متان یک ترکیب شیمیایی با فرمول $$CH _ 4$$ است که در آن، یک اتم کربن به چهار اتم هیدروژن متصل می‌شود. این ترکیب شیمیایی را به عنوان ساده‌ترین آلکان ذکر می‌کنند که جزء اصلی گاز طبیعی محسوب می‌شود. فراوانی این ترکیب بر روی زمین، آن‌را به یک سوخت مناسب بدل کرده است. البته ذخیره‌سازی آن با توجه به گازی بودن این ماده در شرایط دما و فشار استاندارد، از جمله چالش‌ها در این زمینه به شمار می‌آید. متان به صورت طبیعی در زیر زمین قرار دارد و از طریق فرآیندهای بیولوژیکی و زمین‌شناسی به تولید می‌رسد. زمانی که متان به اتمسفر و سطح زمین برسد، به آن متان اتمسفری می‌گویند. لازم به ذکر است که از سال 1750 تا به امروز،  غلظت متان اتمسفری در حدود 150 درصد افزایش پیدا کرده است که این مقدار، تاثیر ۲۰ درصدی در اثر گلخانه‌ای دارد. همچنین متان، در سیارات دیگری همچون مریخ کشف شده است.

پیوندها و خواص متان

متان، مولکولی چهاروجهی با تعداد چهار پیوند کربن-هیدروژن یکسان است. ساختار الکترونی آن به کمک چهار اوربیتال مولکولی پیوندی، در اثر هم‌پوشانی اوربیتال‌های لایه ظرفیت در هیدروژن و کربن توصیف می‌شود. در دمای اتاق و فشار استاندارد، متان، گازی بی‌رنگ و بی‌بو است. بویی که معمولا در منازل، از این گاز استشمام می‌کنیم به دلیل اضافه کردن موادی همچون ترت-بوتیل‌تیول حاصل می‌شود. در فشار یک اتمسفر، نقطه جوش متان برابر با $$-164$$ درجه سانتی‌گراد است. این گاز در غلظت‌های 5/4 تا 17 درصدی در هوا و همچنین در فشار استاندارد، اشتعال‌پذیر است.

واکنش‌های شیمیایی در متان

واکنش‌های اصلی در متان عبارتند از: سوختن، «رفرمینگ بخار» (Steam Reforming) به گاز سنتز و هالوژناسیون. به طور کلی، کنترل واکنش‌های شامل متان، دشوار هستند.

اکسیداسیون انتخابی

اکسیداسیون متان به متانول از جمله چالش‌ها در واکنش‌های شیمیایی محسوب می‌شود چراکه سوختن متان به طور معمول حتی در نبود اکسیژن کافی، دی‌اکسید کربن و آب تولید می‌کند. به کمک آنزیم‌هایی می‌توان از این ماده، متانول تولید کرد اما متانول تولیدی تنها در مقیاس آزمایشگاهی کاربرد دارد.

واکنش‌های اسید و باز

همانند سایر هیدروکربن‌ها، متان،‌ اسیدی ضعیف به شمار می‌آید. به هنگام بررسی کربانیون‌ها، میزان pKa متان در دی‌متیل سولفوکسید (DMSO)، برابر با 56 است. یون‌های مثبت متفاوتی از متان مشتق می‌شوند که بیشتر آن‌ها در مخلوطهای گازی با فشار کم،‌ به صورت ناپایدار قرار دارند. از جمله این یون‌ها می‌توان به متیل کاتیون $$(C H _ 3 ^ +)$$، متان کاتیون $$(C H _ 4 ^ +)$$ یا متان پروتون‌دهی شده $$(C H _ 5 ^ +)$$ اشاره کرد.

واکنش سوختن

گرمای سوختن متان برابر با $$55.5 MJ / kg$$ ذکر می‌شود. این واکنش، نوعی واکنش با مکانیسم چندمرحله‌ای است که به طور خلاصه به صورت زیر بیان می‌شود:

$$\begin {equation} \mathrm { C H } _ { 4 } + 2 \mathrm { O } _ { 2 } \rightarrow \mathrm { C O } _ { 2 } + 2 \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } (\Delta H = -891 \mathrm{ k J } / \mathrm { m o l } ) \end{equation}$$

واکنش‌های رادیکالی

تحت شرایط مناسب، متان با رادیکال‌های هالوژن به شکل زیر وارد واکنش می‌شود:

$$\begin {equation} \begin {aligned}
& \mathrm { X } \cdot + \mathrm { C H } _ { 4 } \rightarrow \mathrm { H X } + \mathrm { C H } _ { 3 } \\
&\mathrm { C H } _ { 3} \cdot + \mathrm { X } _ { 2 } \rightarrow \mathrm {C H } _ { 3 } \mathrm { X } + \mathrm { X }
\end{aligned}\end{equation}$$

در واکنش‌های بالا، $$X$$، هالوژن‌هایی همچون فلوئور، کلر، برم و ید است. مکانیسم واکنش‌های بالا به نام «هالوژناسیون رادیکال آزاد» (Free Radical Halogenation) شناخته می‌شود. آغاز این واکنش‌ها به کمک نور ماورا بنفش یا یک آغازگر رادیکال همچون پراکسیدها اتفاق می‌افتد.

موارد استفاده از متان

از این ماده در صنایع شیمیایی استفاده و حمل و نقل آن به صورت «گاز طبیعی مایع» (Liquefied Natural Gas) انجام می‌شود. همچنین، مقادیر زیاد از این گاز را از طریق لوله‌های انتقال گاز، منتقل می‌کنند. در ادامه قصد داریم تا موارد استفاده متعددی که از این گاز می‌شود را مورد بررسی قرار دهیم.

سوخت

متان را به عنوان سوخت در فر، آبگرمکن، خودروها، توربین‌ها و … بکار می‌گیرند. برای ذخیره متان نیز از کربن فعال استفاده می‌کنند. علاوه بر این، از متان مایع «تصفیه شده» (Refined) به عنوان سوخت موشک بهره می‌گیرند. از آن‌جایی که این ترکیب، جزء اصلی در گاز طبیعی به شمار می‌آید، از آن در تولید برق و راه‌اندازی توربین‌های گازی و بخار استفاده می‌شود. در مقایسه با سایر هیدروکربن‌ها، این گاز در اثر سوختن، دی‌اکسید کربن کمتری تولید می‌کند و در بسیاری از شهرها، در مصارف خانگی همچون پخت و پز و گرمایش کاربرد دارد.

کشتی‌های حمل LNG

ماده خام صنایع شیمیایی

از گاز طبیعی که بیشتر آن‌را متان تشکیل داده است، در تولید گاز هیدروژن با مقیاس بالا بهره می‌گیرند. متداول‌ترین روش تولید نیز «رفرمینگ بخار متان» (Steam Methane Reforming) است. سالانه در حدود 50 میلیون تن از این ماده به تولید می‌رسد که بیشتر آن، حاصل تولید به روش SMR خواهد بود. این هیدروژن تولیدی، در پالایش نفت خام، تولید مواد شیمیایی و صنایع غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقادیر زیادی نیز در تولید آمونیاک کاربرد دارد. در دماهای بالا (بین 700 تا 1100 درجه سانتی‌گراد) و در حضور کاتالیزورهای فلزی همچون نیکل، در اثر واکنش بخار آب با متان، مخلوطی از مونو اکسید کربن و $$H _ 2$$ تولید می‌شود که به گاز سنتز یا «گاز آب»‌ (Water Gas) یا گاز پیوند موسوم است.

$$\begin{equation} \mathrm { C H } _ { 4 } + \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } \rightleftharpoons \mathrm { C O } + 3 \mathrm { H } _ { 2 } \end{equation}$$

واکنش بالا، واکنشی گرماگیر محسوب می‌شود. در اثر واکنش مونواکسید کربن و آب، تحت «واکنش جابجایی گاز آب» (Water Gas Shift Reaction)،‌ مقداری اضافی هیدروژن به تولید می‌رسد. این واکنش، ازجمله واکنش‌های گرماده به شمار می‌آید.

$$\begin {equation} \mathrm { C O } + \mathrm { H } _ { 2 } \mathrm { O } \rightleftharpoons \mathrm { CO } _ { 2 } + \mathrm { H } _ { 2 } \end{equation}$$

تولید متان

همانطور که در ابتدای متن نیز به آن اشاره شد، در تولید این ماده، فارغ از روش‌های صنعتی، فرآیندهای زیستی و زمین‌شناسی دخیل هستند که در ادامه قصد داریم تا این فرآیندها را مورد بررسی قرار دهیم.

نقش زمین‌شناسی

دو مسیر کلی در تولید متان، روش معدنی و روش آلی (حرارتی یا ترموژنیک) هستند. متان ترموژنیک در لایه‌های رسوبی اعماق زمین در اثر شکستن مواد آلی در دما و فشار زیاد بوجود می‌آید. بیشتر متانی که در حوضه‌های رسوبی وجود دارد، از نوع ترموژنیک است. به همین دلیل، متان ترموژنیک از جمله مهم‌ترین منابع گاز طبیعی به شمار می‌آید. منابع مهم‌تری از این ماده نیز به صورت معدنی (غیرآلی) وجود دارند. در حقیقت، این نوع از تولید، شامل فرآیندهای زیستی نیستند و به کمک فرآیندهای ماگمایی یا واکنش‌های سنگ-آب در دما و فشار پایین بوجود می‌آیند که از نمونه‌های آن می‌توان به فرآیندهای تشکیل کانی‌های سرپانتین اشاره کرد.

نقش فرآیندهای زیستی

بیشتر متان موجود در زمین به صورت بیوژنیک و از طریق فرآیندی موسوم به «متاژنز» (Methanogenesis)  یا متانوژنز تولید شده است. علاوه بر این، پستانداران و همچنین مزارع برنج، متان زیادی تولید می‌کنند. واکنش کلی در متاژنز به صورت زیر است:

$$\begin {equation} \mathrm { C O } _ { 2 } + 4 \mathrm { H } _ { 2 } \rightarrow \mathrm { C H } _ { 4} + 2 \mathrm { H } _ {2 } \mathrm { O }\end {equation}$$

پستانداران

پستاندارانی همچون گاوها، سبب تولید حدود 22 درصد متان تولیدی در اتمسفر هستند. دانشمندان سعی دارند تا به کمک رژیم‌های غذایی و داروها، حجم متان تولیدی توسط این جانداران را کاهش دهند.

رسوبات کف آب

در نواحی کف دریاها و اقیانوس‌ها،‌ محیط‌هایی عاری از اکسیژن وجود دارند چراکه بیشتر اکسیژن موجود، توسط میکروارگانیسم‌های هوازی به مصرف می‌رسند. در پایین این فضا که با اکسیژن نیز پر شده است، فرآیند متانوژنز صورت می‌گیرد و موجب تولید متان خواهد بود.

نقش صنایع

متان در واکنش هیدروژناسیون دی‌اکسید کربن و همچنین به صورت فرآورده فرعی در واکنش هیدروژناسیون مونو اکسید کربن به تولید می‌رسد. از این واکنش‌ها بیشتر برای تولید مولکول‌هایی با زنجیره طویل کربنی استفاده می‌شود. همچنین در فناوری‌های جدید از انرژی الکتریکی و به کمک هیدرولیز و آب، متان تولید می‌کنند.

متان در طبیعت

در سال 2010، مقدار متان موجود در قطب به میزان $$1850 \ nmol/mol$$ اندازه‌گیری شد. این مقدار، از 400 هزار سال پیش تا کنون بی‌سابقه بوده و در طول تاریخ، غلظت متان موجود در اتمسفر به هنگام عصر یخبندان، $$300-400 \ nmol/mol$$ گزارش شده است. متان، یک گاز گلخانه‌ای مهم به شمار می‌آید که پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) آن برای یک دوره 100 ساله برابر با 34 است. این عدد برای دی‌اکسید کربن، برابر با 1 ذکر می‌شود.

میزان متان موجود در اتمسفر، از سال 1750 تا به امروز، بیش از 150 درصد افزایش پیدا کرده است. از سال 2015 تا 2019، افزایشی ناگهانی در غلظت این ماده را شاهد بوده‌ایم. در فوریه 2020 گزارش شد که انتشار متان در اتمسفر بر اثر سوخت‌های فسیلی، مقداری بیش از پیش‌بینی‌ها را شامل می‌شود.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده‌ است،‌ آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

سهیل بحر کاظمی (+)

«سهیل بحرکاظمی» دانش‌آموخته کارشناسی ارشد رشته مهندسی نفت، گرایش مهندسی مخازن هیدروکربوری از دانشگاه علوم و تحقیقات تهران است. به عکاسی و شیمی آلی علاقه دارد و در زمینه‌ متون شیمی به تولید محتوا می‌پردازد.

بر اساس رای 54 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

یک نظر ثبت شده در “متان چیست ؟ — از صفر تا صد

  • این فرادرس رو کی ساخته؟ دمش گرم ـ با توجه ب شرایط کرونا و کلاسای مجازی ـ من بیشتر یادگیریم از همین مطالب فرادرس بود .. تو ریاضی و امار کمکم کرد و امیدوارم تو شیمی هم مطالبش خوب باشه و استفاده کنم ـ در کل دمتون گرم ـ یه دونه باشین

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *