غاز الميثان
الميثان مركب كيميائي له الصيغة الكيميائية CH4. إنه غاز عديم اللون والرائحة، وهو المكون الأساسي للغاز الطبيعي. الميثان هو أبسط هيدروكربون ويتكون من ذرة كربون واحدة وأربع ذرات هيدروجين. يدخل الميثان في تفاعلات كيميائية كثيرة مثل الهلجنة والاحتراق والاكسدة كما سيأتي.
الميثان من الغازات الدفيئة القوية، مما يعني أنه قادر على حبس الحرارة في الغلاف الجوي للأرض والمساهمة في ظاهرة الاحتباس الحراري. يتم إنتاجه بشكل طبيعي عن طريق مجموعة متنوعة من المصادر، بما في ذلك المصادر الطبيعية مثل الأراضي الرطبة والنمل الأبيض والحيوانات المجترة مثل الأبقار والأغنام. ينتج الميثان أيضًا من الأنشطة البشرية مثل إنتاج الوقود الأحفوري ونقله وتربية الماشية وإدارة النفايات.
للميثان عدد من التطبيقات الصناعية، بما في ذلك كوقود للتدفئة وتوليد الكهرباء. كما أنها تستخدم كمادة وسيطة لإنتاج المواد الكيميائية مثل الميثانول وكمواد خام لتخليق الهيدروكربونات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحويل الميثان إلى غاز الهيدروجين، والذي يمكن أن يكون وقودًا لمركبات خلايا الوقود. وبخصوص خواص الميثان فإنه غاز عديم اللون، يمكن أن يذوب في الماء بنسبة بسيطة تبلغ 3.5 ملليجرام لكل 100 مل من الماء عند 17 درجة مئوية°[1].
خواص الميثان
هذا الجدول يحتوي على بعض الخواص الكيميائية والفيزيائية لغاز الميثان:
| الخاصية | الوصف |
|---|---|
| الصيغة الكيميائية | CH4 |
| الوزن الجزيئي | 16.04 جرام/مول |
| التركيب الكيميائي الهيكلي | رباعي السطوح، مع كربون في المركز و أربعة ذرات هيدروجين في الأطراف. |
| زاوية الروابط | 109.5 دراجات |
| طول الروابط | رابطة C-H: هي 1.09 انجسترون |
| الأيزومرات | ليس أيزومير |
| القطبية | غير قطبي |
| نقطة الغليان | -161.5 درجة مئوية |
| نقطة الإنصهار | -182.5 درجة مئوية |
| الكثافة | 0.717 جرام/لتر عند الظروف العادية (25 درجة مئوية وضغط 1 atm) |
| الذوبانية | يذوب في الماء بنسبة بسيطة. |
| الإحتراق | شديدة الإشتعال و الإنفجار |
| النشاط (التفاعل) | الميثان غير متفاعل نسبيًا في ظل الظروف العادية، ولكن يمكن أن يتفاعل مع الهالوجينات وبعض المركبات الأخرى في ظل ظروف معينة. |
| القدرة على الاحتباس الحراري | الميثان هو أحد غازات الدفيئة القوية ذات إمكانية الاحترار العالمي التي تزيد 28 مرة عن تلك الخاصة بثاني أكسيد الكربون في إطار زمني مدته 100 عام. |
تفاعلات الميثان
الميثان (CH4) هو هيدروكربون يمكن أن يخضع لتفاعلات كيميائية مختلفة. فيما يلي بعض الأمثلة على تفاعلات الميثان:
1. تفاعل الاحتراق: يتفاعل الميثان مع الأكسجين (O2) لإنتاج ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء (H2O). التفاعل طارد للحرارة ويطلق حرارة وضوء.
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
2. الهلجنة: يتفاعل الميثان مع الهالوجينات (الفلور، الكلور، البروم، أو اليود) لتكوين هالوميثان. على سبيل المثال، في وجود الكلور (Cl2)، يتفاعل الميثان ليشكل كلورو ميثان (CH3Cl).
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
3. تفاعل إعادة التشكيل بالبخار: يتفاعل الميثان مع البخار (H2O) في وجود محفز لإنتاج الهيدروجين (H2) وأول أكسيد الكربون (CO). يستخدم هذا التفاعل في العمليات الصناعية لإنتاج غاز الهيدروجين.
CH4 + H2O → CO + 3H2
4. تفاعل تحلل الميثان: في درجات الحرارة العالية، يمكن أن يتحلل الميثان إلى كربون وهيدروجين. هذا التفاعل ماص للحرارة ويتطلب استمرار الحرارة.
CH4 → C + 2H2
5. تفاعل الأكسدة للميثان: يمكن أن يتأكسد الميثان لإنتاج الفورمالديهايد (CH2O) ثم يتأكسد أكثر لإنتاج حمض الفورميك (HCOOH).
CH4 + O2 → CH2O + H2O
CH2O + O2 → HCOOH
هذه بعض التفاعلات الأكثر شيوعًا المتعلقة بالميثان.
التطبيقات الصناعية للميثان
الميثان هو هيدروكربون متعدد الاستخدامات له مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية. بعض التطبيقات الصناعية الرئيسية للميثان هي:
توليد الطاقة:
الميثان هو أحد المكونات الأساسية للغاز الطبيعي، والذي يستخدم على نطاق واسع كوقود لتوليد الطاقة. تُعرف محطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي بكفاءتها وموثوقيتها وانبعاثاتها المنخفضة، مما يجعلها خيارًا شائعًا لتوليد الطاقة.
المواد الخام الكيميائية:
يستخدم الميثان أيضًا كمادة وسيطة كيميائية لإنتاج مجموعة واسعة من المواد الكيميائية، بما في ذلك الميثانول والفورمالديهايد وحمض الأسيتيك. يستخدم الميثانول على نطاق واسع في إنتاج الفورمالديهايد، والذي يستخدم في صناعة المواد اللاصقة والبلاستيك والمنسوجات.
التدفئة والتبريد:
يستخدم الميثان على نطاق واسع كوقود لتطبيقات التدفئة والتبريد في البيئات السكنية والتجارية والصناعية. يمكن استخدامه لتدفئة المساحات وتسخين المياه وتسخين العمليات الصناعية.
وقود النقل:
يمكن ضغط الميثان أو تسييله لإنتاج غاز طبيعي مضغوط (CNG) أو غاز طبيعي مسال (LNG)، والذي يستخدم كوقود للمركبات. يعتبر CNG و LNG من الخيارات الشائعة للحافلات والشاحنات والمركبات الثقيلة الأخرى نظرًا لانبعاثاتها المنخفضة والتكلفة المنخفضة مقارنة بالبنزين أو وقود الديزل.
إنتاج الأسمدة:
الميثان مادة خام أساسية لإنتاج الأمونيا، والتي تستخدم في إنتاج الأسمدة. الأمونيا عنصر غذائي مهم للنباتات، وضرورية للإنتاج الزراعي.
إنتاج أسود الكربون:
يمكن استخدام الميثان كمادة وسيطة لإنتاج أسود الكربون، وهو مادة أساسية تستخدم في إنتاج الإطارات ومنتجات المطاط والمواد الصناعية الأخرى.
بشكل عام، الميثان هو مورد متعدد الاستخدامات وقيِّم للغاية وله العديد من التطبيقات الصناعية المهمة.
مصادر الميثان
الميثان من الغازات الدفيئة القوية، مع تأثير الاحترار أكثر من 25 مرة من ثاني أكسيد الكربون. هناك العديد من المصادر الطبيعية والبشرية لانبعاثات غاز الميثان:
المصادر الطبيعية:
- الأراضي الرطبة: ينتج الميثان في الأراضي الرطبة، مثل المستنقعات والمستنقعات، كمنتج ثانوي للمواد العضوية المتحللة في غياب الأكسجين.
- النمل الأبيض: ينتج النمل الأبيض غاز الميثان أثناء عملية الهضم.
- المحيطات: توجد هيدرات الميثان، التي تتكون من تفاعل الميثان مع الماء عند درجات حرارة منخفضة وضغوط عالية، في رواسب أعماق المحيطات والتربة الصقيعية.
مصادر من صنع الإنسان:
- إنتاج الطاقة: يتم إنتاج الميثان أثناء استخراج ونقل واستخدام الوقود الأحفوري، مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي.
- الماشية: تنتج الماشية غاز الميثان أثناء الهضم، وذلك بشكل رئيسي من خلال التخمر المعوي في الكرش.
- مدافن النفايات: يمكن الحصول على الميثان عندما تتحلل النفايات العضوية في مدافن النفايات، والتي يمكن بعد ذلك التقاطها واستخدامها كمصدر للوقود.
- حقول الأرز: يمكن أن تكون حقول الأرز مصدرًا لانبعاثات غاز الميثان، حيث تؤدي الظروف اللاهوائية في الحقول المغمورة إلى إنتاج الميثان أثناء التحلل.
يعد تقليل انبعاثات الميثان جزءًا مهمًا من الجهود المبذولة لمكافحة تغير المناخ، حيث أن له تأثيرًا كبيرًا على ظاهرة الاحتباس الحراري.
غاز الميثان والاحتباس الحراري
الميثان هو أحد الغازات الدفيئة القوية التي يتم إطلاقها في الغلاف الجوي من مجموعة متنوعة من المصادر، بما في ذلك الأنشطة الزراعية، ومدافن النفايات، وإنتاج الغاز الطبيعي ونقله. الميثان أكثر فعالية بحوالي 25 مرة في حبس الحرارة من ثاني أكسيد الكربون، مما يجعله مساهماً هاماً في ظاهرة الاحتباس الحراري.
في حين أن الميثان لا يرتبط عادة بالبيوت الزجاجية بنفس طريقة ثاني أكسيد الكربون، إلا أنه لا يزال من الممكن أن يكون له تأثير على تأثير الاحتباس الحراري. يمكن أن تسهم انبعاثات الميثان من الأنشطة الزراعية، مثل تربية الماشية وإدارة السماد الطبيعي، في تركيزات غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون انبعاثات الميثان من مدافن النفايات، والتي يمكن أن تتراكم في أماكن مغلقة، مصدر قلق لانبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
بشكل عام، يعد تقليل انبعاثات الميثان جزءًا مهمًا من معالجة تغير المناخ، ويمكن أن تلعب الجهود المبذولة لتقليل الانبعاثات من مصادر مثل الزراعة ومدافن النفايات دورًا في التخفيف من تأثير غازات الاحتباس الحراري على البيئة.
______________
