A fost
descoperit de A.Volts in 1778 in malul
baltilor si a fost numit prima oara gaz 
de
balta. Metanul este cel mai simplu alcan, o hidrocarbura saturata
aciclica, primul termen al seriei de
hidrocarburi parafinice. Se gaseste sub forma de
zacaminte naturale in stare destul de
pura. Tara noastra poseda zacaminte de
metan cu puritate ridicata ( 98%-99% ) ,
cele mai
importante fiind cele de
la Sarmasel , Copsa Mica , Bazna , Nades
, Sincai , Deleni etc.
Cantitati apreciabile de
gaz metan se
gasesc si
in minele de
carbuni.
Metanul se
produce si
acolo unde a avut loc o fermentare a celulozei in absenta aerului, sub
influenta unor bacterii anaerobe; de
aceea,din fundul baltilor, unde continuu plutesc plante,
se
degaja uneori metan.
Este
un component in proportie de
20-30% din
gazul de
iluminat rezultat prin distilarea uscata
a huilei. Separarea metanului din
gazul de
iluminat constituie un izvor pentru obtinerea lui in tarile bogate in zacaminte
de
carbuni. Ca si
petrolul, gazul metan se
extrage din
zacaminte prin
sonde. De
la
locul de
extractie, el este
trimis prin
conducte pana la
centrele de
consum.
In laborator metanul se
poate prepara prin
reactia dintre apa si
carbura de
aluminiu (metoda Moissan):
Al4C3 + 12H2O = 3CH5 + 4Al(OH)2
intr-un
dispozitiv de
preparat gaze la
cald. Si
carbura de
beriliu formeaza cu
apa, in mod preponderent, metan.
O alta metoda de
laborator este
descompunerea acetatului de
sodiu (sau de
potasiu) prin
incalzire calce sodata (metoda Dumas):
CH3-COONa + NaOH = CH4 + NaCO3
Proprietati fizice
Metanul este
un gaz incolor, mai
usor decat aerul , insolubil in apa , solubil in alcool , eter , benzen .
Mirosul gazului metan din
conductele industriale si
casnice este
dat de
substantele continand sulf ( mercaptani ) care sunt adaugate special pentru a
face gazul usor de
recunoscut prin
miros ; eventualele scapari de
gaze pot fi astfel descoperite la
timp.
El poate fi prins sub
apa fara pierderi insemnate.
Legaturile C-H din
molecula metanului nu sunt polare ; in schimb apa este
dupa cum am vazut un compus polar. Lipsind atractiile electrostatice ,
moleculele de
metan nu vor fi inconjurate de
un roi de
molecule de
apa ( asa cum se
intampla cu
alte molecule sau ioni , fenomen numit salvatare ) , iar fara aceasta nu are
loc dizolvarea .
Metanul este
mai
usor decat aerul
Faptul ca
metanul este
mai
usor decat aerul se
datoreaza greutatii moleculare mai
scazute a moleculei CH4 ( 12 + ( 4 x 1 ) = 16 ) fata de
moleculele oxigenului , O2 ( 2 x 16 = 32 ) si
azotului , N2 ( 2 x 14 = 28 ) . Un volum de
22,4 l care contine , un mol de
gaz , in conditii normale 16 g daca va fi ocupat de
metan , fata de
circa 29 de
g cat va cantari daca va fi ocupat de
aer.
Metanul se
lichefiaza foarte greu
Din acest motiv , el se
transporta de
cele mai
multe ori prin
conducte , sub
presiune , in stare gazoasa.
Principalele constante fizice ale metanului sunt prezente in tabelul urmator :
|
Formula Moleculara |
P.t. |
P.f. |
00((in c.n.) |
d aer |
|
CH4 |
-1830 C |
-1620 C |
0,7142 g/l |
0.5536 |
Arde cu
flacara putin luminoasa, cu
degajare mare de
caldura. Un amestec mare da metan si
oxigen sau aer explodeaza in prezenta unei scantei. Asa se
explica exploziile care se
produc uneori in minele de
carbuni, unde se
gasesc cantitati insemnate de
metan.
Pentru ca amestecul de
metan si
aer, numit gaz grizu, sa nu produca exlozie in mine, lampile aprinse sunt
prevazute cu
panze metalice, care inconjoara flacara. Produsele de
ardere a metanului sunt bioxid de
carbon si
apa.
Proprietatii chimice
Metanul este
o substanta stabila , putin reactiva in conditii obisnuite. In prezenta unor
reactivi energici ca oxigenul sau clorul si
in conditii potrivit alese ( de
temperatura , presiune si
catalizatori) metanul poate fi facut sa reactioneze , ducand la
produsi de
mare insemnatate practica. Reactiile caracteristice pentru metan sunt reactiile
de
substitutie.
1.Reactia de
halogenare
CH4 →CH3Cl →CH 2Cl2 →CHCl3 → CCl4
Metanul reactioneaza
usor cu
clorul si
cu
bromul , nu reactioneaza cu
iodul , iar cu
florul reactioneaza violent formand acid fluorhidric si
tetrafluo-
rura de
carbon .
Din amestecul de
derivati clorurati cu
diferite grade de
substitutie rezultat din
reactia de
clorurare a metanului , componentii sunt separati prin
distilare . Sunt utilizati ca solventi (CCl4 ) , agenti frigorifici
(CH3Cl ) ,
anestezici (CHCl3)
si
intermediari in sinteze organice .
Cea mai
importanta metoda de
clorurare a metanului este
clorurarea termica. Reactiile de
clorurare sunt initiate prin
incalzirea reactantiilor la
temperaturi de
400-500 0 C.
CH4 + 2Cl2 = C + 4HCl
2.Reactia de
ardere
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Q
CH4 + 2O2 + 8N2 → CO2 + 2H2O + 8N2
Arderea metanului constituie reactia la
oxidare a metanului de
catre oxigen ; acesta poate sa fie oxigen pur sau oxigenul continut in aer.
Reactia de
ardere poate fi condusa in doua moduri : ardere completa si
ardere incompleta.
- Arderea completa consta in transformarea
totala a metanului in bioxid de
carbon si
apa
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + energie
Metanul este
un combustibil foarte larg utilizat.
Covalentele
oxigenului cu
carbonul si
oxigenul sunt mult mai
stabile decat cele care asigura formarea moleculei O2 ; prin
reactia de
ardere se
degaja foarte multa energie. In cursul reactiei , o parte din
aceasta energie este
folosita temporar pentru a invinge inertia chimica a moleculelor de
metan ; intrand in reactie acestea vor elibera noi cantitati de
energie si
asftfel, reactia o data inceputa intr-un punct se
propaga cu
iuteala in intreaga masa a amestecului de
metan si
oxigen. Daca reactia se
executa in arzatoare speciale, in care oxigenul vine in contact cu
metanul in mod controlat, obtinem o flacara fierbinte de
oxigen si
metan in proportiile cerute de
ecuatia de
reactie , se
produce
o explozie, care, in anumite imprejurari, poate fi foarte periculoasa .
Utilizarea metanului drept combustibil pentru motoare cu
explozie este
nerentabila din
pricina dificultatii de
a lichefia metanul, conditie esentiala pentru o buna inmaganizare a sa in
rezervoarele vehicolelor .
- Arderea incompleta consta in oxidarea
partiala a metanului la
carbon si
apa. Aceasta se
realizeaza prin
ardere intr-un mediu cu
mai
putin oxigen decat ar fi necesar pentru a se
produce
combustia completa.
CH4 + O2 = C + 2H2O
Observam ca in
arderea incompleta s-a folosit numai o molecula de
oxigen la
o molecula de
metan fata de
doua molecule de
oxigen cate se
foloseau la
arderea completa.
Arderea
incompleta este
un fenomen nedorit in arzatoare, unde urmarim obtinerea de
energie ; atunci flacara ,, afuma ' si
produce
mai
putina caldura , deoarece lipseste energia care s-ar degaja daca ar avea loc si
reactia carbonului cu
oxigenul pentru a da bioxid de
carbon , ca la
arderea completa.
Arderea
incompleta a metanului se
foloseste insa in scopul producerii industriale a negrului de
fum.
Prin arderea metanului se
degaja o cantitate apreciabila de
caldura
( 890,78kj/mol )
. De
aceea metanul este
un combustibil valoros .
Consumarea
oxigenului din
aer in reactia de
ardere a metanului constituie un procedeu de
obtinere a azotatului, folosit, de
exemplu, in sinteza amoniacului .
Prin arderea metanului cu
cantitati reduse de
aer, rezulta, dupa conditiile de
reactie, carbon si
vapori de
apa sau oxid de
carbon si
hidrogen:
2CH4 + O2 = 2CO + 4H2
3. Reactia de
oxidare la
aldehida formica
Conditii : 400-600°C si
catalizatori oxizi de
azot
CH4+O2 → CH2O + H2O
( aldehida formica ) re776m9477jeeu
Aldeida formica este
utilizata la
obtinerea novolacului si
a bachelitei , la
conservarea preparatelor anatomice , formolul fiind o solutie de
aldehida formica de
concentratie 40%.
4. Reactia de oxidare cu vapori de apa
Conditii: Ni , 300-1000°C si catalizator Ni
CH4 + H2O ↔ CO +3H2
Conditii: 400°C si catalizatori oxizi de fier
CO + H2O ↔ CO2 + H2
Prin oxidarea metanului cu vapori de apa se obtine un amestec de monoxid de carbon , CO si hidrogen numit gaz de sinteza si utilizat la obtinerea metanonului si in alte sinteze organice . Monoxidul de carbon poate fi convertit la dioxid de carbon , procesul constituind o sursa de hidrogen folosit in sinteza amoniacului si in alte scopuri .
5. Reactia de amonoxidarea
Conditii : catalizatori de Pt , 1000°C
CH4 + NH3 + 3/2O2 → HCN + 3H2O
Oxidarea metanului cu aer in prezenta amoniacului permite obtinerea acidului cianhidric, HCN, folosit in principal, la obtinerea fibrelor sintetice de tip poliacrilonitril si a stiplexului .
6. Reactia de obtinerea acetilenei
La temperaturi de circa 30000, in arcul electric , are loc un alt tip de descompunere termica, care duce la hidrogen si acetilina.
Conditii : 1500°C
2CH4 → CH ≡ CH +3H2 (acetilena)
Obtinerea acetilenei din metan este cea mai importanta cale de chimizare a metanului pentru ca acetilena este punctul de plecare al multor sinteze organice care duc la produse finite importante : cauciuc sintetic , materiale plastice , fibre sintetice etc.
7. Reactia de obtinere a negrului de fum
Descompunerea termica a metanului are loc foarte greu.
La temperaturi peste 6000 metanul se descompune in elemente ; stim ca aceasta reactie este reversibila :
CH4 → C + 2H2
Reactia de descompunere a metanului in elemente este o reactie puternic endoterma .
Caldura necesara reactiei se obtine prin arderea altei parti de metan si de aceea reactia poate fi considerata si ca o oxidare partiala a metanului .
CH4 + O2 → C + 2H2O
Negrul de fum se utilizeaza in industria de lacuri si vopsele la obtinerea lacurilor, a cernelurilor tipografice , in industria cauciucurilor , la obtinerea grafitului de mare puritate .
Produsele chimice obtinute prin reactiile descrise mai sus si-au gasit largi aplicatii industriale
Intrebuintarile metanului sunt multiple si interesante, in special in industria chimica pentru care metanul este una din cele mai valoroase materii prime.
Metanul mai este utilizat drept combustibil dar azi se pune un accent deosebit pe transfornarea lui intr-o serie de compusi chimici de o mare importanta practica . Aceasta prelucrare se numeste chimizarea
metanului.Este suficient sa precizam ca prin chimizare valoarea unui metru cub de gaz metan creste de circa 30 de ori , ca sa ne dam seama de importanta economica a acestuia.
Chimizarea metanului se poate realiza pe urmatoarele cai:
1) Prin oxidare, metanul mai poate forma si negru de fum, conform reactiei:
CH4 + O2 → C + 2H2O
negru de fum
Randamentul de obtinere a negrului de fum prin acest procedeu este foarte mic si nerentabil.
Astazi se fabrica negrul de fum mult mai rentabil din produse petroliere, de exemplu la noi in tara la Pitesti. Negrul de fum este utilizat in prelucrarea cauciucului, obtinerea cernelurilor de tipar, tusuri etc.
Cand oxidarea metanului se face cu oxigen din aer, azotul existent ramane necombinat:
CH4 + aer (O2 + N2) → CO2 + 2 H2O + N2
Procesul constituind o importanta sursa de azot.
2) Chimizare prin oxidare partiala cu vapori de apa:
Prin oxidarea metanului cu vapori de apa se obtine gaz de sinteza:
Ni
CH4 + H2O → CO + 3H2
650-900°C gaz de sinteza
Gazul de sinteza obtinut este folosit la scara industriala in diverse
sinteze de alcooli, aldehide etc..
Prin oxidarea partiala a metanului se obtine, gazul de sinteza din care se pot
fabrica: alcool metilic, alcooli superiori, benzine de sinteza. Prin oxidarea
catalitica a metanului rezulta la 600-7500 C formaldehida.
Hidrogenul separat din gazul de sinteza poate folosi la fabricarea amoniacului,
a unor ingrasaminte chimice, etc.
3 )Clorurarea metanului este o cale de obtinere a
unor dizolvanti si agenti frigorifici. Prin nitrarea metanului se obtine
nitrometanul, folosit ca bun dizolvant si in unele sinteze organice.
4) Prin amonooxidare (tratarea cu amoniac si oxigen, respectiv aer) din metan se fabrica acid cianhidric, din care se obtine, pe langa cianurile alcaline, diferite produse intermediare pentru industria materialelor plastice, a fibrelor sintetice, a cauciucului sintetic, etc. Tot din metan se poate obtine si sulfura de carbon, prin tratare cu sulf la 600-7000 C, in prezenta catalizatorilor).
Amonooxidare este reactia metanului cu amoniac si aer, cu formare de acid cianhidric:
Pt, 1000°C
CH4 + NH3 + 3/2O2 → HCN + 3 H2O
acid
cianhidric
Produsele chimice obtinute prin reactiile descrise mai sus si-au gasit
largi aplicatii industriale in marile combinate chimice ale tarii noastre,
fiind prelucrate in continuare, prin alte procese chimice.
O alta cale pentru valorificarea metanului o poate constitui utilizarea lui ca
agent energetic. Gazul metan este un combustibil superior carbunelui si chiar
produselor petroliere la incalzitul cuptoarelor industriale el prezita avantaje
din punct de vedere tehnic si economic: puterea calorifica mai mare, cheltuieli
de exploatare si transport mult reduse, iar cele de depozitare inexistente.
