Methan

Methan (US: /ˈmɛθeɪn/ hoặc UK: /ˈmiːθeɪn/) là một hợp chất hóa học có công thức CH₄, bao gồm một nguyên tử carbon và bốn nguyên tử hydro. Đây là hydride của nhóm 14 và là alkan đơn giản nhất, đồng thời là thành phần chủ yếu của khí tự nhiên. Độ phong phú của methan trên Trái Đất khiến nó trở thành một nguồn nhiên liệu đáng chú ý, mặc dù việc thu thập và lưu trữ nó gặp khó khăn do trạng thái khí ở điều kiện bình thường.

Methan xuất hiện tự nhiên dưới đất và dưới đáy biển, được hình thành qua cả quá trình địa chất và sinh học. Hồ chứa methan lớn nhất nằm dưới đáy biển dưới dạng clathrat methan. Khi khí methan thoát lên bề mặt và vào khí quyển, nó được gọi là khí methan trong khí quyển. Nồng độ methan trong khí quyển Trái Đất đã tăng khoảng 150% từ năm 1750 và chiếm 20% tổng lượng bức xạ cưỡng bức từ các khí nhà kính tồn tại lâu dài và hỗn hợp toàn cầu. Methan cũng được phát hiện trên các hành tinh khác như Sao Hỏa, và có vai trò quan trọng trong nghiên cứu sinh học.

Thuộc tính và cấu trúc

Methan là một phân tử tứ diện với bốn liên kết C-H tương đương. Cấu trúc điện tử của nó được mô tả qua bốn quỹ đạo phân tử liên kết, do sự chồng chéo của các quỹ đạo hóa trị giữa carbon và hydro. MO có năng lượng thấp nhất được tạo ra từ sự chồng chéo của quỹ đạo 2s trên carbon với sự kết hợp cùng pha của quỹ đạo 1s trên bốn nguyên tử hydro. Các MO năng lượng cao hơn liên quan đến sự chồng chéo ba lần của quỹ đạo 2p trên carbon với các tổ hợp tuyến tính của quỹ đạo 1s trên hydro. Sơ đồ liên kết “ba trên một” phù hợp với các phép đo phổ quang điện tử.

Ở nhiệt độ phòng và áp suất tiêu chuẩn, methan là một khí không màu và không mùi. Để nhận diện khí tự nhiên thường dùng trong gia đình, người ta thêm chất tạo mùi như tert-butylthiol. Methan có nhiệt độ sôi là −164°C (−257,8°F) ở áp suất khí quyển và dễ cháy trong phạm vi nồng độ từ 5,4% đến 17% trong không khí.

Methan rắn có nhiều dạng thù hình khác nhau, với chín dạng đã được xác nhận. Khi làm lạnh methan ở áp suất bình thường, nó chuyển thành methan I, một dạng tinh thể trong hệ khối (nhóm không gian Fm 3 m). Trong methan I, các nguyên tử hydro có thể di chuyển tự do, làm cho nó trở thành một tinh thể nhựa.

Tính chất hóa học

Phản ứng oxy hóa hoàn toàn (Phản ứng cháy)

Phản ứng cháy của methan bao gồm nhiều bước khác nhau. Đầu tiên, methan tạo ra gốc metyl (CH₃), gốc này sau đó phản ứng với oxy để tạo ra formaldehyde (HCHO), gốc formyl (HCO) và cuối cùng là carbon monoxide. Quá trình này được gọi là sự phân hủy oxy hóa.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (ΔH = −891 kJ/mol ở 25°C, 1 atm)

Hydro sau đó được oxy hóa để tạo thành H2O và giải phóng nhiệt. Quá trình này xảy ra rất nhanh, thường chỉ trong khoảng thời gian chưa tới một phần nghìn giây.

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Cuối cùng, CO bị oxy hóa để tạo thành CO2 và giải phóng thêm nhiệt. Quá trình này diễn ra chậm hơn so với phản ứng trên và thường mất vài phần nghìn giây.

2CO + O₂ → 2CO₂

Phản ứng oxy hóa không hoàn toàn

Sử dụng để sản xuất formaldehyde, bột than, khí đốt và nhiều sản phẩm khác.

${\text{CH}}_4^{}+{\text{O}}_2^{}\stackrel{200atm,300oC}{\to }\text{HCHO}+{\text{H}}_2^{}\text{O}$

$2{\text{CH}}_4^{}+{\text{O}}_2^{}\stackrel{500oC,Ni}{\to }2\text{CO}+4{\text{H}}_2^{}$

${\text{CH}}_4^{}+{\text{O}}_2^{}⟶<!--\; ⟶\; -->\text{C}+{\text{H}}_2^{}\text{O}$ (khi đốt trong điều kiện thiếu không khí)

Quá trình nhiệt phân methan:

Methan được nhiệt phân bằng cách nung nóng nhanh với một lượng nhỏ oxy ở nhiệt độ khoảng 1500°C:

$2{\text{CH}}_4^{}⟶<!--\; ⟶\; -->{}_{}^{}$

Oxy được sử dụng để đốt cháy một phần methan, nhằm cung cấp thêm nhiệt cho phản ứng.

Kích hoạt Hydro

Liên kết cộng hóa trị C-H trong methan là loại liên kết bền vững nhất trong các hydrocarbon. Mặc dù vậy, methan vẫn là nguyên liệu chính trong sản xuất hydro. Việc nghiên cứu và tìm kiếm các xúc tác để dễ dàng kích hoạt hydro trong methan và các alkan bậc thấp khác là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghiệp.

Phản ứng thế halogen

Methan phản ứng với halogen để tạo ra các dẫn xuất halogen của methan và hydro halide.

Ví dụ, methan phản ứng với clor trong điều kiện ánh sáng khuếch tán qua nhiều giai đoạn:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl

CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl

Phản ứng phân hủy

Methan có thể bị phân hủy khi nhiệt độ vượt quá 1000°C:

CH₄ → C + 2H₂

hoặc khi tiếp xúc với Cl₂ ở nhiệt độ cao hoặc fluor ở điều kiện thường, dẫn đến sự hình thành muội than và hydro chloride:

CH₄ + 2Cl₂ → C + 4HCl

Phương pháp tổng hợp

• Thực hiện từ nhôm carbide Al₄C₃

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄↑

Al₄C₃ + 12HCl → 4AlCl₃ + 3CH₄↑

• Thực hiện từ CH₃COONa (phản ứng với natri hydroxide) với xúc tác CaO ở nhiệt độ cao.

${\text{CH}}_3^{}\text{COONa}+\text{NaOH}\stackrel{to}{\to }{\text{CH}}_4^{}+{\text{Na}}_2^{}{\text{CO}}_3^{}$

• Phản ứng trực tiếp với xúc tác nickel (hiệu suất khá thấp)

$\text{C}+2{\text{H}}_2^{}\stackrel{Ni}{\to }{\text{CH}}_4^{}$

• Thực hiện từ CO

CO + 3H₂ → H₂O + CH₄↑

• Thực hiện từ đường glucose (C₆H₁₂O₆)

C₆H₁₂O₆ → 3CO₂ + 3CH₄

• Chế tạo từ khí thiên nhiên
• Phản ứng cracking alkan với 3 nguyên tử carbon trở lên (thường là cracking propan để tạo methan và sản phẩm khác)

${\text{C}}_3^{}{\text{H}}_8^{}\stackrel{cracking}{\to }{\text{CH}}_4^{}+{\text{C}}_2^{}{\text{H}}_4^{}$

Các ứng dụng

Nhiên liệu sử dụng

Methan là một nguồn nhiên liệu quan trọng. Khi so với than đá, việc đốt methan thải ra ít CO₂ hơn trên mỗi đơn vị năng lượng giải phóng. Tại nhiều địa phương, methan được cung cấp trực tiếp đến từng hộ gia đình để phục vụ cho việc sưởi ấm và nấu ăn, và thường được gọi là khí thiên nhiên.

Ứng dụng trong công nghiệp

Methan được sử dụng trong nhiều quy trình hóa học công nghiệp và có thể được vận chuyển dưới dạng khí lỏng. Trong ngành hóa công nghiệp, methan đóng vai trò là nguyên liệu để sản xuất hydro, methanol, acid acetic và anhydride acetic.

Khí methan trong khí quyển Trái Đất

Methan trong khí quyển đóng vai trò là khí gây hiệu ứng nhà kính. Kể từ năm 1750, nồng độ của nó đã gia tăng khoảng 150% và đến năm 1998, mức trung bình của nó trên bề mặt Trái Đất đạt 1745 ppb. Nồng độ methan ở bán cầu Bắc cao hơn do có nhiều nguồn phát thải hơn (cả tự nhiên và nhân tạo). Nồng độ methan cũng thay đổi theo mùa, thấp nhất vào cuối mùa hè.

Quá trình phân hủy

Methan chủ yếu bị phân hủy trong khí quyển thông qua phản ứng với gốc hydroxide (OH):

CH₄ + OH → CH₃ + H₂O

Phản ứng này xảy ra trong tầng đối lưu, giúp methan tồn tại từ 6 đến 9 năm.

Sự giải phóng bất ngờ của methan

Ở áp suất cao, chẳng hạn như dưới đáy đại dương, methan kết hợp với nước tạo thành một dạng rắn gọi là methan hydrat. Một khối lượng lớn methan có thể bị giữ lại dưới dạng này ở đáy biển. Sự giải phóng đột ngột một lượng lớn methan từ những khu vực này vào khí quyển được coi là một lý do gây ra hiện tượng Trái Đất nóng lên trong quá khứ, đặc biệt là khoảng 55 triệu năm trước.

Một tổ chức đã ước tính rằng trữ lượng methan hydrat dưới đáy đại dương có thể lên đến 10 triệu triệu tấn (10 exagram). Giả thuyết cho rằng nếu Trái Đất nóng lên đến một mức độ nhất định, toàn bộ lượng methan này có thể được giải phóng đột ngột vào khí quyển, làm tăng hiệu ứng nhà kính nhiều lần và khiến Trái Đất nóng lên đến mức chưa từng thấy.

Methan trong không gian

Methan đã được phát hiện hoặc nghi ngờ tồn tại ở một số nơi trong Hệ Mặt Trời. Nó được cho là hình thành từ các quá trình phản ứng vô sinh.

• Sao Mộc
• Sao Hỏa
• Sao Thổ
  • Iapetus
  • Titan
• Sao Hải Vương
  • Triton
• Sao Thiên Vương
  • Ariel
  • Miranda
  • Oberon
  • Titania
  • Umbriel
• Sao chổi Halley
• Sao chổi Hyakutake
• 2003 UB313

Dấu vết của khí methan đã được phát hiện trong lớp khí quyển mỏng của Mặt Trăng Trái Đất. Ngoài ra, methan cũng được tìm thấy trong các đám mây giữa các vì sao trong vũ trụ.

Tài nguyên tham khảo

• Methan trên Bảng tuần hoàn của Video (Đại học Nottingham)
• Gavin Schmidt, Methan: Hành trình khoa học từ sự mờ nhạt đến nổi bật trong khí hậu Lưu trữ 2004-09-10 tại Wayback Machine, NASA Goddard, tháng 9 năm 2004
• Thermodynamics của methan
• Thẻ An toàn Hóa học Quốc tế 0291
• Methan Hydrates
• Dữ liệu an toàn cho methan Lưu trữ 2007-10-11 tại Wayback Machine
• Chuyển hóa methan thành các hóa chất và nhiên liệu hữu ích hơn
• CDC – Sổ tay kiểm soát methan trong khai thác mỏ