Metan | Khái niệm hoá học

1. Trạng thái tự nhiên, tính chất vật lí

Trong tự nhiên, metan có nhiều trong các mỏ khí (khí thiên nhiên), trong mỏ dầu (khí mỏ dầu hay khí đồng hành), trong các mỏ than (khí mỏ than), trong bùn ao (khí bùn ao), trong khí biogaz. 

Metan là chất khí, không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí, rất khí tan trong nước.

2. Cấu tạo phân tử

– Công thức phân tử của ankan là CH4

– Công thức cấu tạo: 

giữa nguyên tử cacbon và nguyên tử hidro chỉ có một liên kết. Những liên kết như vậy gọi là liên kết đơn. Ta thấy, trong phân tử metan có 4 liên kết đơn.

3. Tính chất hóa học

a. Tác dụng với oxi 

Đốt cháy khí metan tạo thành khí CO₂ và nước. Phản ứng tỏa nhiều nhiệt. Hỗn hợp gồm một thể tích metan và hai thể tích oxi là hỗn hợp nổ mạnh.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

b. Phản ứng thế với halogen (Br₂, Cl₂ ), axit nitric, axit sunfuric.

CH₄ + Cl₂ (ánh sáng)$\to$ CH₃Cl + HCl

Ta thấy, khi cho metan tác dụng với Clo có mặt của ánh sáng, tỉ lệ 1:1 thì một nguyên tử hidro của metan được thay thế bởi nguyên tử clo, phản ứng như vậy được gọi là phản ứng thế. Phản ứng thế còn xảy ra với HNO₃, H₂SO₄, …

c. Phản ứng nhiệt phân metan

Metan bị nhiệt phân bằng cách đun nóng nhanh metan với một lượng nhỏ oxi ở nhiệt độ khoảng 1500^oC

d. Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn

 4. Ứng dụng

a. Dùng làm nhiên liêu

Metan là nhiên liệu quan trong, so với than đá metan ít sinh CO₂ hơn, người ta vẫn dùng khí metan với mục đích sưởi ấm và nấu ăn.

b. Trong công nghiệp

Metan được dùng nhiều trong phản ứng hóa công nghiệp để sản xuất hydro, methanol, axit axetic và có thể được chuyên chở dưới dạng khí hóa lỏng.

5. Điều chế

a. Đi từ nhôm cacbua 

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄↑

Al₄C₃ + 12HCl → 4AlCl₃ + 3CH₄↑

b. Từ muối natri axetat (phản ứng vôi tôi xút) có xúc tác CaO ở nhiệt độ cao

c. Phản ứng trực tiếp có xúc tác Niken (hiệu suất rất thấp)

d. Từ đường glucose (C₆H₁₂O₆)

C₆H₁₂O₆ → 3CO₂ + 3CH₄

e. Phản ứng cracking ankan từ 3C trở lên (thường là cracking propan tại propan sẽ cho ra sản phẩm là metan trực tiếp)

6. Ảnh hưởng của metan đối với môi trường

Bên cạnh khí cacbonic, khí metan cũng đóng góp một vai trò lớn của sự ấm lên toàn cầu. Mặc dù hàm lượng phát thải khí metan toàn cầu thấp hơn phát thải khí CO₂ nhiều nhưng metan là một khí gây hiệu ứng nhà kính lớn hơn. Hàm lượng metan trong khí quyển đã tăng lên khoảng 150% từ năm 1750 (Ủy ban Liên chính phủ về thay đổi khí hậu – Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC 2001). Hiện nay, người ta tập trung chú ý vào hai nguồn khí metan mà chúng ta thường không nghĩ đến đó là khu vực đầm lầy và các ruộng lúa nước, là những nhân tố gây ô nhiễm tự nhiên. Vùng trồng lúa chủ động tưới là nguồn sinh metan chính từ ruộng lúa.