Metan

Metan
Metan
Općenito
Hemijski spoj	Metan
Druga imena	močvarni gas, rudnički gas
Molekularna formula	CH4
CAS registarski broj	74-82-8
Kratki opis	bezbojni gas
Osobine1
Molarna masa	16.0425 g/mol
Agregatno stanje	gasovito
Gustoća	0,717 kg/m3
Tačka topljenja	-182.5 °C
Tačka ključanja	-161.6 °C
Rastvorljivost	3.5 mg/100 mL (17 °C)
Rizičnost
NFPA 704	4 1 0
	1 Gdje god je moguće korištene su SI jedinice. Ako nije drugačije naznačeno, dati podaci vrijede pri standardnim uslovima.

Metan je bezbojni plin, spoj ugljika i vodika sa hemijskom formulom CH₄. Spojevi ugljika i vodika nazivaju se ugljikovodici, a metan je najjednostavniji iz klase alkana. Osnovni sastojak je zemnog plina. Zapaljen gori svjetlim modrikastim plamenom, a njegovim sagorijevanjem u prisustvu kisika nastaje ugljik dioksid i voda. Netopljiv u vodi, a u smjesi sa zrakom 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 ukapljen kao tekućina na temperaturi ispod -162 °C (kao LNG - liquefied natural gas).

Metan ima potencijalno djelovanje kao staklenički gas sa visokim potencijalom za globalno zatopljenje sa indeksom od 72 (uz prosjek od 20 godina) odnosno indeksom 25 (uz prosjek od 100 godina)^[1]. Naposlijetku, metan u atmosferi se oksidira, proizvodeći ugljik dioksid i vodu. Zbog toga, metan u atmosferi ima poluvrijeme postojanja od oko sedam godina.

Rasprostranjenost metana u Zemljinoj atmosferi u toku 1998 godine je procijenjena na 1745 ppb (milijarditi dio, parts per billion), a procjenjuje se da se u 1750. godini u atmosferi nalazilo oko 700 ppb. Metan može zadržavati i do 20 puta više toplote od ugljik dioksida. U istom periodu (1750-1998) količina CO₂ u atmosferi je porasla sa 278 na 365 ppm (milionti dio, parts per million). Toplinski efekt zbog ovog povećanja količine metana je oko jedne trećine od istog efekta povećanja CO₂^[2]. Pored toga, postoje ogromne ali nepoznate količine metana u obliku metan hidrata na dnu okeana. Zemljina kora također sadrži ogromne količine metana. Velike količine se proizvedu anaerobski putem metanogeneze. Ostali izvori metana su vulkanske erupcije i fermentacijom unutar stoke (krava, ovaca, konja i drugih životinja).

Historija

Riječ metan vjerovatno potiče iz starogrčkog jezika. Već se u vrijeme antičke Grčke znalo o zapaljivom gasu. Tako su u Maloj Aziji postojala mjesta izvora metana. Vulkansko područje, u kojem su pronađeni takvi gasovi, je dobilo ime po ovog gasu metana.

Metan je bio poznat i alhemičarima u srednjem vijeku kao sastavni dio gasova koji nastaju pri raspadanju, a imao je i ime močvarni gas. Metan je otkrio Thomas Shirley 1667. godine. Joseph Priestley je otkrio 1772. godine da metan nastaje pri procesima raspadanja. Alessandro Volta ga je izolirao između 1776. i 1778. godine dok je studirao močvarni gas iz jezera Maggiore. Godine 1856. Marcellin Berthelot je prvi sintetizirao metan iz ugljik disulfida i vodik sulfida.

Osobine

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 okusa. Navodni miris zemnog gasa, koji se koristi u domaćinstvu, je vještački napravljen kao jedna od sigurnosnih mjera, dodavanjem odoranta, najčešće metantiola ili etantiola. Metan ima tačku ključanja od oko -161 °C pri pritisku od jedne atmosfere. Kao gas je lahko zapaljiv, već pri manjim koncentracijama u zraku (5-15%). Tečni metan nije zapaljiv sve dok se ne izloži velikom pritisku (obično 4-5 atmosfera).

Potencijalni efekti na zdravlje

Metan nije otrovan. Međutim, veoma je zapaljiv i u smjesi sa zrakom 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, su daleko niže od koncentracija na kojima se može razviti rizik od gušenja. Najveća opasnost od eksplozije mješavine metana i zraka postoji u rudnicima uglja.

Hemija

Reakcije metana

Osnovne reakcije u koje stupa metan su: gorenje, halogenacija i aktivacija vodika. Općenito, reakcije metana je dosta teško kontrolirati. Na primjer, vrlo teško je doći do djelimične oksidacije metanola, jer se reakcije obično nastavlja sve do nastanka ugljik dioksida i vode.

Sagorijevanje

Pri sagorijevanju metana, dešavaju se brojne reakcije:

Vjeruje se da metan formira formaldehid (HCHO ili H₂CO). Formaldehid daje formil radikal (HCO), koji dalje formira ugljik (II) oksid (ugljik 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 oksidira dajući vodu (H₂O) otpuštajući toplotu. Ovo se dešava veoma brzo, obično za kraće od jedne milisekunde.

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

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

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

Rezultat gornjih reakcija je slijedeća 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 - tekuće

Aktivacija vodika

Jačina kovalentne veze između ugljika i vodika u molekuli metana su među najsnažnijim među svim ugljikovodicima, 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 metanovoj molekuli hidrogenske veze zatvaraju ugao od 109,5 stepeni.

Reakcije sa halogenim

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

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

gdje 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) upotrijebljeni 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 sagorijevanja kao goriva u gasnim turbinama ili parnim bojlerima. U usporedbi sa fosilnim gorivima, sagorijevanjem metana se proizvodi manje ugljik dioksida po jedinici otpuštene toplote. Sa oko 890,8 kJ/mol toplote pri sagorijevanju metana^[3], iako je najjednostavniji ugljikovodik, daje više toplote po jedinici mase nego drugi kompleksniji ugljikovodici. U mnogim naseljima, metan se transportuje cijevima do domaćinstava u svrhu grijanja. U ovom kontekstu je obično poznat kao zemni plin, a ima energetsku vrijednost 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^[4]. NASA je vršila određena istraživanja o potencijalu metana kao raketnog goriva^[5]. Jedna od prednosti metana je da je prisutan u mnogim dijelovima sunčevog sistema, te bi se potencijalno mogao eksploatirati na površini drugih nebeskih tijela, dajući gorivo za putovanje^[6].

Trenutno se razvijaju motori na metanski pogon koji mogu razviti potisak od 7.500 funti, što je daleko manje od sedam miliona funti neophodnih da se lansira Space Shuttle. Umjesto toga, takvi motori bi se mogli koristiti za pogon letjelica sa površine Mjeseca ili slanje robotskih ekspedicija na druge planete sunčevog sistema^[7].

Nedavno, metan koji nastaje u rudnicima uglja je uspješno iskorišten u proizvodnji električne energije^[8].

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 zraka, u tekućem, ohlađenom stanju je teži od zraka zbog povećanja gustoće. 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 vodika, metanola, acetatne kiseline i acetatnog anhidrida. Pri proizvodnji ovih supstanci, metan se prvo konvertuje u gas za sintezu, mješavinu ugljik monoksida i vodika djelovanjem 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 ugljik monoksida i vodika u gasu za sintezu može biti podešen preko reakcije otklona vodenog gasa na određenu vrijednost u zavisnosti od namjeravane 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 ugljik tetrahlorid, koji se dobijaju reakcijom metana sa hlorom. Međutim, upotreba ovih hemikalija sve više opada. Acetilen je zamijenjen jeftinijim supstituentima, a korištenje hlorometana je upitno zbog rizika po zdravlje i onečišćenje okoline.

Izvori metana

Polja prirodnog plina

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

Alternativni izvori

Pored polja plina, 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 zraka (kiseonika) nastaje, između ostalih, metan. Metan hidrat (kombinacija metana i leda, nađen je u ogromnim količinama na dnu okeana) je potencijalni izvor metana u budućnosti. Metan nastao preživanjem krava čini oko 16% svjetske godišnje emisije metana u atmosferu^[9]. Općenito, sektor stočarstva (uglavnom krave, kokoši i svinje) proizvodi oko 37% metana kojem je, direktno ili indirektno, uzrok čovjek^[10]. Ranija istraživanja se pronašla brojne medicinske tretmane i načine prilagođavanja ishrane stoke kojima se pomaže smanjenje proizvodnje metana kod preživara^[11]^[12]^[13].

Naučni eksperimenti su dali različite rezultate kod ispitivanja da li su žive biljke izvor emisije metana^[14]^[15]^[16].

Vanzemljski izvori metana

Metan je otkriven ili se pretpostavlja da postoji na brojim mjestima u sunčevom sistemu. Vjeruje se da nastaje u nebiotičkim procesima, uz izuzetak na Marsu, gdje se prepostavlja da ga proizvode mikroorganizmi.

Mjesec - otkriveni tragovi metana na površini^[17]
Mars - atmosfera sadrži 10 ppb (milioniti dio) metana. U januaru 2009, naučnici iz 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^[18]
Jupiter - atmosfera sadrži oko 0,3% metana
Saturn - atmosfera sadrži oko 0,4% metana
- Titan - atmosfera sadrži oko 1,6% metana^[19]
- Enkelad - atmosfera sadrži oko 1,7% metana^[20]
Uran - atmosfera sadrži oko 2,3% metana
- Ariel - smatra se da je metan jedan od sastojaka površinskog leda na Arielu
- 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
- Umbriel - metan je jedan od sastojaka površinskog leda na Umbrielu
Neptun - atmosfera sadrži oko 1,6% metana
- Triton - Triton ima atmosferu sastavljenu većinom od dušika sa malom količinom metana u blizini površine^[21]^[22]
Pluton - spektroskopske analize površine Plutona su dokazale prisustvo metana^[23]^[24]

Također pogledajte

Reference

^ IPCC Fourth Assessment Report
^ "Radiative Forces of Climate Change". Climate Change 2001: The Scientific Basis. IPCC. Arhivirano s originala, 15. 6. 2007. Pristupljeno 26. 5. 2008.
^ David R. Lide, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics, Internet Version 2005, http://www.hbcpnetbase.com Arhivirano 24. 7. 2017. na Wayback Machine, CRC Press, Boca Raton, FL, 2005, str. 936
^ Clayton B. Cornell (29. april 2008.). "Natural Gas Cars: CNG Fuel Almost Free in Some Parts of the Country". Arhivirano s originala, 20. 1. 2019. Pristupljeno 21. 12. 2009. Provjerite vrijednost datuma u parametru: |date= (pomoć)
^ Lunar Engines, Aviation Week & Space Technology, 171, 2 (13. juli 2009.), str. 16
^ Methane Blast Arhivirano 30. 8. 2009. na Wayback Machine, NASA, 4. maj 2007.
^ Green, V. (septembar 2007). "Hit the Gas: NASA's methane rocket could make long distance space travel possible, on the cheap". 271 (3). Popular Science magazine: 16–17. journal zahtijeva |journal= (pomoć)
^ A Global First: Coal Mine Turns Greenhouse Gas into Green Energy
^ Miller, G. Tyler.: Sustaining the Earth: An Integrated Approach, U.S.A., Thomson Advantage Books, 2007. str. 160
^ "Livestock's Long Shadow-Environmental Issues and Options". Pristupljeno 27. 10. 2009.
^ California Cows Fail Latest Emissions Test
^ New Zealand Tries to Cap Gaseous Sheep Burps
^ "Research on use of bacteria from the stomach lining of kangaroos (who don't emit methane) to reduce methane in cattle". Arhivirano s originala, 28. 8. 2009. Pristupljeno 21. 12. 2009.
^ Hamilton JT, McRoberts WC, Keppler F, Kalin RM, Harper DB (2003). "Chloride methylation by plant pectin: an efficient environmentally significant process". Science. 301 (5630): 206–9. Nepoznati parametar |month= zanemaren (pomoć)CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ "Methane Emissions? Don't Blame Plants" Arhivirano 12. 3. 2009. na Wayback Machine, ScienceNOW, 14. januar 2009.
^ Plants do emit methane after all Arhivirano 8. 10. 2008. na Wayback Machine, New Scientist, 2. decembar 2007.
^ Stern, S.A. (1999). "The Lunar atmosphere: History, status, current problems, and context". Rev. Geophys. 37: 453–491.
^ Mars Vents Methane in What Could Be Sign of Life, Washington Post, 16. januar 2009.
^ H. B. Niemann; et al. (2005). "The abundances of constituents of Titan's atmosphere from the GCMS instrument on the Huygens probe". Nature. 438 (7069): 779–784. Eksplicitna upotreba et al. u: |author= (pomoć)
^ Waite, J. H.; et al.; (2006); Cassini Ion and Neutral Mass Spectrometer: Enceladus Plume Composition and Structure, Science, vol. 311, br. 5766, str. 1419-1422
^ A L Broadfoot, S K Bertaux, J E Dessler; et al. (15. decembar 1989.). "Ultraviolet Spectrometer Observations of Neptune and Triton". Science. 246 (4936): 1459–1466. Pristupljeno 15. 1. 2008. Eksplicitna upotreba et al. u: |author= (pomoć); Provjerite vrijednost datuma u parametru: |date= (pomoć)CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ Ron Miller (2005). The Grand Tour: A Traveler's Guide to the Solar System (3. izd.). Tajland: Workman Publishing. str. 172–73. Nepoznati parametar |coauthors= zanemaren (prijedlog zamjene: |author=) (pomoć); Nepoznati parametar |month= zanemaren (pomoć) ISBN 0-7611-3547-2
^ Tobias C. Owen, Ted L. Roush; et al. (1993). "Surface Ices and the Atmospheric Composition of Pluto". Science. 261 (5122): 745–748. Arhivirano s originala, 1. 10. 2007. Pristupljeno 29. 3. 2007. Nepoznati parametar |month= zanemaren (pomoć); Eksplicitna upotreba et al. u: |author= (pomoć)
^ "Pluto". SolStation. 2006. Pristupljeno 28. 3. 2007.

Vanjski linkovi

Commons logo

Commons ima datoteke na temu: Metan

Gavin Schmidt, Methane: A Scientific Journey from Obscurity to Climate Super-Stardom, Goddard Institute for Space Studies, septembar 2004
Termodinamika metana
Međunarodna hemijska sigurnosna karta 0291
Metan hidrat
Computational Chemistry Wiki
Sigurnosti podaci o metanu
Dinamička viskoznost metana
Termalna provodljivost metana
METHANE-EATING BUG HOLDS PROMISE FOR CUTTING GREENHOUSE GAS, GNS Science, Novi Zeland
Catalytic conversion of methane to more useful chemicals and fuels
Methane as a Savior of the Dairy Industry

[1] IPCC Fourth Assessment Report

[2] "Radiative Forces of Climate Change". Climate Change 2001: The Scientific Basis. IPCC. Arhivirano s originala, 15. 6. 2007. Pristupljeno 26. 5. 2008.

[CRC-3] David R. Lide, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics, Internet Version 2005, http://www.hbcpnetbase.com Arhivirano 24. 7. 2017. na Wayback Machine, CRC Press, Boca Raton, FL, 2005, str. 936

[4] Clayton B. Cornell (29. april 2008.). "Natural Gas Cars: CNG Fuel Almost Free in Some Parts of the Country". Arhivirano s originala, 20. 1. 2019. Pristupljeno 21. 12. 2009. Provjerite vrijednost datuma u parametru: |date= (pomoć)

[5] Lunar Engines, Aviation Week & Space Technology, 171, 2 (13. juli 2009.), str. 16

[6] Methane Blast Arhivirano 30. 8. 2009. na Wayback Machine, NASA, 4. maj 2007.

[7] Green, V. (septembar 2007). "Hit the Gas: NASA's methane rocket could make long distance space travel possible, on the cheap". 271 (3). Popular Science magazine: 16–17. journal zahtijeva |journal= (pomoć)

[8] A Global First: Coal Mine Turns Greenhouse Gas into Green Energy

[9] Miller, G. Tyler.: Sustaining the Earth: An Integrated Approach, U.S.A., Thomson Advantage Books, 2007. str. 160

[10] "Livestock's Long Shadow-Environmental Issues and Options". Pristupljeno 27. 10. 2009.

[11] California Cows Fail Latest Emissions Test

[12] New Zealand Tries to Cap Gaseous Sheep Burps

[13] "Research on use of bacteria from the stomach lining of kangaroos (who don't emit methane) to reduce methane in cattle". Arhivirano s originala, 28. 8. 2009. Pristupljeno 21. 12. 2009.

[14] Hamilton JT, McRoberts WC, Keppler F, Kalin RM, Harper DB (2003). "Chloride methylation by plant pectin: an efficient environmentally significant process". Science. 301 (5630): 206–9. Nepoznati parametar |month= zanemaren (pomoć)CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[15] "Methane Emissions? Don't Blame Plants" Arhivirano 12. 3. 2009. na Wayback Machine, ScienceNOW, 14. januar 2009.

[16] Plants do emit methane after all Arhivirano 8. 10. 2008. na Wayback Machine, New Scientist, 2. decembar 2007.

[17] Stern, S.A. (1999). "The Lunar atmosphere: History, status, current problems, and context". Rev. Geophys. 37: 453–491.

[18] Mars Vents Methane in What Could Be Sign of Life, Washington Post, 16. januar 2009.

[Niemann-19] H. B. Niemann; et al. (2005). "The abundances of constituents of Titan's atmosphere from the GCMS instrument on the Huygens probe". Nature. 438 (7069): 779–784. Eksplicitna upotreba et al. u: |author= (pomoć)

[Waite-20] Waite, J. H.; et al.; (2006); Cassini Ion and Neutral Mass Spectrometer: Enceladus Plume Composition and Structure, Science, vol. 311, br. 5766, str. 1419-1422

[nature2-21] A L Broadfoot, S K Bertaux, J E Dessler; et al. (15. decembar 1989.). "Ultraviolet Spectrometer Observations of Neptune and Triton". Science. 246 (4936): 1459–1466. Pristupljeno 15. 1. 2008. Eksplicitna upotreba et al. u: |author= (pomoć); Provjerite vrijednost datuma u parametru: |date= (pomoć)CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[grand-22] Ron Miller (2005). The Grand Tour: A Traveler's Guide to the Solar System (3. izd.). Tajland: Workman Publishing. str. 172–73. Nepoznati parametar |coauthors= zanemaren (prijedlog zamjene: |author=) (pomoć); Nepoznati parametar |month= zanemaren (pomoć) ISBN 0-7611-3547-2

[23] Tobias C. Owen, Ted L. Roush; et al. (1993). "Surface Ices and the Atmospheric Composition of Pluto". Science. 261 (5122): 745–748. Arhivirano s originala, 1. 10. 2007. Pristupljeno 29. 3. 2007. Nepoznati parametar |month= zanemaren (pomoć); Eksplicitna upotreba et al. u: |author= (pomoć)

[Solstation-24] "Pluto". SolStation. 2006. Pristupljeno 28. 3. 2007.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]