Metan (CH4) är en färglös, luktfri gas med tetraedrisk geometri. Dess kemiska egenskaper gör den användbar som en vanlig bränslekälla, för att producera vätgas för gödningsmedel och sprängämnen, och för att syntetisera värdefulla kemikalier. Men metan är också en potent växthusgas.
Metanformel och struktur
Metan har den kemiska formeln CH4 och en molekylvikt av 16,043 g/mol. Metanmolekylen är tetraedrisk, med kolatomen i mitten och de fyra väteatomerna i hörnen av tetraedern. Varje CH-bindning är ekvivalent, och varje bindning separeras med en vinkel på 109,5°.
Fysiska egenskaper hos metan
Lättare än luft, metangas har en densitet på 0,657 g/L vid 25 °C och 1 atmosfärstryck. Det omvandlas till en vätska under -162 °C och en fast substans under -182,5 °C. Metan är knappt lösligt i vatten, med en löslighet på 22,7 mg/L, men är lösligt i olika organiska lösningsmedel som:
- etanol
- dietyleter
- aceton
- bensen
- Kemiska egenskaper
Några av de viktigaste kemiska reaktionerna som involverar metan är förbränning och halogenering.
Förbränning av metan släpper ut betydande värme (891 kJ/mol). Det är en oxidationsreaktion i flera steg och kan sammanfattas med ekvationen enligt följande:
En molekyl gasformig metan reagerar med två molekyler syrgas under förbränningsförhållanden och bildar en molekyl koldioxidgas, två molekyler vattenånga och energi.
Släpper bara koldioxid och vatten, metan är det renaste brinnande fossila bränslet och utgör det mesta av naturgas. Även om metan är relativt stabilt kan det vara explosivt när dess innehåll är mellan 5 och 14 procent i luft, och det har varit orsaken till många minkatastrofer.
Även om det är utmanande i industriell skala, kan metan delvis oxideras till metanolen av metanmonooxygenasenzym. Intressant nog visade sig en grupp N-DAMO-bakterier anta anaerob oxidation av metan med nitrit som oxidationsmedel.
Metan kan även reagera med halogen under radikala förhållanden enligt följande:
Klorradikalen genereras först av en radikalinitiator som ultraviolett ljus. Denna klorradikal abstraherar en väteatom från metan för att bilda en klorväte och en metylradikal. Metylradikalen reagerar sedan med en klormolekyl (Cl2), vilket resulterar i klormetan och en klorradikal, som går igenom en annan reaktionscykel om den inte avslutas av en annan radikal.
Metan användningsområden
Det finns många industriella användningsområden för metan, tack vare dess mångsidiga kemiska egenskaper. Det är en viktig källa till väte och kol för olika organiska material.
Metan är den primära komponenten i naturgas, som är en vanlig bränslekälla. Det används ofta för att driva hem, turbiner, bilar och andra saker. Metan kan också göras flytande för att underlätta lagring eller transport. När det kombineras med flytande syre kan raffinerad flytande metan fungera som en källa till bränsle för raketer.
Naturgas används också för att producera vätgas i industriell skala eftersom metan kan reagera med ånga vid höga temperaturer (700 till 1 100 °C) för att ge kolmonoxid och vätgas i närvaro av en katalysator. Väte används sedan för tillverkning av ammoniak, som är prekursor för konstgödsel och sprängämnen. Som en bra källa till kol används metan också för att syntetisera kloroform, koltetraklorid, nitrometan och metanol. Den kimrök som genereras vid ofullständig förbränning av metan är ett förstärkningsmedel för gummi i däck.
Metan som växthusgas
I ett hållbart system tas metan som släpps ut i atmosfären upp av naturliga metansänkor som marken och metanoxidationsprocessen i troposfären.
Däremot har ökade metanutsläpp under de senaste decennierna bidragit till växthuseffekten. Trots sin låga koncentration värmer metan upp planeten 86 gånger så mycket som koldioxid, en annan växthusgas. Förhoppningsvis kan insatser för att kontrollera metanutsläpp bromsa växthuseffekten innan det är för sent.
