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

Metan (công thức hóa học là CH4) là thành phần chính của khí gas mà chúng ta đang sử dụng. Vậy khí metan là gì? Cùng tìm hiểu trạng thái tự nhiên, tính chất, ứng dụng và cách điều chế metan trong bài viết dưới đây.

Metan là gì?

Metan là chất khí không màu, không mùi, không vị, nhẹ hơn không khí. 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 biogas…

• Công thức phân tử: CH4

• Phân tử khối của Metan (CH4) bằng 16 đvC.

• Cấu tạo phân tử:

Trong phân tử metan chỉ có 4 liên kết đơn.

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

Tính chất vật lý của metan

Metan (CH4) mang những tính chất vật lý sau đây: 

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

• Tỉ khối của metan với không khí là dCH4/kk = 16/29.

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

• CH4 hóa lỏng khi ở -162°C, còn hóa rắn ở -183°C.

• Điểm bốc cháy: 537 °C.

• Khối lượng riêng của metan: 0.717 kg/m3

• Metan không có khả năng hòa tan trong các dung môi phân cực vì không có sự liên kết giữa các hidro, chúng chỉ tan trong dung môi không phân cực.

• CH4 không có tính dẫn điện.

Tính chất hóa học của metan

Thực tế, khí metan có nhiều tính chất hóa học khác nhau. Tuy nhiên, metan có 2 tính chất cơ bản và điển hình nhất, đó là khả năng tác dụng với oxivà clo theo từng điều kiện phản ứng khác nhau.

Tác dụng với oxi

Thí nghiệm: Đốt metan với oxi

Hiện tượng:

• Sau khi đốt, có các giọt nước nhỏ bám trên thành ống nghiệm.

• Đổ dung dịch nước vôi trong vào ống nghiệm sau khi đốt thấy dung dịch xuất hiện vẩn đục màu trắng.

• Ống nghiệm nóng lên.

Kết luận:

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

• Phản ứng tỏa nhiều nhiệt.

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

Chú ý: Hỗn hợp một thể tích khí metan và hai thể tích khí oxi là hỗn hợp gây nổ mạnh.

Tác dụng với clo

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

Hiện tượng: 

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

• Thêm nước rồi nhúng quỳ tím vào bình thấy quỳ tím chuyển sang màu đỏ.

Kết luận:

• Metan đã phản ứng với clo khi có ánh sáng, sản phẩm thu được sau phản ứng có tính axit nên khi cho quỳ tím ẩm vào thì quỳ tím chuyển đỏ.

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

• Ở phản ứng này, nguyên tử hidro của metan được thay thế bởi nguyên tử clo, vì vậy được gọi là phản ứng thế. Nếu dùng dư khí clo, toàn bộ nguyên tử hidro có trong phân tử metan có thể bị thay thế hết bởi nguyên tử clo.

Điều chế khí metan như thế nào?

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

Điều chế metan trong phòng thí nghiệm

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

Khi cần một lượng nhỏ khí metan, người ta nung natri axetat chung với vôi tôi xút, hoặc điều chế bằng cách cho nhôm cacbua tác dụng với nước.

• Điều chế CH4 từ nhôm cacbua:

Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4

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

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

• Cách điều chế metanol bằng phản ứng cộng hidro vào cacbon:

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 methyl của các halogen, ancol hay carbonyl.

Điều chế metan trong công nghiệp

Trong công nghiệp, Metan và các đồng đẳng được tách từ khí thiên nhiên và dầu mỏ. Đây là cách điều chế CH4 dễ dàng và nhanh chóng nhất.

Xem thêm: 

• Hợp chất hữu cơ là gì? Khái niệm về hợp chất hữu cơ và hóa học hữu cơ
• Tìm hiểu về silic dioxit là gì? Ngành công nghiệp Silicat có ứng dụng gì?

Ứng dụng của khí metan

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

Ứng dụng trong nhiên liệu

Nhờ khả năng sinh nhiệt cao, metan trở thành nhiên liệu quan trọng được con người lựa chọn và sử dụng để sản xuất điện năng, cung cấp sưởi ấm hay làm nhiên liệu cho các loại động cơ ô tô. 

• Metan làm nhiên liệucho các lò nướng, nhà cửa hay máy nước nóng, lò nung,… với cơ chế đốt cháy oxy để sinh ra nhiệt.

• Metan đóng vai trò quan trọng trong việc phát điện khi đốt nó như một nhiên liệu trong tuabin khí. Trong nhà máy nhiệt điện, metan dùng làm nhiên liệu phối hợp với than tạo ra hiệu quả tốt, đồng thời giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trường.

• Vì hàm lượng khí metan trong khí mỏ có thể đạt đến mức 98%, nên nó có thể dùng để làm nhiên liệu cho các loại động cơ ôtô.

Tuy nhiên, khí metan than và các loại nhiên liệu dạng khí khác có mức năng lượng ở thể tích thấp. Trong điều kiện bình thường thì mức nhiệt lượng cháy của 1 lít khí metan than nằm khoảng 33-36 kJ. Trong khi đó, nhiệt lượng thu được sau quá trình cháy của 1 lít xăng lại ở mức 31.400 kJ, lớn hơn 1000 lần so với khí metan than. Vì vậy, các nhà nghiên cứu có thể khẳng định khí metan than có thể làm nhiên liệu động cơ ôtô ở dạng nén hay hóa lỏng.

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

• Ngoài ra, ở nhiều nơi, metan còn được gọi là “khí thiên nhiên” – được lắp đặt các hệ thống đường ống dẫn tới từng nhà để sưởi ấm và nấu ăn. 

Ứng dụng trong công nghiệp

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

• Trong hóa công nghiệp, metan là nguyên liệu chính để sản xuất ra các chất hydro, methanol, các loại axit axetic và anhydrit axetic.

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

           CH4 + H2O (t°, xt) → CO2 + H2

• Metan là nguyên liệu chính để điều chế bột than và nhiều chất hóa học khác như metanol, anhydride axetic hay axit axetic…

Bài tập về metan – SGK hóa học 9 kèm lời giải

Từ những kiến thức trên, các bạn cùng vận dụng những kiến thức đó để giải một số bài tập sau.

Giải bài 2 Hoá 9 SGK trang 116

Trong các phương trình hóa học sau, phương trình hóa học nào viết đúng? Phương trình hóa học nào viết sai?

a) CH4 + Cl2 → CH2Cl2 + H2 (ánh sáng)

b) CH4 + Cl2 → CH2 + 2HCl (ánh sáng)

c) 2CH4 + Cl2 → 2CH3Cl + H2 (ánh sáng)

d) CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl (ánh sáng)

Gợi ý đáp án: 

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

Giải bài 3 SGK Hóa 9 trang 116

Đốt cháy hoàn toàn 11,2 lít khí metan (đktc). Hãy tính thể tích khí oxi cần dùng và thể tích khí cacbonic tạo thành. Biết thể tích các khí đo ở đktc.

Gợi ý đáp án: 

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

a) Thu được khí CH4.

b) Thu được khí CO2.

Gợi ý đáp án: 

Phương pháp hóa học để:

a) Thu được khí CH4:

Dẫn hỗn hợp khí qua dung dịch Ca(OH)2 dư, khí CO2 bị giữ lại do phản ứng tạo ra CaCO3, khí bay ra khỏi dung dịch là CH4 có lẫn hơi nước nên dùng CaO làm khô để thu được CH4 tinh khiết. Ta có PTHH như sau: 

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O.

b) Cho CaCO3 thu được ở trên tác dụng với dung dịch HCl loãng ta sẽ thu được khí CO2. Làm lạnh ngưng tụ nước sẽ thu được CO2 tinh khiết/ Ta có PTHH như sau: 

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O

Bài viết trên đây đã cung cấp đầy đủ thông tin về metan là gì, khái niệm, trạng thái, tính chất, cách điều chế và ứng dụng của chất khí này trong cuộc sống. Hi vọng những thông tin này sẽ giúp bạn có thêm những kiến thức bổ ích và ứng dụng chúng trong học tập cũng như thực tiễn.