Metanul - proprietati, reactii de obtinere

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 :

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

_{+Cl +Cl +Cl +Cl}

CH₄ -→CH₃Cl -→CH ₂Cl₂ -→CHCl₃  -→ CCl₄

_{-HCl -HCl -HCl -HCl}

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 (CCl ) , agenti frigorifici (CH Cl ) ,

anestezici (CHCl ) 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 )

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.

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.

Schema chimizarii metanului

Bibliografie:  - www.preferatele.com

- www.google.com

- www.altavista.com

- Alcani - autori: Paun George

Pop Ioana