Metan

Sa Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigacija, traži
Metan
Methane-2D-stereo.svg Methane-3D-balls.png
Općenito
Hemijski spoj Metan
Druga imena močvarni gas, rudnički gas
Molekularna formula CH4
CAS registarski broj 74-82-8
Kratki opis bezbojni gas
Svojstva
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
NFPA 704.svg
4
1
0
 

Metan je bezbojni plin, spoj ugljika i vodonika sa hemijskom formulom CH4. Spojevi ugljika i vodonika 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 kiseonika 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[uredi | uredi izvor]

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 vodonik sulfida.

Osobine[uredi | uredi izvor]

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[uredi | uredi izvor]

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[uredi | uredi izvor]

Reakcije metana[uredi | uredi izvor]

Osnovne reakcije u koje stupa metan su: gorenje, halogenacija i aktivacija vodonika. 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[uredi | uredi izvor]

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_2O}

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_2O}

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_2O(l) - 890 kJ/mol}
(g) i (l) označavaju agregatno stanje: g - gas; l - tekuće

Aktivacija vodonika[uredi | uredi izvor]

Jačina kovalentne veze između karbona i vodonika 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[uredi | uredi izvor]

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

\mathrm{CH_4 + X_2 \longrightarrow CH_3X + 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[uredi | uredi izvor]

Gorivo[uredi | uredi izvor]

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 da razviju potisak od 7.500 funti, što je daleko manje od 7 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[uredi | uredi izvor]

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 vodonika, metanola, acetatne kiseline i acetatnog anhidrida. Pri proizvodnji ovih supstanci, metan se prvo konvertuje u gas za sintezu, mješavinu ugljik monoksida i vodonika djelovanjem pare. U tom procesu, metan i para reaguju na visokim temperaturama (700-1000 °C) uz nikl kao katalizator.

CH_4 + H_2O \xrightarrow[700-1100^oC]{Ni} CO + 3H_2

Odnos ugljik monoksida i vodonika u gasu za sintezu može biti podešen preko reakcije otklona vodenog gasa na određenu vrijednost u zavisnosti od namjeravane svrhe upotrebe.

\mathrm{CO + H_2O \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[uredi | uredi izvor]

Polja prirodnog plina[uredi | uredi izvor]

Najveći izvor metana je njegovo izdvajanje iz geoloških depozita poznatih kao polja prirodnog plina. Uglavnom je povezan sa drugim ugljikovodoničnim 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[uredi | uredi izvor]

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[uredi | uredi izvor]

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
  • 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[uredi | uredi izvor]

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]

Commons
Commons: Metan

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ IPCC Fourth Assessment Report
  2. ^ Radiative Forces of Climate Change.
  3. ^ David R. Lide, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics, Internet Version 2005, http://www.hbcpnetbase.com, CRC Press, Boca Raton, FL, 2005, str. 936
  4. ^ Clayton B. Cornell. "Natural Gas Cars: CNG Fuel Almost Free in Some Parts of the Country", 29. april 2008.. 
  5. ^ Lunar Engines, Aviation Week & Space Technology, 171, 2 (13. juli 2009.), str. 16
  6. ^ Methane Blast, 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): 16-17.
  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.
  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
  14. ^ Hamilton JT, McRoberts WC, Keppler F, Kalin RM, Harper DB (juli 2003). "Chloride methylation by plant pectin: an efficient environmentally significant process". Science 301 (5630): 206-9.
  15. ^ "Methane Emissions? Don't Blame Plants", ScienceNOW, 14. januar 2009.
  16. ^ Plants do emit methane after all, 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.
  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.
  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
  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 URL adresi dana 15.1.2008..
  22. ^ Ron Miller; William K. Hartmann (maj 2005). The Grand Tour: A Traveler's Guide to the Solar System, 3., 172-73, Tajland: Workman Publishing. ISBN 0-7611-3547-2
  23. ^ Tobias C. Owen, Ted L. Roush et al. (6. august 1993). "Surface Ices and the Atmospheric Composition of Pluto". Science 261 (5122): 745-748. Pristupljeno URL adresi dana 29.3.2007..
  24. ^ Pluto.