Mêtan

Mêtan
khí thiên nhiên Methane-3D-vdW.png
Thông tin chung
Tên khác khí đầm lầy, khí bùn
Công thức hóa học CH4
Bề ngoài khí trong suốt, lửa màu xanh da trời
Đặc tính
Tỷ trọng và pha 0.717 kg/m3, gas
Điểm nóng chảy −182.5 °C (90.6 K) ở 1 atm

25 °C (298 K) ở 1.5G Pa

Điểm sôi −161.6 °C (111.55 K)
Điểm ba 90,7 K, 0,117 bar
Tính độc
External MSDS External MSDS
Nguy hiểm chính Rất dễ cháy (F+)
NFPA 704
NFPA 704
"Biểu đồ cháy"
Flammability code 4: Sẽ cháy nhanh hoặc hóa hơi hoàn toàn trong điều kiện áp suất và nhiệt độ khí quyển bình thường, hoặc sẵn sàng phân tán trong không khí và dễ cháy. Điểm cháy dưới 23 °C (73 °F). ví dụ propaneHealth code 1: Exposure would cause irritation but only minor residual injury. E.g., turpentineReactivity (yellow): no hazard codeSpecial hazards (white): no codeNFPA 704 four-colored diamond
4
1
R-phrases
S-phrases
Điểm bắt lửa −188 °C
Nhiệt độ tự bốc cháy 482-632 °C
Nhiệt độ cháy
tối đa:		 2148 °C
Giới hạn nổ 5–15%
Các hợp chất liên quan
Các ankan liên quan Êtan
Prôpan
Các hợp chất liên quan Mêtanol
Clomêtan
Except where noted otherwise, data are given for
materials in their standard state (at 25 °C, 100 kPa)
Infobox disclaimer and references
See methane for a more complete list.
Cấu trúc phân tử methane

Mêtan (US: /ˈmɛθeɪn/ hoặc UK: /ˈmiːθeɪn/) là một hợp chất hóa học với công thức hóa học CH4 (một nguyên tử cacbon và bốn nguyên tử của hydro). Nó là một hydrua nhóm 14 và là ankan đơn giản nhất, và là thành phần chính của khí tự nhiên. Sự phong phú tương đối của khí mêtan trên Trái Đất làm cho nó trở thành một loại nhiên liệu hấp dẫn, mặc dù việc thu giữ và lưu trữ nó đặt ra những thách thức do trạng thái khí của nó trong điều kiện bình thường về nhiệt độ và áp suất.

Mêtan xuất hiện tự nhiên được tìm thấy cả dưới mặt đất và dưới đáy biển, và được hình thành bởi cả quá trình địa chất và sinh học. Hồ chứa khí metan lớn nhất nằm dưới đáy biển dưới dạng clathrat metan. Khi khí mê-tan đến bề mặt và khí quyển, nó được gọi là khí mêtan trong khí quyển.[1] Nồng độ khí mê-tan trong khí quyển của Trái Đất đã tăng khoảng 150% kể từ năm 1750 và nó chiếm 20% tổng lượng bức xạ cưỡng bức từ tất cả các loại khí nhà kính tồn tại lâu dài và hỗn hợp trên toàn cầu.[2] Khí mê-tan cũng đã được phát hiện trên các hành tinh khác, bao gồm Sao Hỏa, và có ý nghĩa đối với nghiên cứu sinh vật học.[3]

Thuộc tính và liên kếtSửa đổi

Metan là một phân tử tứ diện có bốn liên kết C-H tương đương. Cấu trúc điện tử của nó được mô tả bởi bốn quỹ đạo phân tử liên kết (molecular orbital) do sự chồng chéo của các quỹ đạo hóa trị trên C và H. MO năng lượng thấp nhất là kết quả của sự chồng lấp của quỹ đạo 2s trên carbon với sự kết hợp cùng pha của quỹ đạo 1s trên bốn nguyên tử hydro. Trên mức năng lượng này là một tập hợp các MO suy biến ba lần liên quan đến sự chồng chéo của các quỹ đạo 2p trên carbon với các tổ hợp tuyến tính khác nhau của các quỹ đạo 1s trên hydro. Sơ đồ liên kết "ba trên một" kết quả phù hợp với phép đo phổ quang điện tử.

Ở nhiệt độ phòng và áp suất tiêu chuẩn, metan là một loại khí không màu, không mùi.[4] Mùi khí tự nhiên quen thuộc được sử dụng trong nhà đạt được bằng cách thêm chất tạo mùi, thường là hỗn hợp có chứa tert-butylthiol, như một biện pháp an toàn. Khí mêtan có nhiệt độ sôi −164°C (−257,8°F) ở áp suất của một bầu khí quyển.[5] Là một chất khí, nó dễ cháy trong một phạm vi nồng độ (5,4-17%) trong không khí ở áp suất tiêu chuẩn.

Mêtan rắn tồn tại trong một số đa hình. Hiện tại chín thù hình của chất này được biết đến.[6] Làm lạnh metan ở áp suất bình thường dẫn đến sự hình thành mêtan I. Chất này kết tinh trong hệ thống khối (nhóm không gian Fm 3 m). Vị trí của các nguyên tử hydro không cố định trong metan I, tức là các phân tử metan có thể xoay tự do. Do đó, nó là một tinh thể nhựa.[7]

Tính chất hóa họcSửa đổi

Phản ứng oxi hóa hoàn toàn (Phản ứng cháy)Sửa đổi

Trong phản ứng cháy của metan có một số bước. Trước tiên, mêtan tạo ra gốc metyl (CH3), gốc này phản ứng với ôxy sinh ra formaldehyde (HCHO) cho gốc formyl (HCO) để tạo thành cacbon monoxit. Quá trình này được gọi là sự nhiệt phân ôxi hoá:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (ΔH = −891 kJ/mol ở 25oC, 1 atm)

Sau đó, hidro bị ôxi hóa tạo ra H2O và giải phóng nhiệt. Quá trình này diễn ra rất nhanh, thường chưa tới một phần nghìn giây.

2H2 + O2 → 2H2O

Cuối cùng, CO bị ôxi hóa tạo thành CO2, và giải phóng thêm nhiệt. Quá trình này chậm hơn quá trình trên và thường mất vài phần nghìn giây để phản ứng.

2CO + O2 → 2CO2

Phản ứng oxi hóa không hoàn toànSửa đổi

Được dùng trong sản xuất fomanđehit, bột than, khí đốt,...

 

 

 (đốt trong điều kiện thiếu không khí)

Phản ứng nhiệt phân metan:Sửa đổi

Metan bị nhiệt phân bằng cách nung nóng nhanh metan với 1 lượng nhỏ oxi ở nhiệt độ khoảng 1500oC:

  (ΔH = 397kJ/mol)

Oxi được dùng để đốt cháy 1 phần metan, cung cấp thêm nhiệt cho phản ứng.

Hoạt hóa HydroSửa đổi

Liên kết cộng hóa trị giữa C-H trong metan thuộc loại bền nhất trong hydrocacbon. Tuy nhiên, metan vẫn là nguyên liệu khởi đầu chính trong sản xuất Hydro. Việc tìm kiếm các xúc tác có tác dụng thúc đẩy dễ dàng sự hoạt hóa Hydro trong metan và các ankan bậc thấp khác là một lĩnh vực nghiên cứu khá quan trọng trong công nghiệp.

Phản ứng thế halogenSửa đổi

Mêtan phản ứng với Halogen cho ra dẫn xuất halogen của metan và hidro halogenua.

Ví dụ: Metan phản ứng với Clo trong ánh sáng khuếch tán theo nhiều giai đoạn:

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl
CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl
CHCl3 + Cl2 → CCl4 + HCl

Phản ứng phân hủySửa đổi

Metan có thể bị phân hủy ở nhiệt độ trên 1000oC [8]:

CH4 → C + 2H2

hoặc khi tác dụng với Cl2 khi đun nóng hoặc Flo ở điều kiện thường, tạo thành muội than và khí axit [9]:

CH4 + 2Cl2 → C + 4HCl

Phương pháp điều chếSửa đổi

Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4↑
Al4C3 + 12HCl → 4AlCl3 + 3CH4↑
  • Từ CH3COONa (phản ứng vôi tôi xút) có xúc tác CaO ở nhiệt độ cao.
 
 
  • Từ CO
CO + 3H2 → H2O + CH4↑
C6H12O6 → 3CO2 + 3CH4
  • Từ khí thiên nhiên
  • Phản ứng cracking ankan từ 3C trở lên (thường là cracking propan tại propan sẽ cho ra sản phẩm là metan trực tiếp)

 

Ứng dụngSửa đổi

Nhiên liệuSửa đổi

Mêtan là một nhiên liệu quan trọng. So với than đá, đốt cháy metan sinh ra ít CO2 trên mỗi đơn vị nhiệt giải phóng. Ở nhiều nơi, mêtan được dẫn tới từng nhà nhằm mục đích sưởi ấm và nấu ăn. Nó thường được biết tới với cái tên khí thiên nhiên.[10]

Trong công nghiệpSửa đổi

Mêtan được dùng trong nhiều phản ứng hóa công nghiệp và có thể được chuyên chở dưới dạng khí hóa lỏng. Trong hóa công nghiệp, mêtan là nguyên liệu sản xuất hydro, methanol, axit axetic và anhydrit axetic.

Mêtan trong khí quyển Trái ĐấtSửa đổi

Mêtan trong khí quyển là một khí gây hiệu ứng nhà kính.[11] Mật độ của nó đã tăng khoảng 150% từ năm 1750 và đến năm 1998, mật độ trung bình của nó trên bề mặt Trái Đất là 1745 ppb. Mật độ ở bán cầu Bắc cao hơn vì ở đó có nhiều nguồn mêtan hơn (cả thiên nhiên lẫn nhân tạo). Mật độ của mêtan thay đổi theo mùa, thấp nhất vào cuối mùa hè.[12]

Quá trình phân huỷSửa đổi

Cơ chế phá hủy chính của mêtan trong khí quyển là qua tác dụng với gốc hydroxit (.OH):

CH4 + ·OH → ·CH3 + H2O

Phản ứng này diễn ra ở tầng đối lưu làm cho mêtan tồn tại được trong khoảng 9,6 năm.[13]

Sự giải phóng đột ngột của sàng mêtanSửa đổi

Ở áp suất lớn, ví dụ như ở dưới đáy đại dương, mêtan tạo ra một dạng sàng rắn với nước, được gọi là mêtan hydrat.[14] Một số lượng chưa xác định nhưng có lẽ là rất nhiều mêtan bị giữ lại dưới dạng này ở đáy biển. Sự giải phóng đột ngột của một thể tích lớn mêtan từ những nơi đó vào khí quyển là một giả thuyết về nguyên nhân dẫn tới những hiện tượng Trái Đất nóng lên trong quá khứ xa, đỉnh cao là khoảng 55 triệu năm trước.

Một tổ chức đã ước tính trữ lượng quặng mêtan hydrat dưới đáy đại dương vào khoảng 10 triệu triệu tấn (10 exagram). Giả thuyết rằng nếu Trái Đất nóng lên đến một nhiệt độ nhất định, toàn bộ lượng mêtan này có thể một lần nữa bị giải phóng đột ngột vào khí quyển, khuếch đại hiệu ứng nhà kính lên nhiều lần và làm Trái Đất nóng lên đến mức chưa từng thấy.

Mêtan bên ngoài Trái ĐấtSửa đổi

Mêtan đã được phát hiện hoặc tin là tồn tại ở vài nơi trong Hệ Mặt Trời. Người ta cho rằng nó được tạo ra nhờ những quá trình phản ứng vô sinh.

Dấu vết của khí mêtan cũng được tìm thấy ở bầu khí quyển mỏng trên Mặt Trăng của Trái Đất. Mêtan cũng được dò thấy ở các đám mây giữa những vì sao trong vũ trụ

Tham khảoSửa đổi

  1. ^ 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.
  2. ^ “Technical summary”. Climate Change 2001. United Nations Environment Programme. Bản gốc lưu trữ ngày 4 tháng 6 năm 2011.
  3. ^ Etiope, Giuseppe; Lollar, Barbara Sherwood (2013). “Abiotic Methane on Earth”. Reviews of Geophysics (bằng tiếng Anh). 51 (2): 276–299. Bibcode:2013RvGeo..51..276E. doi:10.1002/rog.20011. ISSN 1944-9208.
  4. ^ Hensher, David A.; Button, Kenneth J. (2003). Handbook of transport and the environment. Emerald Group Publishing. tr. 168. ISBN 978-0-08-044103-0. Đã bỏ qua tham số không rõ |last-author-amp= (gợi ý |name-list-style=) (trợ giúp)
  5. ^ Methane Phase change data. NIST Chemistry Webbook.
  6. ^ Bini, R.; Pratesi, G. (1997). “High-pressure infrared study of solid methane: Phase diagram up to 30 GPa”. Physical Review B. 55 (22): 14800–14809. Bibcode:1997PhRvB..5514800B. doi:10.1103/physrevb.55.14800.
  7. ^ Wendelin Himmelheber. “Crystal structures”. Truy cập ngày 10 tháng 12 năm 2019.
  8. ^ George A. Olah, Alain Goeppert, G. K. Surya Prakash (2009). Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy. John Wiley & Sons. Page 268.
  9. ^ George A. Olah, G. K. Surya Prakash, Robert E. Williams, Kenneth Wade & Unknown. Hypercarbon Chemistry. Publisher: Wiley; 2 edition (ngày 9 tháng 8 năm 2011). Page: 593 & 594.
  10. ^ Sản xuất điện từ rác thải, Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia.
  11. ^ NON-CO2 GREENHOUSE GASES IN THE ATMOSPHERE, Annual Review of Energy and the Environment, Vol. 24: 645-661 (Volume publication date November 1999, DOI: 10.1146/annurev.energy.24.1.645
  12. ^ Carbon Dioxide, Methane Rise Sharply in 2007. Noaanews.noaa.gov (2008-04-23). Truy cập 2012-05-24.
  13. ^ Drysdale, Dougal (2008). “Physics and Chemistry of Fire”. Trong Cote, Arthur E. (biên tập). Fire Protection Handbook. 1 (ấn bản 20). Quincy, MA: National Fire Protection Association. tr. 2–18. ISBN 978-0-87765-758-3.
  14. ^ Lưu giữ khí dạng nước khô, Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia.
  15. ^ Khí mê-tan trên sao Hỏa không có nguồn gốc từ núi lửa, Siêu Nhiên.

Liên kết ngoàiSửa đổi

Lấy từ “https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Mêtan&oldid=64399031”