Μεθάνιο

Μεθάνιο

Methane

Το Μεθάνιο είναι κορεσμένος υδρογονάνθρακας με χημικό τύπο CH₄.

Εισαγωγή

Μεθάνιο
Αρχείο:Methane-3D-balls.png Αρχείο:Methane-2D-stereo.svg
Ονομασία	Μεθάνιο
Δομικές ιδιότητες
Χημικός Τύπος	CH4
Γωνία Δεσμού H-C-H	109° 28'
Πόλωση Δεσμού H-C	4%
Μήκος Δεσμού H-C	109 pm
Φυσικές ιδιότητες
Μοριακή μάζα	16,0425
Σημείο Τήξης (1 atm)	-182,5°C
Σημείο Βρασμού (1 atm)	-161,5°C
Διαλυτότητα στο Η2Ο (17°C, 1 atm)	35 g/m3

Το Μεθάνιο είναι to απλούστερο αλκάνιο, δηλαδή άκυκλος κορεσμένος υδρογονάνθρακας, με χημικό τύπο CH₄. Είναι αέριο άχρωμο και άοσμο, ελάχιστα διαλυτό στο ύδωρ. Διαλύεται ευκολότερα σε οργανικούς διαλύτες. Η ύπαρξή του δεν ανιχνεύεται εύκολα, ενώ με τον αέρα σχηματίζει εκρηκτικά μίγματα. Αυτός είναι ο λόγος που συχνά αναφέρονται εκρήξεις σε ανθρακωρυχεία. Είναι επίσης το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου.

Καίγεται κατά την αντίδραση:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + 809 KJ

Η σχετικά μεγάλη ενεργειακή απόδοση και η καθαρή καύση του το κάνουν ένα πολύ ελκυστικό καύσιμο.

Προέλευση

Είναι αρκετά διαδεδομένο στη φύση, καθώς αποτελεί το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου (περίπου 75%). Απαντά επίσης σε ανθρακωρυχεία (αέριο ορυχείων) καθώς και σε περιοχές όπως έλη ή πυθμένες λιμνών, όπου γίνεται αποσύνθεση οργανικών υλών και εκλύεται υπό μορφή φυσαλίδων.

Στην ατμόσφαιρα της Γης

Στην αρχή της ιστορίας της Γης (περίπου πριν 3.500.000.000 έτη) υπήρχε 1000πλάσια συγκέντρωση CH₄ στην ατμόσφαιρα του πλανήτη. Αυτό το αρχικό CH₄ απελευθερώθηκε στην ατμόσφαιρα από την ηφαιστειακή δραστηριότητα.

Κατά τη διάρκεια αυτής της εποχής πρωτοεμφανίστηκε η ζωή. Αυτά τα πρώτα αρχαϊκά βακτηρίδια αύξαναν ακόμη περισσότερο το CH₄, μεταβολίζοντας (υδρογόνο) (Η₂) και Διοξείδιο Α Άνθρακα (CO₂) σε CH₄ και νερό (H₂O):

3H₂ + CO₂ → CH₄ + H₂O + 548 kJ

Το οξυγόνο (O₂) δεν είχε ακόμη μεγάλη συγκέντρωση στην ατμόσφαιρα. Αυτό έγινε εφικτό αργότερα, όταν άρχισε η φωτοσυνθετική δραστηριότητα. Έτσι το CH₄ παρέμενε άθικτο για πολύ μεγαλύτερα χρονικά διαστήμαυτα και σε πολύ μεγαλύτερες συγκεντρώσεις από ότι σήμερα.
Αργότερα, όταν άρχισε να αυξάνεται η συγκέντρωση του O₂, άρχισε μια αργή οξείδωση του CH₄, με αποτέλεσμα τη σταδιακή μείωση της συγκέντρωσής του στην ατμόσφαιρα. Σε αυτό συνέβαλε και η άπλετη Υπεριώδης Ακτινοβολία από την ηλιακή, αφού ούτε το στρώμα του όζοντος υπήρχε ακόμη.

Είχαμε λοιπόν αντιδράσεις της μορφής:

$CH_4 \xrightarrow{UV} CH_3^. + H^. -415 kJ$
$CH_3^. + CH_4 \xrightarrow{} CH_3CH_3 + H^. -68 kJ$
$CH_4 + H^. \xrightarrow{} CH_3^. + H_2 + 17 kJ$
$2CH_3^. \xrightarrow{} CH_3CH_3 + 347 kJ$
$2H^. \xrightarrow{} H_2 + 432 kJ$

Στη διάσπαση του CH₄ έπaiρνε μέρος και η υγρασία:

$CH_3^. + H_2O \xrightarrow{} CH_4 + OH^. - 54 kJ$
$H^. + H_2O \xrightarrow{} H_2 + OH^. - 35 kJ$
$CH_4 + OH^. \xrightarrow{} CH_3OH + H^. - 55 kJ$
$CH_3^.+ OH^. \xrightarrow{} CH_3OH + 358 kJ$
$H^. + OH^. \xrightarrow{} H_2O + 467 kJ$
$2OH^. \xrightarrow{} H_2O_2 + 146 kJ$

Φθάνοντας στους σύγχρονους του ανθρώπου χρόνους, χάρη στην αύξηση του οξυγόνου, η συγκέντρωση του CH₄ μειώθηκε δραστικά, αλλά κατά τον τελευταίο αιώνα τείνει να αυξηθεί και πάλι από έντονες ανθρωπογενείς δραστηριότητες και κυρίως τη μαζική κτηνοτροφία βοειδών.
Το μεθάνιο γενικά παράγεται κοντά στο έδαφος και σταδιακά ανέρχεται στη στρατόσφαιρα με ανοδικά ρεύματα στις τροπικές ζώνες. Σ' αυτά τα στρώματα παράγεται ατομικό οξυγόνο, (O^.) που αντιδρώντας με την υγρασία της ατμόσφαιρας παράγει πρόσθετα OH^. που αποικοδομούν CH₄

$O_3 \xrightarrow{UV} O_2 + O^. - 146 kJ$
$H_2O + O^. \xrightarrow{} 2OH^.$

Το μεθάνιο έχει σημαντική συνεισφορά στο Φαινόμενο Θερμοκηπίου με σχετικά υψηλό δυναμικό θέρμανσης. Άλλωστε, σταδικά οξειδώνεται στην οξυγονούχα ατμόσφαιρα, παράγοντας CO₂ και H₂O, που και τα δυο είναι επίσης αέρια του φαινομένου. Η ημιζωή του στην ατμόσφαιρα ανέρχεται σε 7 έτη.
Η συγκέντρωση του μεθανίου στη γήινη ατμόσφαιτρα το 1998 ήταν 1745 ppb, από 700 ppb το 1750. Την ίδια περίοδο, το CO₂ αυξήθηκε αντίστοιχα στα 365 ppm από 278 ppm. Επιπλέον όμως υπάρχει μια μεγάλ, αν και όχι υπολογισμένη, ποσότητα μεθανίου διαλυμένης στους ωκεανούς και τους «αιώνιους πάγους», και η οποία, με την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας λόγω του φαινομένου του θερμοκηπίου αρχίζει να επανεκλύεται σετην ατμόσφαιρα, γιατί η διαλυτότητα του CO₂ στο ύδωρ μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η επιπλέον αυτή ποσότητα μεθανίου θα έχει επιπλέον συνεισφορά στο φαινόμενο, επιταχύνοντας τη διαδικασία.
Ο φλοιός της Γης επίσης περιέχει μεγάλες ποσότητες μεθανίου, που συνεχίζουν να παράγονται με τη διαδικασία της αναερόβιας μεθανοσύνθεσης. Άλλες πηγές μεθανίου περιλαμβάνουν τα ηφαίστεια.

Εξωγήινο μεθάνιο

Το μεθάνιο έχει ανιχνευθεί σε αρκετές περιοχές του ηλιακού συστήματος. Πιστεύεται ότι έχει συνθεθεί με αβιοτικές διεργασίες, με πιθανή εξαίρεση στον Άρη, όπου δεν έχει αποκλειστεί η ύπαρξη ζωής κάποτε.

• Σελήνη: Έχουν εντοπιστεί ίχνη στη λεπτή της ατμόσφαιρα
• Άρης; Στην ατμόσφαιρά του περιέχει 10 ppb μεθάνιο.
• Δίας: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 0,3% μεθάνιο.
• Κρόνος: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 0,4% μεθάνιο.
  • Τιτάνας: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 1,6% μεθάνιο.
  • Εγκέλαδος: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 1,7% μεθάνιο.
• Ουρανός: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 2,3% μεθάνιο.
  • Άριελ: Το μεθάνιο πιστεύεται ότι είναι συστατικό του επιφανειακού της πάγου.
  • Οβερών: Περίπου το 20% του επιφανειακού του πάγοπυ πιστεύεται ότι αποτελείται από μεθάνιο ή και αζωτούχα παράγωγά του.
  • Τιτανία - Περίπου το 20% του επιφανειακού του πάγοπυ πιστεύεται ότι αποτελείται από μεθάνιο ή και άλλα οργανικά παράγωγά του.
  • Umbriel: Το μεθάνιο πιστεύεται ότι είναι συστατικό του επιφανειακού της πάγου.
• Ποσειδών: Η ατμόσφαιρά του περιέχει περίπου 1,6% μεθάνιο.
  • Τρίτων: Η ατμόσφαιρά του περιέχει άζωτο με μικρές ποσότητες μεθανίου κοντά στην ατμόσφαιρα.
• Πλούτων: φασματοσκοπική ανάλυση της επιφάνειάς του αποκαλύπτει ότι περι'εχει ίχνη μεθανίου.
  • Χάρων: ¨Πιστεύεται ότι υπάρχει μεθάνιο, αλλά δεν είναι 100% επιβεβαιωμένο.
• Έρις: Η υπέρυθρη ακτινοβολία από το αντικείμενο αποκαλύπτει την παρουσία παγωμένου μεθανίου.
• Εξωηλιακός Πλανήτης HD 189733b: Περιέχει την πρώτη ανίχνευση οργανικής ουσίας σε πλανήτη εκτός του ηλιακού συστήματος. Είναι άγνωστο από πού προήλθε, δεδομένου ότι η υψηλή θερμοκρασία των 700°C ευνοεί έντονα τη διάσπαση κάθε οργανικής ένωσης προς σχηματισμό CO.

Παρασκευές

Στη βιομηχανία

1. Απομονώνεται από το Φυσικό Αέριο.
2. Απομονώνεται από το βιοαέριο που παράγεται με ζυμώσεις βιομάζας.
3. Απομονώνεται από αέρια μίγματα που προκύπτουν από πυρόλυση προϊόντων διύλισης πετρελαίου ή πλαστικού.
4. Με απευθείας ένωση άνθρακα και υδρογόνου (απουσία αέρα) σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση και παρουσία καταλυτών

$C + 2H_2 \xrightarrow{Ni}CH_4$

Στο εργαστήριο

1. Mε την επίδραση νερού σε ανθρακαργίλιο:

Al₄C₃ + 12H₂O → 3CH₄ + 4Al(OH)₃

2. Με αναγωγή μεθυλαλογονιδίου:

1. Με αναγωγή μεθυλαλογονιδίου από «υδρογόνο εν τω γεννάσθαι», δηλαδή μέταλλο + οξύ:

CH₃X + Zn + HX → CH₄ + ZnX₂

2. Με αναγωγή μεθυλαλογονιδίου από LiAlH₄:

4CH₃X + LiAlH₄ → 4CH₄ + AlX₃ + LiX

3. Με αναγωγή από μέταλλα και στη συνέχεια υδρόλυση των παραγόμενων οργανομεταλλικών ενώσεων:

1. Με χρήση Li:

$CH_3X + 2Li \xrightarrow{|Et_2O|} CH_3Li+ LiX$

CH₃Li + H₂O → CH₄ + LiOH

2. Με χρήση Mg:

$CH_3X + Mg \xrightarrow{|Et_2O|} CH_3MgX$

$CH_3MgX + H_2O \xrightarrow{} CH_4 + Mg(OH)X$

4. Με αναγωγή μεθυλοϊωδίδιου από HI:

CH₃I + HI → CH₄ + I₂

3. Mε τη θέρμανση CH₃COONa σε αλκαλικό περιβάλλον:

$CH_3COONa + H_2O \xrightarrow{\mathcal{4}} CH_4 + NaHCO_3$

Ιδιότητες

Οξείδωση

Αρχείο:Methane combustion.jpg

3-D αναπαράσταση καύσης CH₄

1. Τέλεια καύση: Αντιδρά με οξυγόνο και καίγεται παράγοντας γαλαζωπή φλόγα υψηλής θερμοκρασίας:

$CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{600^C} CO_2 + 2H_2O + 809 KJ$

Αν και η αντίδραση είναι μια έντονα εξώθερμη δεν συμβαίνει σε μέτριες θερμοκρασίες, γιατί για την έναρξή της πρέπει να υπερπηδηθεί πρώτα το εμπόδιο της διάσπασης των 4 δεσμών C-H: ΔH_C-H = +415 KJ/mol, καθώς και των 2 δεσμών (Ο=Ο) του O₂.

2. Παραγωγή υδραερίου:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

Αλογόνωση

$CH_4 + X_2 \xrightarrow[\triangle]{UV} CH_3X + HX$

• Δραστικότητα των X₂: F₂ > Cl₂ > Br₂ > Ι₂.

Ανάλυση του μηχανισμού της χλωρίωσης του CH₄:

1. Έναρξη: Παράγονται ελεύθερες ρίζες.

$Cl_2 \xrightarrow[\triangle]{UV} 2Cl^. - 243 kJ$

• Η απαιτούμενη ενέργεια προέρχεται από το υπεριώδες φως (UV) ή θερμότητα (Δ).

2. Διάδοση: Καταναλώνονται οι παλιές ελεύθερες ρίζες, σχηματίζοντας νέες.

$CH_4 + Cl^.\xrightarrow{} CH_3^. + HCl + 4 kJ$

$CH_3^. + Cl_2 \xrightarrow{} CH_3Cl + Cl^. + 96 kJ$

3. Τερματισμός: Καταναλώνονται μεταξύ τους οι ελεύθερες ρίζες, κατά τη στατιστικά σπάνια περίπτωση της συνάντησής τους.

$2Cl^. \xrightarrow{} Cl_2 + 243 kJ$

$CH_3^. + 2Cl^. \xrightarrow{} CH_3Cl + 96 kJ$

$2CH_3^. \xrightarrow{} CH_3CH_3 + 347 kJ$

• Είναι όμως πρακτικά δύσκολο να σταματήσει η αντίδραση στην παραγωγή CH₃X.

• Αν χρησιμοποιηθούν ισομοριακές ποσότητες RH και Χ₂ θα παραχθεί μίγμα CH₃X, CH₂X², CH₃, ακόμη και CX₄.
• Αν όμως χρησιμοποιηθει περίσσεια CH₄, τότε η απόδοση του CH₃X αυξάνεται πολύ, λόγω της αύξησης της στατιστική πιθανότητας συνάντισης CH₄ me Cl^. σε σχέση με την πιθανότητα συνάντισης CH₃X και Cl^., που μπορεί να οδηγήσει στην παραγωγή CH₂X₂, κ.τ.λ.

Χρήσεις

1. Ως καύσιμο, με τη μορφή φυσικού αερίου, βιοαερίου και φωταερίου.
2. Ως πρώτη ύλη για των ακόλουθων:

• Υδραέριο (CO + H₂)
• Μεθανόλη (CH₃OH)
• Νιτρομεθάνiο (CH₃NO₂)
• μεθυλαλογονιδίων [όπως π.χ. χλωροφόρμιο (CHCl₃), τετραχλωράνθρακας (CCl₄), φρεόν (CF₂Cl₂)],
• Μεθανάλη (H₂C=O)
• Αιθίνιο (ΗC≡CH)

κ.ά.

Πηγές

• Γ. Βάρβογλη, Ν. Αλεξάνδρου, Οργανική Χημεία, Αθήνα 1972
• Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
• SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
• Microsoft Encarta 2004 (Μόνο σ.τ. και σ.ζ.)
• Αγγλόφωνη Wiki
• Μερικές από τις ενέργειες αντιδράσεων υπολογίστηκαν με χρήση κατάλληλου λογισμικού. Θα διασταυρωθούν και βιβλιογραφικά το συντομότερο για μεγαλύτερη ακρίβεια.

Εσωτερική Αρθρογραφία

• Αλκάνιο
• [[ ]]

Ιστογραφία

• Ομώνυμο άρθρο στην Βικιπαίδεια
• Ομώνυμο άρθρο στην Livepedia
• Ομώνυμο άρθρο στην Astronomia
• [ ]
• [ ]

Κίνδυνοι Χρήσης

Αν και θα βρείτε εξακριβωμένες πληροφορίες σε αυτήν την εγκυκλοπαίδεια ωστόσο, παρακαλούμε να λάβετε σοβαρά υπ' όψη ότι η "Sciencepedia" δεν μπορεί να εγγυηθεί, από καμιά άποψη, την εγκυρότητα των πληροφοριών που περιλαμβάνει. "Οι πληροφορίες αυτές μπορεί πρόσφατα να έχουν αλλοιωθεί, βανδαλισθεί ή μεταβληθεί από κάποιο άτομο, η άποψη του οποίου δεν συνάδει με το "επίπεδο γνώσης" του ιδιαίτερου γνωστικού τομέα που σας ενδιαφέρει." Πρέπει να λάβετε υπ' όψη ότι όλα τα άρθρα μπορεί να είναι ακριβή, γενικώς, και για μακρά χρονική περίοδο, αλλά να υποστούν κάποιο βανδαλισμό ή ακατάλληλη επεξεργασία, ελάχιστο χρονικό διάστημα, πριν τα δείτε. Επίσης, Οι διάφοροι "Εξωτερικοί Σύνδεσμοι (Links)" (όχι μόνον, της Sciencepedia αλλά και κάθε διαδικτυακού ιστότοπου (ή αλλιώς site)), αν και άκρως απαραίτητοι, είναι αδύνατον να ελεγχθούν (λόγω της ρευστής φύσης του Web), και επομένως είναι ενδεχόμενο να οδηγήσουν σε παραπλανητικό, κακόβουλο ή άσεμνο περιεχόμενο. Ο αναγνώστης πρέπει να είναι εξαιρετικά προσεκτικός όταν τους χρησιμοποιεί.

- Μην κάνετε χρήση του περιεχομένου της παρούσας εγκυκλοπαίδειας
αν διαφωνείτε με όσα αναγράφονται σε αυτήν

---

>>Διαμαρτυρία προς την wikia<<

- Όχι, στις διαφημίσεις που περιέχουν απαράδεκτο περιεχόμενο (άσεμνες εικόνες, ροζ αγγελίες κλπ.)

---