskog leda na Arijelu
  • Miranda
  • Oberon - oko 20% leda na površini Oberona je sastavljeno od supstanci na bazi metanskih derivata
  • Titania - oko 20% leda na površini Titanije je sastavljeno od organskih supstanci povezanih s metanom
  • Umbrijel - metan je jedan od sastojaka površinskog leda na Umbrijelu
• Neptun - atmosfera sadrži oko 1,6% metana
  • Triton - Triton ima atmosferu sastavljenu većinom od azota sa malom količinom metana u blizini površine
• Pluton - spektroskopske analize površine Plutona su dokazale prisustvo metana

Literatura

• „Front Matter”. Nomenclature of Organic Chemistry : IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013 (Blue Book). Cambridge: The Royal Society of Chemistry. 2014. str. 3—4. ISBN 978-0-85404-182-4. doi:10.1039/9781849733069-FP001. „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 H₂C^2• and HC^3•, respectively.” 

Spoljašnje veze

• Methane at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• International Chemical Safety Card 0291
• Gas (Methane) Hydrates -- A New Frontier – United States Geological Survey
• Catalytic conversion of methane to more useful chemicals and fuels: a challenge for the 21st century – Catalysis Today
• CDC – Handbook for Methane Control in Mining