Khí metan là gì? Trạng thái tự nhiên, tính chất, ứng dụng và cách điều chế

Khí mê-tan (công thức hóa học CH4) là thành phần chính của khí chúng ta đang sử dụng. Vậy khí metan là gì? Hãy cùng tìm hiểu về trạng thái tự nhiên, tính chất, ứng dụng và cách điều chế khí mêtan trong bài viết dưới đây.

Mêtan là gì?

Metan là chất khí không màu, không mùi, không vị, nhẹ hơn không khí. Trong tự nhiên, khí mê-tan có nhiều ở các mỏ khí (khí tự nhiên), mỏ dầu (khí dầu mỏ hoặc khí đồng hành), trong các mỏ than (khí mỏ than), trong bùn ao (khí bùn ao), trong khí sinh học…

Bạn đang xem: Khí metan là gì? Trạng thái tự nhiên, tính chất, ứng dụng và cách điều chế

Trong phân tử metan chỉ có 4 liên kết đơn.

Hydrocacbon mạch hở, phân tử chỉ có liên kết đơn như metan gọi là ankan, công thức chung là CnH2n+2, với n ≥ 1

Tính chất vật lý của metan

Khí metan (CH4) có các tính chất vật lý sau:

• Metan là chất khí không màu, không mùi, không vị, ít tan trong nước.

• Mật độ của metan trong không khí là dCH4/kk = 16/29.

• Đây là loại khí rất độc và dễ cháy, tạo ra lửa màu xanh.

• CH4 hóa lỏng ở -162°C và đông đặc ở -183°C.

• Điểm chớp cháy: 537°C.

• Trọng lượng riêng của metan: 0,717 kg/m3

• Khí metan không tan trong dung môi phân cực vì không có liên kết giữa hydro mà chỉ tan trong dung môi không phân cực.

• CH4 không dẫn điện.

Tính chất hóa học của metan

Trên thực tế, khí metan có nhiều tính chất hóa học khác nhau. Tuy nhiên, metan có hai tính chất cơ bản và đặc trưng nhất đó là khả năng phản ứng với oxy và clo ở các điều kiện phản ứng khác nhau.

Phản ứng với oxy

Thí nghiệm: Đốt cháy metan bằng oxy

Hiện tượng:

• Sau khi đốt có những giọt nước nhỏ dính vào thành ống nghiệm.

• Đổ dung dịch nước vôi trong vào ống nghiệm sau khi đốt thấy dung dịch có màu đục và trắng.

• Ống nghiệm nóng lên.

Kết luận:

• Khí metan cháy tạo thành khí cacbonic và hơi nước.

• Xem thêm : Phân biệt thì hiện tại hoàn thành và hiện tại hoàn thành tiếp diễn

  Phản ứng tỏa nhiều nhiệt.

• Phương trình hóa học: CH4(k) + 2O2(k) → CO2(k) + 2H2O(h) (điều kiện nhiệt độ)

Lưu ý: Hỗn hợp gồm một thể tích khí metan và hai thể tích khí oxy là hỗn hợp có khả năng nổ cao.

Phản ứng với clo

Thí nghiệm: Cho hỗn hợp khí metan và clo phản ứng với nhau trong bình kín ở điều kiện có ánh sáng.

Hiện tượng:

• Ban đầu hỗn hợp khí có màu vàng của clo. Sau một thời gian, màu vàng nhạt dần và biến mất.

• Cho nước vào rồi nhúng quỳ tím vào lọ thấy quỳ tím chuyển sang màu đỏ.

Kết luận:

• Phương trình hóa học: CH4 + Cl2 → HCl + CH3Cl (clo metan)

• Trong phản ứng này, nguyên tử hydro của metan được thay thế bằng nguyên tử clo nên được gọi là phản ứng thế. Nếu sử dụng lượng khí clo dư thì tất cả nguyên tử hydro trong phân tử metan có thể được thay thế bằng nguyên tử clo.

Làm thế nào để điều chế khí metan?

Có nhiều cách điều chế khí metan nhưng loại khí này thường được điều chế và ứng dụng nhiều nhất trong hai môi trường phổ biến: Phòng thí nghiệm và công nghiệp.

Điều chế khí metan trong phòng thí nghiệm

Một số cách phổ biến để điều chế CH4 trong phòng thí nghiệm như sau:

Khi cần một lượng nhỏ khí metan, natri axetat được đun nóng bằng vôi soda hoặc nó được điều chế bằng cách cho cacbua nhôm phản ứng với nước.

• Điều chế CH4 từ cacbua nhôm:

Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4

• Phản ứng của muối natri axetat với xút tạo ra khí metan (nhiệt phân muối natri của axit cacboxylic):

CH3–COONa + NaOH →(CaO, nhiệt độ) Na2CO3 + CH4

• Cách điều chế metanol bằng cách thêm hydro vào carbon:

C + 2H2 →(nhiệt độ, Ni) CH4

• Cách điều chế CH4 từ khí CO:

CO + 3H2 →(nhiệt độ) H2O+CH4

Hoặc điều chế CH4 bằng cách khử các dẫn xuất metyl của halogen, rượu hoặc cacbonyl.

Điều chế khí mêtan trong công nghiệp

Trong công nghiệp, khí mê-tan và các chất tương tự của nó được tách ra khỏi khí tự nhiên và dầu mỏ. Đây là cách dễ nhất và nhanh nhất để điều chế CH4.

Xem thêm:

Ứng dụng khí metan

Khí mêtan là một trong những nguyên liệu quan trọng không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày của con người.

Ứng dụng trong nhiên liệu

Nhờ khả năng sinh nhiệt cao, khí mê-tan đã trở thành loại nhiên liệu quan trọng được con người lựa chọn và sử dụng để sản xuất điện, cung cấp nhiệt hoặc làm nhiên liệu cho động cơ ô tô.

• Khí mê-tan được sử dụng làm nhiên liệu cho lò nướng, nhà ở hay máy nước nóng, lò nung,… với cơ chế đốt cháy oxy để sinh nhiệt.

• Khí mêtan đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra điện khi nó được đốt làm nhiên liệu trong tua bin khí. Trong các nhà máy nhiệt điện, khí mê-tan được sử dụng làm nhiên liệu kết hợp với than tạo hiệu suất tốt, đồng thời giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trường.

Tuy nhiên, khí metan than và các nhiên liệu khí khác có mức năng lượng thể tích thấp. Ở điều kiện bình thường, nhiệt cháy của 1 lít than metan khoảng 33-36 kJ. Trong khi đó, nhiệt lượng thu được sau khi đốt 1 lít xăng là 31.400 kJ, gấp 1000 lần khí metan than. Vì vậy, các nhà nghiên cứu có thể khẳng định khí metan than có thể được sử dụng làm nhiên liệu động cơ ô tô ở dạng nén hoặc hóa lỏng.

Các phân tích nghiên cứu về độc tính của ô tô chạy bằng xăng đã cho kết quả tốt khi thay thế nhiên liệu xăng bằng khí metan than. Thành phần khí độc (g/km) thải vào môi trường giảm đi nhiều lần: oxit cacbon 5-10 lần, hydrocacbon – 3 lần và oxit nitơ – 1,5 – 2,5 lần…

• Xem thêm : Áp suất là gì? Tổng hợp kiến thức về áp suất từ A-Z

  Ngoài ra, ở nhiều nơi, khí mê-tan còn được gọi là “khí thiên nhiên” – được lắp đặt trong hệ thống đường ống đến từng nhà để sưởi ấm, nấu ăn.

Ứng dụng công nghiệp

Khí metan hiện được sử dụng trong nhiều phản ứng hóa học công nghiệp khác nhau và được vận chuyển an toàn dưới dạng khí hóa lỏng.

• Trong hóa học công nghiệp, metan là nguyên liệu chính để sản xuất hydro, metanol, axit axetic và anhydrit axetic.

• Metan là nguyên liệu điều chế H2 theo phương trình:

CH4 + H2O (t°, xt) → CO2 + H2

Bài tập về khí metan – SGK Hóa học lớp 9 có lời giải

Từ những kiến ​​thức trên, các em có thể vận dụng kiến ​​thức đó để giải một số bài tập sau.

Giải bài 2, Hóa 9, SGK trang 116

Phương trình hóa học nào sau đây được viết đúng? Phương trình hóa học nào viết sai?

a) CH4 + Cl2 → CH2Cl2 + H2 (nhẹ)

b) CH4 + Cl2 → CH2 + 2HCl (nhẹ)

c) 2CH4 + Cl2 → 2CH3Cl + H2 (nhẹ)

d) CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl (ánh sáng)

Câu trả lời được đề xuất:

Phương trình hóa học viết đúng là trường hợp d. Các trường hợp còn lại đều sai.

Giải bài 3 SGK Hóa học 9 trang 116

Đốt cháy hoàn toàn 11,2 lít khí metan (điều kiện tiêu chuẩn). Tính thể tích khí oxi cần dùng và thể tích khí cacbonic sinh ra. Biết thể tích khí đo được ở đktc.

Câu trả lời được đề xuất:

nCH4 = 11,2/22,4 = 0,5 mol

Phương trình phản ứng:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Theo phương trình: nO2 = 2 x nCH4 = 2 x 0,5 = 1 mol.

nCO2 = nCH4 = 0,5 mol.

VO2 = 1 x 22,4 = 22,4 lít.

VCO2 = 0,5 x 22,4 = 11,2 lít.

Giải bài 4 trang 116 SGK Hóa 9

Có hỗn hợp khí CO2 và CH4. Hãy trình bày phương pháp hóa học để:

a) Thu được khí CH4.

b) Thu khí CO2.

Câu trả lời được đề xuất:

Các phương pháp hoá học:

a) Thu được khí CH4:

Cho hỗn hợp khí đi qua dung dịch Ca(OH)2 dư, khí CO2 bị giữ lại do phản ứng tạo CaCO3, khí thoát ra khỏi dung dịch là CH4 trộn với hơi nước nên dùng CaO sấy khô thu được CH4 tinh khiết. Ta có PTHH như sau:

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O.

b) Để CaCO3 thu được ở trên phản ứng với dung dịch HCl loãng ta thu được khí CO2. Nước làm mát và ngưng tụ sẽ thu được CO2 tinh khiết/ Ta có phương trình sau:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O

Bài viết trên đã cung cấp đầy đủ thông tin về khí mê-tan là gì, khái niệm, trạng thái, tính chất, cách điều chế và ứng dụng của nó trong đời sống. Hy vọng những thông tin này sẽ giúp các bạn có thêm nhiều kiến ​​thức bổ ích và áp dụng vào học tập, thực hành.

Nguồn: https://timhieulichsuquancaugiay.edu.vn
Danh mục: Giáo dục