Methan
Methan | |||
---|---|---|---|
| |||
![]() Công thức lập thể, công thức cấu tạo của methan | |||
Tên hệ thống | Carbane (ít dùng[1]) | ||
Tên khác |
| ||
Nhận dạng | |||
Số CAS | |||
PubChem | |||
Số EINECS | |||
KEGG | |||
MeSH | |||
ChEBI | |||
ChEMBL | |||
Số RTECS | PA1490000 | ||
ẢnhJmol-3D | ảnh | ||
SMILES | đầy đủ
| ||
Tham chiếu Beilstein | 1718732 | ||
Tham chiếu Gmelin | 59 | ||
3DMet | |||
UNII | |||
Thuộc tính | |||
Công thức phân tử | CH4 | ||
Bề ngoài | Chất khí không màu | ||
Mùi | Không mùi | ||
Khối lượng riêng | |||
Điểm nóng chảy | −182,456 °C (90,694 K; −296,421 °F)[3] | ||
Điểm sôi | −161,5 °C (111,6 K; −258,7 °F)[3] | ||
Độ hòa tantrong nước | 22.7mg·L−1[4] | ||
Độ hòa tan | Tan trongetanol,diethyl ether,benzen,toluen,methanol,acetonvà ít tan trong nước | ||
log P | 1.09 | ||
kH | 14nmol·Pa−1·kg−1 | ||
MagSus | −17.4×10−6cm³·mol−1[5] | ||
Acid liên hợp | Methanium | ||
Base liên hợp | Methyl anion | ||
Cấu trúc | |||
Hình dạng phân tử | tứ diện | ||
Mômen lưỡng cực | 0D | ||
Nhiệt hóa học | |||
Enthalpy hình thànhΔfH | −74.6kJ·mol−1 | ||
DeltaHc | −891kJ·mol−1 | ||
Entropy mol tiêu chuẩnS | 186.3J·(K·mol)−1 | ||
Nhiệt dung | 35.7J·(K·mol)−1 | ||
Các nguy hiểm | |||
NFPA 704 |
| ||
Giới hạn nổ | 4.4–17% | ||
Ký hiệu GHS | ![]() | ||
Báo hiệu GHS | DANGER | ||
Chỉ dẫn nguy hiểm GHS | H220 | ||
Chỉ dẫn phòng ngừa GHS | P210 | ||
Các hợp chất liên quan | |||
Nhóm chức liên quan | |||
Trừ khi có ghi chú khác, dữ liệu được cung cấp cho các vật liệu trongtrạng thái tiêu chuẩncủa chúng (ở 25 °C [77 °F], 100 kPa). |
Methan(US:/ˈmɛθeɪn/hoặcUK:/ˈmiːθeɪn/) là mộthợp chấthóa học vớicông thức hóa họcCH4(một nguyên tửcarbonvà bốn nguyên tửhydro). Nó là mộthydridenhóm 14và làalkanđơn giản nhất, và là thành phần chính củakhí tự nhiên.Sự phong phú tương đối của khí methan trênTrái Đấtlàm cho nó trở thành một loạinhiên liệuhấp dẫn, mặc dù việc thu giữ và lưu trữ nó đặt ra những thách thức do trạng tháikhícủa nó trongđiều kiện bình thường về nhiệt độ và áp suất.
Methan xuất hiện tự nhiên được tìm thấy cả dưới mặt đất và dướiđáy biển,và được hình thành bởi cả quá trình địa chất vàsinh học.Hồ chứa khí methan lớn nhất nằm dưới đáy biển dưới dạngclathrat methan.Khi khí methan đến bề mặt vàkhí quyển,nó được gọi là khí methan trongkhí quyển.[7]Nồng độ khí methan trongkhí quyểncủaTrái Đấtđã tăng khoảng 150% kể từ năm 1750 và nó chiếm 20% tổng lượngbức xạ cưỡng bứctừ tất cả cácloại khí nhà kínhtồn tại lâu dài vàhỗn hợptrên toàn cầu.[8]Khí methan cũng đã được phát hiện trên cáchành tinhkhác, bao gồmSao Hỏa,và có ý nghĩa đối với nghiên cứusinh vật học.[9]
Thuộc tính và liên kết
[sửa|sửa mã nguồn]Methan là mộtphân tửtứ diệncó bốn liên kết C-H tương đương. Cấu trúcđiện tửcủa nó được mô tả bởi bốnquỹ đạo phân tửliên kết (molecular orbital) do sự chồng chéo của các quỹ đạohóa trịtrênCvàH.MO năng lượng thấp nhất là kết quả của sự chồng lấp của quỹ đạo 2s trêncarbonvới sự kết hợp cùng pha của quỹ đạo 1s trên bốn nguyên tửhydro.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 trêncarbonvới các tổ hợp tuyến tính khác nhau của các quỹ đạo 1s trênhydro.Sơ đồ liên kết "ba trên một" kết quả phù hợp vớiphép đo phổ quang điện tử.
Ởnhiệt độ phòngvàáp suất tiêu chuẩn,methan là một loại khí không màu, không mùi.[10]Mùi khí tự nhiên quen thuộc được sử dụng trong nhà đạt được bằng cách thêm chất tạo mùi, thường làhỗn hợpcó chứatert-butylthiol,như một biện pháp an toàn. Khí methan có nhiệt độ sôi −164°C(−257,8°F) ở áp suất của mộtbầu khí quyển.[11]Là mộtchất khí,nó dễ cháy trong một phạm vi nồng độ (5,4-17%) trong không khí ởáp suất tiêu chuẩn.
Methan rắn tồn tại trong một sốđa hình.Hiện tại chín thù hình của chất này được biết đến.[12]Làm lạnh methan ởáp suấtbình thường dẫn đến sự hình thành methan I. Chất này kết tinh trong hệ thống khối (nhóm không gianFm3m). Vị trí của cácnguyên tửhydrokhông cố định trong methan I, tức là cácphân tửmethan có thể xoay tự do. Do đó, nó là mộttinh thể nhựa.[13]
Tính chất hóa học
[sửa|sửa mã nguồn]Phản ứng oxy hóa hoàn toàn (Phản ứng cháy)
[sửa|sửa mã nguồn]Trong phản ứng cháy của methan có một số bước. Trước tiên, methan tạo ra gốcmetyl(CH3), gốc này phản ứng vớioxysinh raformaldehyde(HCHO) cho gốc formyl (HCO) để tạo thànhcarbon monoxide.Quá trình này được gọi là sựnhiệt phânoxy hóa:
- CH4+ 2O2→ CO2+ 2H2O (ΔH= −891 kJ/mol ở 25oC, 1 atm)
Sau đó,hydrobị oxy hóa tạo raH2Ovà giải phóngnhiệt.Quá trình này diễn ra rất nhanh, thường chưa tới một phần nghìn giây.
- 2H2+ O2→ 2H2O
Cuối cùng,CObị oxy hóa tạo thànhCO2,và giải phóng thêmnhiệt.Quá trình này chậm hơn quá trình trên và thường mất vài phần nghìn giây để phản ứng.
- 2CO + O2→ 2CO2
Phản ứng oxy hóa không hoàn toàn
[sửa|sửa mã nguồn]Được dùng trong sản xuấtformaldehyde,bột than,khí đốt,...
(đốt trong điều kiện thiếu không khí)
Phản ứng nhiệt phân methan:
[sửa|sửa mã nguồn]Methan bịnhiệt phânbằng cách nung nóng nhanh methan với 1 lượng nhỏoxyởnhiệt độkhoảng 1500oC:
(ΔH= 397kJ/mol)
Oxyđược dùng để đốt cháy 1 phần methan, cung cấp thêmnhiệtcho phản ứng.
Hoạt hóa Hydro
[sửa|sửa mã nguồn]Liên kết cộng hóa trịgiữa C-H trong methan thuộc loại bền nhất tronghydrocarbon.Tuy nhiên, methan vẫn là nguyên liệu khởi đầu chính trong sản xuấthydro.Việc tìm kiếm cácxúc táccó tác dụng thúc đẩy dễ dàng sự hoạt hóahydrotrong methan và cácalkanbậc thấp khác là một lĩnh vực nghiên cứu khá quan trọng trongcông nghiệp.
Phản ứng thế halogen
[sửa|sửa mã nguồn]Methan phản ứng vớihalogencho ra dẫn xuấthalogencủa methan vàhydro halide.
Ví dụ: Methan phản ứng vớichlortrongánh sángkhuếch tán theo nhiều giai đoạn:
Phản ứng phân hủy
[sửa|sửa mã nguồn]Methan có thể bị phân hủy ở nhiệt độ trên 1000oC[14]:
- CH4→ C + 2H2
hoặc khi tác dụng với Cl2khi đun nóng hoặcfluorởđiều kiện thường,tạo thànhmuội thanvàhydro chloride[15]:
- CH4+ 2Cl2→ C + 4HCl
Phương pháp điều chế
[sửa|sửa mã nguồn]- Từnhôm carbideAl4C3
- Al4C3+ 12H2O → 4Al(OH)3+ 3CH4↑
- Al4C3+ 12HCl → 4AlCl3+ 3CH4↑
- TừCH3COONa(phản ứng vớinatri hydroxide) có xúc tácCaOở nhiệt độ cao.
- TừCO
- CO + 3H2→ H2O + CH4↑
- C6H12O6→ 3CO2+ 3CH4
- Từ khí thiên nhiên
- Phản ứngcrackingalkantừ 3C trở lên (thường là crackingpropantại propan sẽ cho ra sản phẩm là methan trực tiếp)
Ứng dụng
[sửa|sửa mã nguồn]Nhiên liệu
[sửa|sửa mã nguồn]Methan là một nhiên liệu quan trọng. So vớithan đá,đốt cháy methan sinh ra ítCO2trên mỗiđơn vịnhiệt giải phóng. Ở nhiều nơi, methan được dẫn tới từng nhà nhằm mục đích sưởi ấm và nấu ăn. Nó thường được biết tới với cái tênkhí thiên nhiên.[16]
Trong công nghiệp
[sửa|sửa mã nguồn]Methan được dùng trong nhiều phản ứng hóa công nghiệp và có thể được chuyên chở dưới dạngkhí hóa lỏng.Trong hóa công nghiệp, methan là nguyên liệu sản xuấthydro,methanol,acid aceticvàanhydride acetic.
Methan trong khí quyển Trái Đất
[sửa|sửa mã nguồn]Methan trongkhí quyểnlà một khí gâyhiệu ứng nhà kính.[17]Mật độ của nó đã tăng khoảng 150% từ năm1750và đến năm1998,mật độ trung bình của nó trên bề mặtTrái Đấtlà 1745ppb.Mật độ ở bán cầu Bắc cao hơn vì ở đó có nhiều nguồn methan hơn (cả thiên nhiên lẫn nhân tạo). Mật độ của methan thay đổi theo mùa, thấp nhất vào cuốimùa hè.[18]Đ
Quá trình tiêu huỷ
[sửa|sửa mã nguồn]Cơ chế phá hủy chính của methan trongkhí quyểnlà qua tác dụng với gốchydroxide(OH):
- CH4+ OH → CH3+ H2O
Phản ứng này diễn ra ở trong tầngđối lưulàm cho methan tồn tại được từ 6 đến 9 năm.[19]
Sự giải phóng đột ngột của sàng methan
[sửa|sửa mã nguồn]Ởáp suấtlớn, ví dụ như ở dưới đáy đại dương, methan tạo ra một dạng sàng rắn vớinước,được gọi làmethan hydrat.[20]Một số lượng chưa xác định nhưng có lẽ là rất nhiều methan bị giữ lại dưới dạng này ở đáy biển. Sự giải phóng đột ngột của một thể tích lớn methan từ những nơi đó vàokhí quyểnlà một giả thuyết về nguyên nhân dẫn tới nhữnghiện tượngTrái Đấtnóng lên trong quá khứ xa, đỉnh cao là khoảng 55 triệu năm trước.
Một tổ chức đã ước tính trữ lượng quặng methan hydrat dưới đáy đại dương vào khoảng 10 triệu triệutấn(10exagram). Giả thuyết rằng nếuTrái Đấtnóng lên đến mộtnhiệt độnhất định, toàn bộ lượng methan này có thể một lần nữa bị giải phóng đột ngột vàokhí quyển,khuếch đạihiệu ứng nhà kínhlên nhiều lần và làmTrái Đấtnóng lên đến mức chưa từng thấy.
Methan bên ngoài Trái Đất
[sửa|sửa mã nguồn]Methan đã được phát hiện hoặc tin là tồn tại ở vài nơi trongHệ Mặt Trời.Người ta cho rằng nó được tạo ra nhờ những quá trìnhphản ứng vô sinh.
- Sao Mộc
- Sao Hoả[21]
- Sao Thổ
- Sao Hải Vương
- Sao Thiên Vương
- Sao chổi Halley
- Sao chổi Hyakutake
- 2003 UB313
Dấu vết của khí methan cũng được tìm thấy ở bầukhí quyểnmỏng trênMặt TrăngcủaTrái Đất.Methan cũng được dò thấy ở cácđám mâygiữa những vìsaotrongvũ trụ.
Tham khảo
[sửa|sửa mã nguồn]- ^Lỗi chú thích: Thẻ
<ref>
sai; không có nội dung trong thẻ ref có têniupac2013
- ^“Gas Encychlorpedia”.Truy cập ngày 7 tháng 11 năm 2013.[liên kết hỏng]
- ^abcHaynes,p. 3.344
- ^Haynes,p. 5.156
- ^Haynes,p. 3.578
- ^NOAA Office of Response and Restoration, US GOV.“METHANE”.noaa.gov.
- ^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.
- ^“Technical summary”.Climate Change 2001.United Nations Environment Programme.Bản gốclưu trữ ngày 4 tháng 6 năm 2011.
- ^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.ISSN1944-9208.
- ^Hensher, David A. & Button, Kenneth J. (2003).Handbook of transport and the environment.Emerald Group Publishing. tr. 168.ISBN978-0-08-044103-0.
- ^Methane Phase change data.NIST Chemistry Webbook.
- ^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.
- ^Wendelin Himmelheber.“Crystal structures”.Truy cập ngày 10 tháng 12 năm 2019.
- ^George A. Olah, Alain Goeppert, G. K. Surya Prakash (2009).Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy.John Wiley & Sons. Page 268.
- ^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.
- ^Sản xuất điện từ rác thảiLưu trữ2013-12-28 tạiWayback Machine,Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia.
- ^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
- ^Carbon Dioxide, Methane Rise Sharply in 2007Lưu trữ2011-08-11 tạiWayback Machine.Noaanews.noaa.gov (2008-04-23). Truy cập 2012-05-24.
- ^Drysdale, Dougal (2008). “Physics and Chemistry of Fire”. Trong Cote (biên tập).Fire Protection Handbook.1(ấn bản 20). Quincy, MA: National Fire Protection Association. tr. 2–18.ISBN978-0-87765-758-3.
|editor2-first=
thiếu|editor2-last=
(trợ giúp) - ^Lưu giữ khí dạng nước khôLưu trữ2013-12-28 tạiWayback Machine,Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia.
- ^Khí mê-tan trên sao Hỏa không có nguồn gốc từ núi lửaLưu trữ2013-12-28 tạiWayback Machine,Siêu Nhiên.
Liên kết ngoài
[sửa|sửa mã nguồn]![]() |
Tramethanetrong từ điển mở tiếng ViệtWiktionary |
- MethanatThe Periodic Table of Videos(University of Nottingham)
- Gavin Schmidt,Methan: A Scientific Journey from Obscurity to Climate Super-StardomLưu trữ2004-09-10 tạiWayback Machine,NASA Goddard,September 2004
- Methan thermodynamics
- International Chemical Safety Card 0291
- Methan Hydrates
- Safety data for methanLưu trữ2007-10-11 tạiWayback Machine
- Catalytic conversion of methan to more useful chemicals and fuels
- CDC – Handbook for Methan Control in Mining