جواب سوال متن صفحه 119 درس 4 شیمی دوازدهم (شیمی، راهی به سوی آینده ای روشن تر)

الف

واکنش‌پذیری کم گاز متان (CH₄) به دلیل پایداری فوق‌العاده زیاد ساختار مولکولی آن است. این پایداری ) به دلیل پایداری فوق‌العاده زیاد ساختار مولکولی آن است. این پایداری از چند عامل کلیدی ناشی می‌شود:

1 پیوندهای کووالانسی قوی و یگانه:

مولکول متان از یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن تشکیل شده که با پیوندهای کووالانسی یگانه و بسیار قوی از نوع (C-H) به هم متصل هستند.

شکستن این پیوندها به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد. به عبارت دیگر، انرژی فعال‌سازی (E_a) برای واکنش‌هایی که متان در آن شرکت می‌کند، بسیار بالاست. این همان «سد انرژی» است که در مثال‌های قبلی بررسی کردیم و متان برای عبور از آن به انرژی اولیه زیادی (مثل دمای بالا یا جرقه) نیاز دارد.

2 ساختار کاملاً متقارن و غیرقطبی:

متان ساختاری کاملاً متقارن به شکل چهاروجهی منتظم دارد.

با اینکه هر پیوند C-H اندکی قطبی است، اما به دلیل این تقارن کامل، نیروها یکدیگر را خنثی کرده و کل مولکول غیرقطبی می‌شود.

مولکول‌های غیرقطبی تمایل بسیار کمی برای جذب واکنشگرهای قطبی یا یونی دارند، که معمولاً آغازگر بسیاری از واکنش‌های شیمیایی هستند.

3 نبود جایگاه فعال برای واکنش:

بر خلاف مولکول‌های دیگر، متان هیچ ویژگی ساختاری که آن را مستعد واکنش کند، ندارد. برای مثال:

فاقد پیوند دوگانه یا سه‌گانه است (مانند اِتن یا اِتین) که چگالی الکترونی بالایی دارند و واکنش‌پذیرند.

فاقد جفت الکترون ناپیوندی است (مانند آمونیاک NH₃ یا آب H₂O) که بتواند به عنوان باز عمل کند.

فاقد گروه عاملی خاصی است که بتواند مرکز واکنش باشد.

جمع بندی:

می‌توانید متان را مانند یک قلعه‌ی کاملاً متقارن و نفوذناپذیر در نظر بگیرید. دیوارهای آن (پیوندهای C-H) بسیار محکم هستند و هیچ نقطه ضعفی (مانند جایگاه فعال) برای حمله ندارد. به همین دلیل، متان یک سوخت عالی است (چون انرژی زیادی در پیوندهایش ذخیره کرده)، اما در عین حال یک ماده اولیه شیمیایی بسیار «تنبل» و کم واکنش است.

ب

در متن بالا به دو روش برای تولید متانول اشاره شده است:

1 روش غیرمستقیم (دو مرحله ای):

مرحلۀ 1: واکنش متان (CH4) با بخار آب (H2O) برای تولید گاز سنتز (مخلوطی از CO و H₂).

\(C{H_{4(g)}} + {H_2}{O_{(g)}}\,\,\,\,\, \to \,\,\,\,\,C{O_{(g)}} + 3H{2_{(g)}}\)

مرحلۀ 2: واکنش کربن مونوکسید (CO) با هیدروژن (H₂) برای تولید متانول (CH₃OH).

\(C{O_{(g)}} + 2{H_2}_{(g)}\,\,\,\,\, \to \,\,\,\,\,C{H_3}O{H_{(g)}}\)

2 روش مستقیم (یک مرحله ای):

اکسایش جزئی متان برای تولید مستقیم متانول.

\(C{H_{4(g)}} + {O_{2(g)}}\,\,\,\,\, \to \,\,\,\,\,2C{H_3}O{H_{(g)}}\)

حالا به مزایای روش مستقیم می‌پردازیم:

1 کاهش مراحل و صرفه‌جویی در انرژی:

همانطور که می‌بینید، روش مستقیم فقط یک مرحله دارد، در حالی که روش سنتی دو مرحله‌ای است. حذف یک مرحله کامل از فرآیند صنعتی به معنای نیاز به تجهیزات کمتر، فرآیند ساده‌تر و مصرف انرژی بسیار پایین‌تر است. این موضوع هزینه تولید را به شدت کاهش می‌دهد.

2 کاهش ردپای کربنی و سازگاری با محیط زیست:

در روش غیرمستقیم، ما ابتدا کربن مونوکسید (CO) تولید می‌کنیم که یک گاز سمی و آلاینده است. فرآیند تولید گاز سنتز نیز خود به انرژی زیادی نیاز دارد که معمولاً از سوخت‌های فسیلی تأمین می‌شود و CO₂ آزاد می‌کند.

روش مستقیم با حذف مرحله میانی، میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای و آلاینده‌ها را کاهش می‌دهد و یک مسیر «سبزتر» برای تولید متانول فراهم می‌کند.

3 افزایش بهره‌وری (اتم اکونومی):

در شیمی سبز، اصلی به نام «اقتصاد اتم» (Atom Economy) وجود دارد که می‌گوید یک واکنش ایده‌آل، واکنشی است که در آن تمام اتم‌های مواد اولیه به محصول مورد نظر تبدیل شوند و محصول جانبی تولید نشود.

روش مستقیم، پتانسیل بالاتری برای رسیدن به این هدف دارد، زیرا به طور نظری تمام اتم‌های متان و اکسیژن را به متانول تبدیل می‌کند. این کار اتلاف مواد اولیه را به حداقل می‌رساند.

چالش اصلی:

البته باید بدانیم که کنترل واکنش مستقیم بسیار دشوار است. همانطور که در پاسخ قبلی گفتیم، متان بسیار پایدار است و برای فعال‌سازی آن به شرایط خاصی نیاز است. مشکل اینجاست که متانول تولید شده، خود از متان واکنش‌پذیرتر است و به راحتی می‌تواند بیشتر اکسید شده و به محصولات نامطلوبی مانند فرمالدهید، اسید فرمیک و در نهایت CO₂ و آب تبدیل شود. به همین دلیل، تحقیقات علمی گسترده‌ای در حال انجام است تا کاتالیزگرهایی پیدا شوند که این واکنش را به صورت انتخابی و با بازده بالا فقط تا مرحله تولید متانول پیش ببرند.

بنابراین، موفقیت در تولید مستقیم متانول از متان، یک جهش بزرگ اقتصادی و زیست‌محیطی در صنایع شیمیایی خواهد بود.