Báo cáo tổng hợp methanol
- 44 trang
- file .docx
1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG
------------------
BÁO CÁO TIỂU LUẬN
MÔN: TỔNG HỢP HỮU CƠ VÀ HÓA DẦU
ĐỀ TÀI: TỔNG HỢP METHANOL
GVHD: NGUYỄN KIM TRUNG
SVTH: LÊ THỊ BÍCH
NGUYỄN THỊ BÍCH VÂN
Biên Hòa, Ngày 25 tháng 5 năm 2015.
2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU...............................................................................
I. TỔNG QUAN VỀ METHANOL .....................................................................
1. Sơ lược về methanol...........................................................................................
2. Trạng thái không gian của methanol ...............................................................
3. Tính chất vật lý ..................................................................................................
4. Tính chất hóa học...............................................................................................
5. Phản ứng hydro hóa ..........................................................................................
5.1. Phản ứng tách nước
5.2. Phản ứng oxy hóa
5.3. Phản ứng dehydro hóa
6. Tình hình sử dụng và ứng dụng của methanol trên thế giới .......................
6.1. Tình hình sử dụng methanol trên thế giới
6.2. Ứng dụng:
II. NGUYÊN LIỆU TỔNG HỢP METHANOL
1. Hydro
1.1. Trạng thái tự nhiên
1.2. Tính chất vật lý
1.3. Tính chất hóa học
1.4. Điều chế và sản xuất
2. Cacbon Oxyt
2.1. Lịch sử
2.2. Tính chất vật lý
2.3. Tính chất hóa học
2.4. Độc tính
3. Khí metan
3.1. Tính chất vật lý
3.2. Tính chất hóa học
3
3.3. Điều chế
3.4. Ứng dụng
3.5. Ảnh hưởng đến sức khỏe
4. Oxi
4.1. Tính chất vật lý
4.2. Tính chất hóa học
4.3. Ứng dụng của oxi
III. TỔNG HỢP METHANOL
1. Cơ sở khoa học của quá trình
2. Tổng hợp hydro cacbon từ CO và H2
3. Tổng hợp rượu từ CO và H2
4. Thiết bị phản ứng chính trong tổng hợp methanol
5. Sơ đồ công nghệ tổng hợp methanol
6. Tổng hợp methanol
IV. KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
4
MỞ ĐẦU
Methanol được s ử dụ ng r ộ ng rãi nh ư một hoá ch ấ t h ữu cơ cơ bả n trong nh
i ều lĩnh vự c
khác nhau. Hi ệ n nay, nó là một trong các nguyên li ệ u t ạ o ra nhiên li ệ u s ạ ch,
nhiên li ệ u
sinh học củ a thế k ỷ 21.
Trong công nghi ệ p hóa ch ấ t, methanol là nguyên li ệu cơ bản để sả
n xu ấ t
formandehyde, axit axêtic, s ả n xuất sơn tổng h ợp, ch ấ t d ẻ o, làm dung môi v.v.
Khoả ng hai ch ục năm trở lại đây, ngành công nghiệ p hóa d ầ u còn phát tri ể n s
ả n ph ẩ m
metyl ter - butyl ete (MTBE) t ừ metanol làm ph ụ gia thay cho h ợ p ch ấ t chì r ất
độc h ại để
sả n xu ất xăng động cơ chấ t l ượng cao (Mogas 95, Mogas 98) và phát tri ể n s ử
dụng nhiên
liệ u dieden sinh h ọc (biodieden) đi từ metyl este d ầ u mỡ động thự c v ậ t.
Vì th ế , nhu c ầ u s ử d ụ ng methanol ngày càng tăng. Riêng Cộng Hoà Liên B
ang Đứ c và
Pháp nhu c ầ u methanol cho dieden sinh h ọ c hi ện nay đã lên tớ i 1 tri ệ u t ấn/
năm. Nhìn
chung, nhu c ầ u s ử d ụ ng methanol hàng năm trên toàn thế giới kho ả ng trên 32
tri ệ u t ấ n.
Nhịp độ tăng hàng năm là 5 -10%.
Công ngh ệ sả n xu ấ t methanol luôn đượ c hoàn thi ệ n và h ợp lý hóa. Ngu ồn
nguyên li ệ u
được m ở r ộ ng t ớ i c ả việ c s ử dụng nguồn khí cacbonic trong thiên nhiên, ph ế
liệ u nông
lâm s ả n (biomass).
N ước ta hi ệ n nay ch ư a có nhà máy s ả n xu ấ t methanol mặ c dù có s ẵ n n
gu ồn nguyên
liệ u nh ư d ầ u mỏ, than đá, sinh khối (biomass). Nhu c ầ u methanol ở Vi ệt Nam
cũng ngày
càng tăng. Hằng năm, ta phả i nh ậ p lượng đáng kể meth anol để phục v ụ các mụ
c đích khác
nhau, trong đó chủ yế u mới ch ỉ để làm dung môi. Vi ệ c nh ậ p kh ẩ u methanol k
hông kinh t ế
so với s ả n xu ấ t t ạ i ch ỗ.
Do đó, nghiên cứ u và tri ể n khai công ngh ệ s ả n xu ấ t methanol ở việ t nam là
c ấ p thi ế t và
phù hợp v ời nhi ệ m v ụ phát tri ể n công ngh ệ hóa ch ấ t – hóa d ầ u.
5
I. TỔNG QUAN VỀ METHANOL
1. Sơ lược về methanol
Methanol (methyl alcohol) CH3OH (viết tắt MeOH) là một chất l
ỏng hay là một
loại cồn, khối lượng phân tử 32.042, là một hợp chất hữu cơ, không màu,
dễ bay hơi, dễ
cháy… ở nhiệt độ thường với mùi alcohol nhẹ đặc trưng. Năm 1661, lần đầ
u tiên Robert
Boyle đã thu được methanol sau khi tinh chế gỗ giấm bằng sữa vôi.
Sau đó vào năm 1857, Berthelot cũng đã tổng hợp được Methanol
bằng cách xà
phòng hóa methyl chloride.
Trong khoảng từ 1830-1923 chỉ có nguồn quan trọng nhất để sản xuất
methanol từ
giấm gỗ thu được khi chưng gỗ khô.
Tới đầu những năm 1913, methanol đã được sản xuất bằng phương phá
p tổng hợp từ
CO và H2.
Đến đầu những năm 1920, M.Pier và các đồng nghiệp của hãng BAS
F dựa trên sự
phát triển của hệ xúc tác ZnO – Cr2O3 đã tiến một bước đáng kể tro
ng việc sản xuất
methanol với quy mô lớn trong công nghiệp.
Vào cuối năm 1923, quá trình này được thực hiện ở áp suất cao (
25÷35 Mpa, T=
320÷4500C), chúng được sử dụng trong công nghiệp sản xuất methanol hơn
40 năm. Tuy
nhiên vào những năm 1960, ICI đã phát triển một hướng tổng hợp met
hanol ở áp suất
(5÷10 Mpa, T=200÷3000C) trên xúc tác CuO với độ chọn lọc cao.
Hiện nay, methanol được sản xuất nhiều hơn trên thế giới bằng phươn
g pháp tổng
hợp áp suất thấp còn phương pháp chưng cất từ giấm gỗ chỉ chiếm khoảng
0,003% tổng
lượng methanol sản xuất được.
Vì vậy, đầu tiên methanol được gọi là rượu gỗ vì người ta thu được m
ethanol trong
quá trình chưng cất khô gỗ, ngày nay methanol thương mại đôi khi xem nh
ư là methanol
6
tổng hợp bởi vì nó được sản xuất từ tổng hợp khí, một hỗn hợp của hydro
gen và carbon
oxide (H2 và CO).
2. Trạng thái không gian của methanol
Hình 1: Cấu trúc không gian của methanol
3. Tính chất vật lý
Methanol là chất lỏng không màu, trung tính, có tính phân cực,
tan trong nước,
benzene, rượu, este và hầu hết các dung môi hữu cơ. Methanol có khả năng
hòa tan nhiều
Tên Hằngsố
Nhiệt độ sôi (101,3KPa) 64,7 0 C
0
Nhiệt độ đóng rắn -97,68 C
0 2
Tỷ trọng chất lỏng (0 C, 101,3KPa) 0,81000 g/cm
0 2
Tỷ trọng chất khí (25 C, 101,3KPa) 0,78664 g/cm
loại nhựa, ít tan trong các loại chất béo, dầu. do có tính phân cực nên tan đ
ược trong một
số chất hữu cơ.
Methanol dễ tạo hỗn hợp cháy nổ với không khí (7-34 %), rất đọc cho
sức khỏe con
người, với lượng 10 ml trở lên có thể gây tử vong.
Bảng 1: Một số hằng số vật lý quan trọng của methanol
7
Nhiệt độ bốc cháy 4700C
Áp suất tới hạn 8,097 Mpa
Nhiệt độ tới hạn 239,490C
Tỷ trọng tới hạn 0,2715 g/cm3
Thể tích tới hạn 117,9 cm3/mol
Hệ số nén tới hạn 0,224
Nhiệt độ nóng chảy 100,3 KJ/kg
Nhiệt độ hóa hơi 1128,8 KJ/kg
Nhiệt dung riêng của khí (250C, 101,3KPa) 44,06 J.mol-1.K-1
Nhiệt dung riêng của lỏng (250C, 101,13KPa) 84,08 J. mol-1.K-1
Độ nhớt của lỏng (250C) 0,5513 m Pas
Độ nhớt của khí (250C) 9,6.10-3 m Pas
Hệ số dẫn điện (250C) (2÷7).10-9Ω-1.Cm-1
Sức căng bề mặt trong không khí (250C) 22,10 m N/m
Entanpi tiêu chuẩn (khí 250C ,101,3KPa) -200,94 KJ/mol
Entanpi tiêu chuẩn (lỏng 250C ,101,3KPa) 239,88 J.mol-1.k-1
Entopi tiêu chuẩn (khí 250C, 101,3KPa) 127,27 J.mol-1.K-1
Hệ số dẫn nhiệt lỏng (250C) 190,16 m Wm-1.K-1
Hệ số dẫn nhiệt khí (250C) 14,97 m Wm-1.K-1
Giới hạn nổ trong không khí 5,5÷44 % V
4. Tính chất hóa học
Methanol là hợp chất đơn giản đầu tiên trong dãy đồng đẳng các rượu
no đơn chức,
hóa tính của nó được quyết định bởi nhóm –OH. Các quá trình phản ứng
của methanol đi
theo hướng cắt đứt liên kết C-O hoặc nhóm OH và được đặc trưng bởi sự
thay thế nguyên
tử H hay nhóm OH trong phân tử.
Một số phản ứng đặc trưng:
8
4.1. Phản ứng hydro hóa
CH3OH + H2 CH4 + H2
4.2. CH3OH
Phản + tách
ứng HCHO + H2O, H = -159 KJ/
O2 nước
CH3OH + H2 CH4 + H2O
4.3. Phản ứng oxy hóa
Khi oxy hóa methanol trên xúc tác kim loại (Ag, Pt, Cu, O2) hay xúc t
ác oxideCH
hoặc
3OH + O2 CO + H2O
hỗn hợp các oxide (Fe-Mo, Ti-Mo) trong điều kiện thích hợp thu được
fomandehyde và
các sản phẩm phụ:
1
2
Nếu oxy hóa lâu hơn sẽ tạo ra acid fomic:
CH3OH + O2 HCHO + H2O
Nếu oxy hóa hoàn toàn thu được CO, CO2 và H2O:
Thành phần Quy định
Hàm lượng methanol >99,5 %
Tỷ trọng d 0,7928 g/cm3
Hàm lượng aceton và < 0,003 W/t
acetandehyt
Hàm lượng etanol < 0,001 %
Hàm lượng hợp chất bay hơi < 2×10-6 g/l
của sắt (tính theo sắt)
1
2
CH3OH + O2 CO2 + H2O
Hàm lượng lưu huỳnh < 0,0001 %
Hàm lượng Clo < 0,0001 %
Ph 0,7
4
.2. Phản ứng dehydro hóa
Khi tham gia phản ứng dehydro hóa sẽ tạo thành sản phẩm là HCHO
CH3OH CH2O + H2
Bảng 2: Một số chỉ tiêu quan trọng của methanol:
Tên chất Giới hạn cho phép (% khối lượng)
Methanol Min 99,88%
Etanol Max 0,002 %
Axeton Max 0,001 %
Acit Acetic Max 0,003 %
Amoniac Max 0,003 %
Nước Max 0,1 %
9
Bảng 3: Chỉ tiêu kỹ thuật methanol thương phẩm
5. Tình hình sử dụng và ứng dụng của methanol trên thế giới
5.1. Tình hình sử dụng methanol trên thế giới
10
Hình1: Tình hình sử dụng methanol trên thế giới.
5.2. Ứng dụng:
Methanol thường được dùng làm dung môi và làm nguyên liệu cho sản
xuất những
hóa chất hữu cơ khác với lượng lớn (như formaldehyde). Tuy nhiên, sau nă
m 1990, nhu
cầu methanol làm nguyên liệu sản xuất methyl tert-butyl ether (MTBE
) tăng cao khi
MTBE trở thành một thành phần thiết yếu trong nhiên liệu động cơ.
Methanol không phải là loại thực phẩm. Vì vậy, việc sử dụng các loại
rượu có nồng
độ methanol vượt mức quy định (ngưỡng cho phép là <0.1%, nghĩa là trong
100 ml rượu
chỉ có dưới 1 ml methanol) có thể gây ngộ độc methanol.
Một số lượng lớn của methanol được sử dụng để bảo vệ các đường ống
dẫn khí thiên
nhiên chống lại sự tạo thành khí hydrat ở nhiệt độ thấp, làm tác nhân hấp p
hụ trong các
thiết bị làm sạch khí để loại bỏ CO2, H2S ở nhiệt độ thấp.
Nói tóm lại, methanol dùng để sản xuất MTBE, acide axetic, MMA, D
MT, làm dung
môi, chất tải lạnh, chất chống đông, có trong thành phần của sơn và
vecni, sản xuất
fomandehyde, nhiên liệu / xăng.
11
Hình 2: Ứng dụng của methanol trên thế giới
II. NGUYÊN LIỆU TỔNG HỢP METHANOL
1. Hydro
Hình 2: Cấu trúc phân tử hydro
1.1. Trạng thái tự nhiên
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất
thông thường
theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử. Nguyên tố này được
tìm thấy với
một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khí khổng lồ.Tuy
vậy, trên Trái
Đất nó có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tích). Nguồn chủ yếu của n
ó là nước, bao
gồm hai phần hydro và một phần oxy (H2O). Các nguồn khác bao gồm phầ
n lớn các chất
hữu cơ (hiện tại là mọi dạng của cơ thể sống), than, nhiên liệu hóa thạch v
à khí tự nhiên.
Mêtan (CH4) là một nguồn quan trọng của hyđrô. Dưới áp suất cực cao, chẳ
ng hạn như tại
12
trung tâm của các hành tinh khí khổng lồ (như sao Mộc), các phân tử hydr
o mất đặc tính
của nó và hydro trở thành một kim loại (xem hydro kim loại). Dưới áp suất
cực thấp, như
trong khoảng không vũ trụ, hydro có xu hướng tồn tại dưới dạng các nguyên
tử riêng biệt,
đơn giản vì không có cách nào để chúng liên kết với nhau, các đám mây H
2 tạo thành và
được liên kết trong quá trình hình thành các ngôi sao.
Hydro đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp năng lượng trong vũ
trụ thông qua
các phản ứng proton-proton và chu trình cacbon- nitơ. (Đó là các phản
ứng nhiệt hạch
giảip phóng năng lượng khổng lồ thông qua việc tổ hợp hai nguyên tử hyd
ro thành một
nguyên tử hêli).
1.2. Tính chất vật lý
Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn hydro là một khí lưỡng nguyên tử có c
ông thức phân
tử H2, không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi 20,27 K (-
252,870C) và nhiệt
độ nóng chảy 14,02 K (-259,140C). Tinh thể hydro có cấu trúc lục phương.
Hydro có hóa
trị 1 và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác. Ng
uyên tử hydro là
nguyên tử của nguyên tố hydro.Nó bao gồm electron có điện tích âm qua
y xung quanh
proton mang điện tích dương là hạt nhân của nguyên tử hydro.
1.3. Tính chất hóa học
Phân tử H2 với vỏ electron của He, có độ bền lớn nên rất khó phân hủy
thành nguyên
tử, nó chỉ phân hủy ở nhiệt độ 2000oC. Quá trình phân hủy thu nhiệt
H2 2H H = 436 KJ/mol
Cho nên ở nhiệt độ thường hydro rất kém hoạt động về mặt hóa học, kh
i đun nóng nó
kết hợp với nhiều nguyên tố khác như kim loại kiếm, kim loại kiềm
thổ tạo nên các
hydrua kim loại.
2 Li + H2 2 LiH
Ca + H2 CaH2
Ngoài ra hydro còn có thể kết hợp với các nguyên tố như: S, O, N…
2 H2 + O2 2 H 2O H = 241,82 KJ/ mol
13
Ngoài việc kết hợp trực tiếp với oxit, hydro có thể lấy oxy của nhieeug
kim loại như:
Cu, Pb, Fe…
CuO + H2 Cu + H2O
1.4. Điều chế và sản xuất
Trong phòng thí nghiệm, hydro được điều chế bằng phản ứng của axit
với kim loại,
như kẽm chẳng hạn. Để sản xuất công nghiệp có giá trị thương mại nó đư
ợc điều chế từ
khí thiên nhiên. Điện phân nước là biện pháp đơn giản nhưng không kinh t
ế để sản xuất
hàng loạt hydro. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra những phươ
ng pháp điều
chế mới như sử dụng tảo lục hay việc chuyển hóa các dẫn xuất sinh học nh
ư glucoza hay
sorbitol ở nhiệt độ thấp bằng các chất xúc tác mới.
Hydro có thể điều chế theo nhiều cách khác nhau: hơi nước qua than (
cacbon) nóng
đỏ, phân hủy hydrocacbon bằng nhiệt, phản ứng của các bazơ mạnh (kiề
m) trong dung
dịch với nhôm, điện phân nước hay khử từ axit loãng với một kim loại (có
khả năng đẩy
hydro từ axit) nào đó.
Việc sản xuất thương mại của hydro thông thường là từ khí tự nhiên đư
ợc xử lý bằng
hơi nước nóng. Ở nhiệt độ cao (700-1.1000C), hơi nước tác dụng với
metan để sinh ra
monoxit cacbon và hydro.
CH4 + H2O → CO + 3H2
Điện phân dung dịch có màng ngăn:
2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2
Điện phân nước:
2 H2O → 2 H2 + O2
Lượng hydro bổ sung có thể thu được từ mônôxít cacbon thông qua phả
n ứng nước –
khí sau:
CO + H2O → CO2 + H2
2. Cacbon Oxyt
2.1. Lịch sử
Monoxit cacbon đã được nhà hóa học người Pháp là De Lassone điều ch
ế lần đầu tiên
năm 1776 bằng cách đốt nóng oxit kẽm (ZnO) với than cốc, nhưng ông đã s
ai lầm khi cho
14
khí thu được là hydro do nó cũng cháy với ngọn lửa màu xanh lam. Sau này
, nó được nhà
hóa học người Anh là William Cruikshank xác định là một hợp chất chứa c
acbon và oxy
năm 1800.
Nhà sinh lý học người Pháp là Claude Bernard vào khoảng năm 1846 đ
ã lần đầu tiên
nghiên cứu kỹ lưỡng các thuộc tính độc hại của monoxit cacbon. Ông cho cá
c con chó hít
thở khí này và nhận ra rằng máu của chúng tại tất cả các mạch máu là đỏ hơ
n.
2.2. Tính chất vật lý
Monoxit cacbon, công thức hóa học là CO là một chất khí không màu, k
hông mùi, bắt
cháy và có độc tính cao. Nó là sản phẩm chính trong sự cháy không hoàn to
àn của cacbon
và các hợp chất chứa cacbon.
Có nhiều nguồn sinh ra monoxit cacbon. Khí thải của động cơ đốt trong
tạo ra sau khi
đốt các nhiên liệu gốc cacbon (gần như là bất kỳ nguyên liệu nào, ngoại trừ
hydro nguyên
chất) có chứa monoxit cacbon, đặc biệt với nồng độ cao khi nhiệt độ quá t
hấp để có thể
thực hiện việc oxy hóa trọn vẹn các hydro cacbon trong nhiên liệu thành nư
ớc (dạng hơi)
và dioxit cacbon, do thời gian có thể tồn tại trong buồng đốt là quá ngắn và
cũng có thể là
do không có đủ lượng oxy cần thiết. Thông thường, việc thiết kế và vận hà
nh buồng đốt
sao cho có thể giảm lượng CO là khó kgawn rất nhiều so với việc thiết k
ế để làm giảm
lượng hydro cacbon chưa cháy hết. Monoxit cacbon cũng tồn tại với
một lượng nhỏ
nhưng tính về nồng độ là đáng kể trong khói thuốc lá. Trong gia đình, khí C
O được tạo ra
khi các nguồn nhiên liệu như xăng, hơi đốt, dầu hay gỗ không cháy hết tro
ng các thiết bị
dùng chúng làm nhiên liệu như xe máy, ô tô, lò sưởi và bếp lò…Khí
monoxit cacbon có
thể thấm qua bê tông hàng giờ sau khi xe cộ đã rời khỏi ga ra.
Trong quá khứ, ở một số quốc gia người ta sử dụng cái gọi là town ga
s để thắp sang
và cung cấp nhiệt vào thế kỷ 19. Town gas được tạo ra bằng cách cho một l
uồng hơi nước
đi ngang qua than cốc nóng đỏ, chất tạo thành sau phản ứng của nước và
cacbon là hỗn
hợp của hydro và monoxit cacbon. Phản ứng như sau:
H2O + C CO + H2
15
Khí này ngày nay đã được thay thế bằng hơi đốt tự nhiên (metan) nhằm
tránh các tác
động độc hại tiềm ẩn của nó. Khí gỗ, sản phẩm của sự cháy không hoàn toà
n của gỗ cũng
chứa monoxit cacbon như là một thành phần chính.
2.3. Tính chất hóa học
Cấu trúc của phân tử CO được mô tả tốt nhất dựa theo thuyết quỹ đạo p
hân tử. Độ dài
của liên kết hóa học (0,111 nm) chỉ ra rằng nó có đặc trưng liên kết ba một
phần. Phân tử
có mômen lưỡng cực nhỏ (0,112 Debye hay 3,74 x 10-31C.m) và thông
thường được biểu
diễn bằng 3 cấu trúc cộng hưởng:
CO CO CO
Lưu ý rằng quy tắc octet ( quy tắc bộ tám) bị vi phạm đối với nguyên t
ử cacbon trong
hai cấu trúc thể hiện bên phải.
Nó thể hiện tính khử trong một số phản ứng với các ôxít kim loại có độ
hoạt động hóa
học yếu ở nhiệt độ cao, chẳng hạn ôxít đồng (II), theo phản ứng sau:
CO + CuO CO2 + Cu
Kim loại niken tạo ra hợp chất dễ bay hơi với CO, được biết đến với
tên gọi niken
cacbonyl. Cacbonyl bị phân hủy rất nhanh ngược lại thành kim loại và
khí CO, và nó
được sử dụng làm nền tảng cho việc làm tinh khiết niken.
Nhiều kim loại khác cũng có thể tạo ra các phức chất cacbonyl chứa các
liên kết cộng
hóa trị với monoxit cacbon, các chất này có thể tạo ra bằng một loạt c
ác phương pháp
khác nhau, ví dụ đun sôi ruthenitriclorua với triphenylphotphin trong methox
yetanol (hay
DMF) thì có thể thu được phức chất [RuHCl(CO)(PPh3)3]. Nikencacbonyl là
đặc biệt do
nó có thể được tạo ra bằng tổ hợp trực tiếp monoxit cacbon và niken kim l
oại ở nhiệt độ
phòng.
Trong nikencacbonyl và các cacbonyl khác, cặp điện tử trên nguyên tử
cacbon được
liên kết với kim loại. Trong trường hợp này monoxit cacbon được nói đến
như là nhóm
cacbonyl.
Monoxit cacbon và methanol có phản ứng với nhau có chất xúc tác gốc
rôđi để tạo ra
axit axetic trong quy trình Monsanto, nó là phương pháp được sử dụng nhiề
u nhất để sản
xuất axit axetic côngngiệp.
16
2.4. Độc tính
Monoxit cacbon là cực kỳ nguy hiểm, do việc hít thở phải một lượng q
uá lớn CO sẽ
dẫn tới thương tổn do giảm oxy trong máu hay tổn thương hệ thần kinh cũ
ng như có thể
gây tử vong. Nồng độ chi khoảng 0,1% monoxit cacbon trong không khí c
ũng có thể là
nguy hiểm đến tính mạng.
CO là chất khí không màu, không mùi và không gây kích ứng nên rất
nguy hiểm vì
người ta khôngcảm nhận được sự hiện diện của CO trong không khí. C
O có ái lực với
hemoglobin (Hb) trong hồng cầu mạnh gấp 230-270 lần so với oxy nên khi
được hít vào
phổi CO sẽ gắn chặt với Hb thành HbCO do máu không thể chuyên chở o
xy đến tế bào.
CO còn gây tổn thương tim do gắn kết với myoglobin cơ tim.
Triệu chứng ngộ độc CO thường bắt đầu bằng cảm giác bần thần,
nhức đầu, buồn
nôn, khó thở rồi từ từ đi vào hôn mê. Nếu ngộ độc sẽ hôn mê từ từ, ngưng t
hở và tử vong.
Ngộ độc CO có thể xảy ra ở những trường hợp chạy máy nổ phát điện
trong nhà kín,
sản phụ nằm lò than trong phòng kín, ngủ trong xe hơi đang nổ má
y trong nhà hoặc
gara…
3. Khí metan
Hình :
3.1. Tính chất vật lý
Metan với công thức hóa học là CH4, là một hydrocacbon nằm trong d
ãy đồng đẳng
ankan. Metan là hydrocacbon đơn giản nhất. Ở điều kiện tiêu chuẩn, me
tan là chất khí
17
không màu, không vị. Nó hóa lỏng ở -1620C, hóa rắn ở -1830C, và rất dễ
cháy. Một mét
khối metan ở áp suất thường có khối lượng 717 g.
Metan nguyên chất không mùi, nhưng khi được dùng trong công nghiệ
p, nó thường
được trộn với một lượng nhỏ các hợp chất chứa lưu huỳnh
có mùi mạnh như
etylmecaptan để dễ phát hiện trong trường hợp bị rò rỉ.
Metan là thành phần chính của khí tự nhiên, khí dầu mỏ, khí bùn
ao, đầm lầy. Nó
được tạo ra trong quá trình chế biến dầu mỏ, chưng cất khí than đá. Metan
có nhiều ứng
dụng, chủ yếu dùng làm nhiên liệu. Đốt cháy 1 mol metan có mặt oxy sinh
ra 1 mol CO2
(cacbondioxit) và 2 mol H2O (nước):
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Metan là một khí gây hiệu ứng nhà kính, trung bình cứ 100 năm mỗi
kg metan làm
ấm Trái Đất gấp 23 lần 1 kg CO2
3.2. Tính chất hóa học
Phản ứng cháy
Trong phản ứng cháy của metan có một số bước. Trước tiên, metan tạo
ra gốc metyl
(CH3), gốc này phản ứng với oxy sinh ra formaldehyde (HCHO hoặc
H2CO) cho gốc
formyl (HCO) để tạo thành cacbon monnoxit. Quá trình này được gọi là sự n
hiệt phân oxi
hóa
CH4 + O2 → CO2 + H2O
Sau đó, hydro bị oxi hóa tạo ra H2O và giải phóng nhiệt. Quá trình
này diễn ra rất
nhanh, thường chưa tới một phần nghìn giây.
H2 + ½ O2 → H2O
Cuối cùng, CO bị oxi hóa tạo thành CO2, và giải phóng thêm nhiệt
. Quá trình này
chậm hơn quá trình trên và thường mất vài phần nghìn giây để phản ứng.
CO + 1/2O2 → CO2
Hoạt hóa Hydro
Liên kết cộng hóa trị giữa C-H trong metan thuộc loại bền nhất trong
hydrocacbon.
Tuynhiên, metan vẫn là nguyên liệu khởi đầu chính trong sản xuất Hydro. V
iệc tìm kiếm
các xúc tác có tác dụng thúc đẩy dễ dàng sự hoạt hóa Hydro trong metan và
các ankan bậc
thấp khác là một lĩnh vực nghiên cứu khá quan trọng trong công nghiệp.
18
Tác dụng với Halogen
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG
------------------
BÁO CÁO TIỂU LUẬN
MÔN: TỔNG HỢP HỮU CƠ VÀ HÓA DẦU
ĐỀ TÀI: TỔNG HỢP METHANOL
GVHD: NGUYỄN KIM TRUNG
SVTH: LÊ THỊ BÍCH
NGUYỄN THỊ BÍCH VÂN
Biên Hòa, Ngày 25 tháng 5 năm 2015.
2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU...............................................................................
I. TỔNG QUAN VỀ METHANOL .....................................................................
1. Sơ lược về methanol...........................................................................................
2. Trạng thái không gian của methanol ...............................................................
3. Tính chất vật lý ..................................................................................................
4. Tính chất hóa học...............................................................................................
5. Phản ứng hydro hóa ..........................................................................................
5.1. Phản ứng tách nước
5.2. Phản ứng oxy hóa
5.3. Phản ứng dehydro hóa
6. Tình hình sử dụng và ứng dụng của methanol trên thế giới .......................
6.1. Tình hình sử dụng methanol trên thế giới
6.2. Ứng dụng:
II. NGUYÊN LIỆU TỔNG HỢP METHANOL
1. Hydro
1.1. Trạng thái tự nhiên
1.2. Tính chất vật lý
1.3. Tính chất hóa học
1.4. Điều chế và sản xuất
2. Cacbon Oxyt
2.1. Lịch sử
2.2. Tính chất vật lý
2.3. Tính chất hóa học
2.4. Độc tính
3. Khí metan
3.1. Tính chất vật lý
3.2. Tính chất hóa học
3
3.3. Điều chế
3.4. Ứng dụng
3.5. Ảnh hưởng đến sức khỏe
4. Oxi
4.1. Tính chất vật lý
4.2. Tính chất hóa học
4.3. Ứng dụng của oxi
III. TỔNG HỢP METHANOL
1. Cơ sở khoa học của quá trình
2. Tổng hợp hydro cacbon từ CO và H2
3. Tổng hợp rượu từ CO và H2
4. Thiết bị phản ứng chính trong tổng hợp methanol
5. Sơ đồ công nghệ tổng hợp methanol
6. Tổng hợp methanol
IV. KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
4
MỞ ĐẦU
Methanol được s ử dụ ng r ộ ng rãi nh ư một hoá ch ấ t h ữu cơ cơ bả n trong nh
i ều lĩnh vự c
khác nhau. Hi ệ n nay, nó là một trong các nguyên li ệ u t ạ o ra nhiên li ệ u s ạ ch,
nhiên li ệ u
sinh học củ a thế k ỷ 21.
Trong công nghi ệ p hóa ch ấ t, methanol là nguyên li ệu cơ bản để sả
n xu ấ t
formandehyde, axit axêtic, s ả n xuất sơn tổng h ợp, ch ấ t d ẻ o, làm dung môi v.v.
Khoả ng hai ch ục năm trở lại đây, ngành công nghiệ p hóa d ầ u còn phát tri ể n s
ả n ph ẩ m
metyl ter - butyl ete (MTBE) t ừ metanol làm ph ụ gia thay cho h ợ p ch ấ t chì r ất
độc h ại để
sả n xu ất xăng động cơ chấ t l ượng cao (Mogas 95, Mogas 98) và phát tri ể n s ử
dụng nhiên
liệ u dieden sinh h ọc (biodieden) đi từ metyl este d ầ u mỡ động thự c v ậ t.
Vì th ế , nhu c ầ u s ử d ụ ng methanol ngày càng tăng. Riêng Cộng Hoà Liên B
ang Đứ c và
Pháp nhu c ầ u methanol cho dieden sinh h ọ c hi ện nay đã lên tớ i 1 tri ệ u t ấn/
năm. Nhìn
chung, nhu c ầ u s ử d ụ ng methanol hàng năm trên toàn thế giới kho ả ng trên 32
tri ệ u t ấ n.
Nhịp độ tăng hàng năm là 5 -10%.
Công ngh ệ sả n xu ấ t methanol luôn đượ c hoàn thi ệ n và h ợp lý hóa. Ngu ồn
nguyên li ệ u
được m ở r ộ ng t ớ i c ả việ c s ử dụng nguồn khí cacbonic trong thiên nhiên, ph ế
liệ u nông
lâm s ả n (biomass).
N ước ta hi ệ n nay ch ư a có nhà máy s ả n xu ấ t methanol mặ c dù có s ẵ n n
gu ồn nguyên
liệ u nh ư d ầ u mỏ, than đá, sinh khối (biomass). Nhu c ầ u methanol ở Vi ệt Nam
cũng ngày
càng tăng. Hằng năm, ta phả i nh ậ p lượng đáng kể meth anol để phục v ụ các mụ
c đích khác
nhau, trong đó chủ yế u mới ch ỉ để làm dung môi. Vi ệ c nh ậ p kh ẩ u methanol k
hông kinh t ế
so với s ả n xu ấ t t ạ i ch ỗ.
Do đó, nghiên cứ u và tri ể n khai công ngh ệ s ả n xu ấ t methanol ở việ t nam là
c ấ p thi ế t và
phù hợp v ời nhi ệ m v ụ phát tri ể n công ngh ệ hóa ch ấ t – hóa d ầ u.
5
I. TỔNG QUAN VỀ METHANOL
1. Sơ lược về methanol
Methanol (methyl alcohol) CH3OH (viết tắt MeOH) là một chất l
ỏng hay là một
loại cồn, khối lượng phân tử 32.042, là một hợp chất hữu cơ, không màu,
dễ bay hơi, dễ
cháy… ở nhiệt độ thường với mùi alcohol nhẹ đặc trưng. Năm 1661, lần đầ
u tiên Robert
Boyle đã thu được methanol sau khi tinh chế gỗ giấm bằng sữa vôi.
Sau đó vào năm 1857, Berthelot cũng đã tổng hợp được Methanol
bằng cách xà
phòng hóa methyl chloride.
Trong khoảng từ 1830-1923 chỉ có nguồn quan trọng nhất để sản xuất
methanol từ
giấm gỗ thu được khi chưng gỗ khô.
Tới đầu những năm 1913, methanol đã được sản xuất bằng phương phá
p tổng hợp từ
CO và H2.
Đến đầu những năm 1920, M.Pier và các đồng nghiệp của hãng BAS
F dựa trên sự
phát triển của hệ xúc tác ZnO – Cr2O3 đã tiến một bước đáng kể tro
ng việc sản xuất
methanol với quy mô lớn trong công nghiệp.
Vào cuối năm 1923, quá trình này được thực hiện ở áp suất cao (
25÷35 Mpa, T=
320÷4500C), chúng được sử dụng trong công nghiệp sản xuất methanol hơn
40 năm. Tuy
nhiên vào những năm 1960, ICI đã phát triển một hướng tổng hợp met
hanol ở áp suất
(5÷10 Mpa, T=200÷3000C) trên xúc tác CuO với độ chọn lọc cao.
Hiện nay, methanol được sản xuất nhiều hơn trên thế giới bằng phươn
g pháp tổng
hợp áp suất thấp còn phương pháp chưng cất từ giấm gỗ chỉ chiếm khoảng
0,003% tổng
lượng methanol sản xuất được.
Vì vậy, đầu tiên methanol được gọi là rượu gỗ vì người ta thu được m
ethanol trong
quá trình chưng cất khô gỗ, ngày nay methanol thương mại đôi khi xem nh
ư là methanol
6
tổng hợp bởi vì nó được sản xuất từ tổng hợp khí, một hỗn hợp của hydro
gen và carbon
oxide (H2 và CO).
2. Trạng thái không gian của methanol
Hình 1: Cấu trúc không gian của methanol
3. Tính chất vật lý
Methanol là chất lỏng không màu, trung tính, có tính phân cực,
tan trong nước,
benzene, rượu, este và hầu hết các dung môi hữu cơ. Methanol có khả năng
hòa tan nhiều
Tên Hằngsố
Nhiệt độ sôi (101,3KPa) 64,7 0 C
0
Nhiệt độ đóng rắn -97,68 C
0 2
Tỷ trọng chất lỏng (0 C, 101,3KPa) 0,81000 g/cm
0 2
Tỷ trọng chất khí (25 C, 101,3KPa) 0,78664 g/cm
loại nhựa, ít tan trong các loại chất béo, dầu. do có tính phân cực nên tan đ
ược trong một
số chất hữu cơ.
Methanol dễ tạo hỗn hợp cháy nổ với không khí (7-34 %), rất đọc cho
sức khỏe con
người, với lượng 10 ml trở lên có thể gây tử vong.
Bảng 1: Một số hằng số vật lý quan trọng của methanol
7
Nhiệt độ bốc cháy 4700C
Áp suất tới hạn 8,097 Mpa
Nhiệt độ tới hạn 239,490C
Tỷ trọng tới hạn 0,2715 g/cm3
Thể tích tới hạn 117,9 cm3/mol
Hệ số nén tới hạn 0,224
Nhiệt độ nóng chảy 100,3 KJ/kg
Nhiệt độ hóa hơi 1128,8 KJ/kg
Nhiệt dung riêng của khí (250C, 101,3KPa) 44,06 J.mol-1.K-1
Nhiệt dung riêng của lỏng (250C, 101,13KPa) 84,08 J. mol-1.K-1
Độ nhớt của lỏng (250C) 0,5513 m Pas
Độ nhớt của khí (250C) 9,6.10-3 m Pas
Hệ số dẫn điện (250C) (2÷7).10-9Ω-1.Cm-1
Sức căng bề mặt trong không khí (250C) 22,10 m N/m
Entanpi tiêu chuẩn (khí 250C ,101,3KPa) -200,94 KJ/mol
Entanpi tiêu chuẩn (lỏng 250C ,101,3KPa) 239,88 J.mol-1.k-1
Entopi tiêu chuẩn (khí 250C, 101,3KPa) 127,27 J.mol-1.K-1
Hệ số dẫn nhiệt lỏng (250C) 190,16 m Wm-1.K-1
Hệ số dẫn nhiệt khí (250C) 14,97 m Wm-1.K-1
Giới hạn nổ trong không khí 5,5÷44 % V
4. Tính chất hóa học
Methanol là hợp chất đơn giản đầu tiên trong dãy đồng đẳng các rượu
no đơn chức,
hóa tính của nó được quyết định bởi nhóm –OH. Các quá trình phản ứng
của methanol đi
theo hướng cắt đứt liên kết C-O hoặc nhóm OH và được đặc trưng bởi sự
thay thế nguyên
tử H hay nhóm OH trong phân tử.
Một số phản ứng đặc trưng:
8
4.1. Phản ứng hydro hóa
CH3OH + H2 CH4 + H2
4.2. CH3OH
Phản + tách
ứng HCHO + H2O, H = -159 KJ/
O2 nước
CH3OH + H2 CH4 + H2O
4.3. Phản ứng oxy hóa
Khi oxy hóa methanol trên xúc tác kim loại (Ag, Pt, Cu, O2) hay xúc t
ác oxideCH
hoặc
3OH + O2 CO + H2O
hỗn hợp các oxide (Fe-Mo, Ti-Mo) trong điều kiện thích hợp thu được
fomandehyde và
các sản phẩm phụ:
1
2
Nếu oxy hóa lâu hơn sẽ tạo ra acid fomic:
CH3OH + O2 HCHO + H2O
Nếu oxy hóa hoàn toàn thu được CO, CO2 và H2O:
Thành phần Quy định
Hàm lượng methanol >99,5 %
Tỷ trọng d 0,7928 g/cm3
Hàm lượng aceton và < 0,003 W/t
acetandehyt
Hàm lượng etanol < 0,001 %
Hàm lượng hợp chất bay hơi < 2×10-6 g/l
của sắt (tính theo sắt)
1
2
CH3OH + O2 CO2 + H2O
Hàm lượng lưu huỳnh < 0,0001 %
Hàm lượng Clo < 0,0001 %
Ph 0,7
4
.2. Phản ứng dehydro hóa
Khi tham gia phản ứng dehydro hóa sẽ tạo thành sản phẩm là HCHO
CH3OH CH2O + H2
Bảng 2: Một số chỉ tiêu quan trọng của methanol:
Tên chất Giới hạn cho phép (% khối lượng)
Methanol Min 99,88%
Etanol Max 0,002 %
Axeton Max 0,001 %
Acit Acetic Max 0,003 %
Amoniac Max 0,003 %
Nước Max 0,1 %
9
Bảng 3: Chỉ tiêu kỹ thuật methanol thương phẩm
5. Tình hình sử dụng và ứng dụng của methanol trên thế giới
5.1. Tình hình sử dụng methanol trên thế giới
10
Hình1: Tình hình sử dụng methanol trên thế giới.
5.2. Ứng dụng:
Methanol thường được dùng làm dung môi và làm nguyên liệu cho sản
xuất những
hóa chất hữu cơ khác với lượng lớn (như formaldehyde). Tuy nhiên, sau nă
m 1990, nhu
cầu methanol làm nguyên liệu sản xuất methyl tert-butyl ether (MTBE
) tăng cao khi
MTBE trở thành một thành phần thiết yếu trong nhiên liệu động cơ.
Methanol không phải là loại thực phẩm. Vì vậy, việc sử dụng các loại
rượu có nồng
độ methanol vượt mức quy định (ngưỡng cho phép là <0.1%, nghĩa là trong
100 ml rượu
chỉ có dưới 1 ml methanol) có thể gây ngộ độc methanol.
Một số lượng lớn của methanol được sử dụng để bảo vệ các đường ống
dẫn khí thiên
nhiên chống lại sự tạo thành khí hydrat ở nhiệt độ thấp, làm tác nhân hấp p
hụ trong các
thiết bị làm sạch khí để loại bỏ CO2, H2S ở nhiệt độ thấp.
Nói tóm lại, methanol dùng để sản xuất MTBE, acide axetic, MMA, D
MT, làm dung
môi, chất tải lạnh, chất chống đông, có trong thành phần của sơn và
vecni, sản xuất
fomandehyde, nhiên liệu / xăng.
11
Hình 2: Ứng dụng của methanol trên thế giới
II. NGUYÊN LIỆU TỔNG HỢP METHANOL
1. Hydro
Hình 2: Cấu trúc phân tử hydro
1.1. Trạng thái tự nhiên
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất
thông thường
theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử. Nguyên tố này được
tìm thấy với
một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khí khổng lồ.Tuy
vậy, trên Trái
Đất nó có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tích). Nguồn chủ yếu của n
ó là nước, bao
gồm hai phần hydro và một phần oxy (H2O). Các nguồn khác bao gồm phầ
n lớn các chất
hữu cơ (hiện tại là mọi dạng của cơ thể sống), than, nhiên liệu hóa thạch v
à khí tự nhiên.
Mêtan (CH4) là một nguồn quan trọng của hyđrô. Dưới áp suất cực cao, chẳ
ng hạn như tại
12
trung tâm của các hành tinh khí khổng lồ (như sao Mộc), các phân tử hydr
o mất đặc tính
của nó và hydro trở thành một kim loại (xem hydro kim loại). Dưới áp suất
cực thấp, như
trong khoảng không vũ trụ, hydro có xu hướng tồn tại dưới dạng các nguyên
tử riêng biệt,
đơn giản vì không có cách nào để chúng liên kết với nhau, các đám mây H
2 tạo thành và
được liên kết trong quá trình hình thành các ngôi sao.
Hydro đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp năng lượng trong vũ
trụ thông qua
các phản ứng proton-proton và chu trình cacbon- nitơ. (Đó là các phản
ứng nhiệt hạch
giảip phóng năng lượng khổng lồ thông qua việc tổ hợp hai nguyên tử hyd
ro thành một
nguyên tử hêli).
1.2. Tính chất vật lý
Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn hydro là một khí lưỡng nguyên tử có c
ông thức phân
tử H2, không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi 20,27 K (-
252,870C) và nhiệt
độ nóng chảy 14,02 K (-259,140C). Tinh thể hydro có cấu trúc lục phương.
Hydro có hóa
trị 1 và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác. Ng
uyên tử hydro là
nguyên tử của nguyên tố hydro.Nó bao gồm electron có điện tích âm qua
y xung quanh
proton mang điện tích dương là hạt nhân của nguyên tử hydro.
1.3. Tính chất hóa học
Phân tử H2 với vỏ electron của He, có độ bền lớn nên rất khó phân hủy
thành nguyên
tử, nó chỉ phân hủy ở nhiệt độ 2000oC. Quá trình phân hủy thu nhiệt
H2 2H H = 436 KJ/mol
Cho nên ở nhiệt độ thường hydro rất kém hoạt động về mặt hóa học, kh
i đun nóng nó
kết hợp với nhiều nguyên tố khác như kim loại kiếm, kim loại kiềm
thổ tạo nên các
hydrua kim loại.
2 Li + H2 2 LiH
Ca + H2 CaH2
Ngoài ra hydro còn có thể kết hợp với các nguyên tố như: S, O, N…
2 H2 + O2 2 H 2O H = 241,82 KJ/ mol
13
Ngoài việc kết hợp trực tiếp với oxit, hydro có thể lấy oxy của nhieeug
kim loại như:
Cu, Pb, Fe…
CuO + H2 Cu + H2O
1.4. Điều chế và sản xuất
Trong phòng thí nghiệm, hydro được điều chế bằng phản ứng của axit
với kim loại,
như kẽm chẳng hạn. Để sản xuất công nghiệp có giá trị thương mại nó đư
ợc điều chế từ
khí thiên nhiên. Điện phân nước là biện pháp đơn giản nhưng không kinh t
ế để sản xuất
hàng loạt hydro. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra những phươ
ng pháp điều
chế mới như sử dụng tảo lục hay việc chuyển hóa các dẫn xuất sinh học nh
ư glucoza hay
sorbitol ở nhiệt độ thấp bằng các chất xúc tác mới.
Hydro có thể điều chế theo nhiều cách khác nhau: hơi nước qua than (
cacbon) nóng
đỏ, phân hủy hydrocacbon bằng nhiệt, phản ứng của các bazơ mạnh (kiề
m) trong dung
dịch với nhôm, điện phân nước hay khử từ axit loãng với một kim loại (có
khả năng đẩy
hydro từ axit) nào đó.
Việc sản xuất thương mại của hydro thông thường là từ khí tự nhiên đư
ợc xử lý bằng
hơi nước nóng. Ở nhiệt độ cao (700-1.1000C), hơi nước tác dụng với
metan để sinh ra
monoxit cacbon và hydro.
CH4 + H2O → CO + 3H2
Điện phân dung dịch có màng ngăn:
2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2
Điện phân nước:
2 H2O → 2 H2 + O2
Lượng hydro bổ sung có thể thu được từ mônôxít cacbon thông qua phả
n ứng nước –
khí sau:
CO + H2O → CO2 + H2
2. Cacbon Oxyt
2.1. Lịch sử
Monoxit cacbon đã được nhà hóa học người Pháp là De Lassone điều ch
ế lần đầu tiên
năm 1776 bằng cách đốt nóng oxit kẽm (ZnO) với than cốc, nhưng ông đã s
ai lầm khi cho
14
khí thu được là hydro do nó cũng cháy với ngọn lửa màu xanh lam. Sau này
, nó được nhà
hóa học người Anh là William Cruikshank xác định là một hợp chất chứa c
acbon và oxy
năm 1800.
Nhà sinh lý học người Pháp là Claude Bernard vào khoảng năm 1846 đ
ã lần đầu tiên
nghiên cứu kỹ lưỡng các thuộc tính độc hại của monoxit cacbon. Ông cho cá
c con chó hít
thở khí này và nhận ra rằng máu của chúng tại tất cả các mạch máu là đỏ hơ
n.
2.2. Tính chất vật lý
Monoxit cacbon, công thức hóa học là CO là một chất khí không màu, k
hông mùi, bắt
cháy và có độc tính cao. Nó là sản phẩm chính trong sự cháy không hoàn to
àn của cacbon
và các hợp chất chứa cacbon.
Có nhiều nguồn sinh ra monoxit cacbon. Khí thải của động cơ đốt trong
tạo ra sau khi
đốt các nhiên liệu gốc cacbon (gần như là bất kỳ nguyên liệu nào, ngoại trừ
hydro nguyên
chất) có chứa monoxit cacbon, đặc biệt với nồng độ cao khi nhiệt độ quá t
hấp để có thể
thực hiện việc oxy hóa trọn vẹn các hydro cacbon trong nhiên liệu thành nư
ớc (dạng hơi)
và dioxit cacbon, do thời gian có thể tồn tại trong buồng đốt là quá ngắn và
cũng có thể là
do không có đủ lượng oxy cần thiết. Thông thường, việc thiết kế và vận hà
nh buồng đốt
sao cho có thể giảm lượng CO là khó kgawn rất nhiều so với việc thiết k
ế để làm giảm
lượng hydro cacbon chưa cháy hết. Monoxit cacbon cũng tồn tại với
một lượng nhỏ
nhưng tính về nồng độ là đáng kể trong khói thuốc lá. Trong gia đình, khí C
O được tạo ra
khi các nguồn nhiên liệu như xăng, hơi đốt, dầu hay gỗ không cháy hết tro
ng các thiết bị
dùng chúng làm nhiên liệu như xe máy, ô tô, lò sưởi và bếp lò…Khí
monoxit cacbon có
thể thấm qua bê tông hàng giờ sau khi xe cộ đã rời khỏi ga ra.
Trong quá khứ, ở một số quốc gia người ta sử dụng cái gọi là town ga
s để thắp sang
và cung cấp nhiệt vào thế kỷ 19. Town gas được tạo ra bằng cách cho một l
uồng hơi nước
đi ngang qua than cốc nóng đỏ, chất tạo thành sau phản ứng của nước và
cacbon là hỗn
hợp của hydro và monoxit cacbon. Phản ứng như sau:
H2O + C CO + H2
15
Khí này ngày nay đã được thay thế bằng hơi đốt tự nhiên (metan) nhằm
tránh các tác
động độc hại tiềm ẩn của nó. Khí gỗ, sản phẩm của sự cháy không hoàn toà
n của gỗ cũng
chứa monoxit cacbon như là một thành phần chính.
2.3. Tính chất hóa học
Cấu trúc của phân tử CO được mô tả tốt nhất dựa theo thuyết quỹ đạo p
hân tử. Độ dài
của liên kết hóa học (0,111 nm) chỉ ra rằng nó có đặc trưng liên kết ba một
phần. Phân tử
có mômen lưỡng cực nhỏ (0,112 Debye hay 3,74 x 10-31C.m) và thông
thường được biểu
diễn bằng 3 cấu trúc cộng hưởng:
CO CO CO
Lưu ý rằng quy tắc octet ( quy tắc bộ tám) bị vi phạm đối với nguyên t
ử cacbon trong
hai cấu trúc thể hiện bên phải.
Nó thể hiện tính khử trong một số phản ứng với các ôxít kim loại có độ
hoạt động hóa
học yếu ở nhiệt độ cao, chẳng hạn ôxít đồng (II), theo phản ứng sau:
CO + CuO CO2 + Cu
Kim loại niken tạo ra hợp chất dễ bay hơi với CO, được biết đến với
tên gọi niken
cacbonyl. Cacbonyl bị phân hủy rất nhanh ngược lại thành kim loại và
khí CO, và nó
được sử dụng làm nền tảng cho việc làm tinh khiết niken.
Nhiều kim loại khác cũng có thể tạo ra các phức chất cacbonyl chứa các
liên kết cộng
hóa trị với monoxit cacbon, các chất này có thể tạo ra bằng một loạt c
ác phương pháp
khác nhau, ví dụ đun sôi ruthenitriclorua với triphenylphotphin trong methox
yetanol (hay
DMF) thì có thể thu được phức chất [RuHCl(CO)(PPh3)3]. Nikencacbonyl là
đặc biệt do
nó có thể được tạo ra bằng tổ hợp trực tiếp monoxit cacbon và niken kim l
oại ở nhiệt độ
phòng.
Trong nikencacbonyl và các cacbonyl khác, cặp điện tử trên nguyên tử
cacbon được
liên kết với kim loại. Trong trường hợp này monoxit cacbon được nói đến
như là nhóm
cacbonyl.
Monoxit cacbon và methanol có phản ứng với nhau có chất xúc tác gốc
rôđi để tạo ra
axit axetic trong quy trình Monsanto, nó là phương pháp được sử dụng nhiề
u nhất để sản
xuất axit axetic côngngiệp.
16
2.4. Độc tính
Monoxit cacbon là cực kỳ nguy hiểm, do việc hít thở phải một lượng q
uá lớn CO sẽ
dẫn tới thương tổn do giảm oxy trong máu hay tổn thương hệ thần kinh cũ
ng như có thể
gây tử vong. Nồng độ chi khoảng 0,1% monoxit cacbon trong không khí c
ũng có thể là
nguy hiểm đến tính mạng.
CO là chất khí không màu, không mùi và không gây kích ứng nên rất
nguy hiểm vì
người ta khôngcảm nhận được sự hiện diện của CO trong không khí. C
O có ái lực với
hemoglobin (Hb) trong hồng cầu mạnh gấp 230-270 lần so với oxy nên khi
được hít vào
phổi CO sẽ gắn chặt với Hb thành HbCO do máu không thể chuyên chở o
xy đến tế bào.
CO còn gây tổn thương tim do gắn kết với myoglobin cơ tim.
Triệu chứng ngộ độc CO thường bắt đầu bằng cảm giác bần thần,
nhức đầu, buồn
nôn, khó thở rồi từ từ đi vào hôn mê. Nếu ngộ độc sẽ hôn mê từ từ, ngưng t
hở và tử vong.
Ngộ độc CO có thể xảy ra ở những trường hợp chạy máy nổ phát điện
trong nhà kín,
sản phụ nằm lò than trong phòng kín, ngủ trong xe hơi đang nổ má
y trong nhà hoặc
gara…
3. Khí metan
Hình :
3.1. Tính chất vật lý
Metan với công thức hóa học là CH4, là một hydrocacbon nằm trong d
ãy đồng đẳng
ankan. Metan là hydrocacbon đơn giản nhất. Ở điều kiện tiêu chuẩn, me
tan là chất khí
17
không màu, không vị. Nó hóa lỏng ở -1620C, hóa rắn ở -1830C, và rất dễ
cháy. Một mét
khối metan ở áp suất thường có khối lượng 717 g.
Metan nguyên chất không mùi, nhưng khi được dùng trong công nghiệ
p, nó thường
được trộn với một lượng nhỏ các hợp chất chứa lưu huỳnh
có mùi mạnh như
etylmecaptan để dễ phát hiện trong trường hợp bị rò rỉ.
Metan là thành phần chính của khí tự nhiên, khí dầu mỏ, khí bùn
ao, đầm lầy. Nó
được tạo ra trong quá trình chế biến dầu mỏ, chưng cất khí than đá. Metan
có nhiều ứng
dụng, chủ yếu dùng làm nhiên liệu. Đốt cháy 1 mol metan có mặt oxy sinh
ra 1 mol CO2
(cacbondioxit) và 2 mol H2O (nước):
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Metan là một khí gây hiệu ứng nhà kính, trung bình cứ 100 năm mỗi
kg metan làm
ấm Trái Đất gấp 23 lần 1 kg CO2
3.2. Tính chất hóa học
Phản ứng cháy
Trong phản ứng cháy của metan có một số bước. Trước tiên, metan tạo
ra gốc metyl
(CH3), gốc này phản ứng với oxy sinh ra formaldehyde (HCHO hoặc
H2CO) cho gốc
formyl (HCO) để tạo thành cacbon monnoxit. Quá trình này được gọi là sự n
hiệt phân oxi
hóa
CH4 + O2 → CO2 + H2O
Sau đó, hydro bị oxi hóa tạo ra H2O và giải phóng nhiệt. Quá trình
này diễn ra rất
nhanh, thường chưa tới một phần nghìn giây.
H2 + ½ O2 → H2O
Cuối cùng, CO bị oxi hóa tạo thành CO2, và giải phóng thêm nhiệt
. Quá trình này
chậm hơn quá trình trên và thường mất vài phần nghìn giây để phản ứng.
CO + 1/2O2 → CO2
Hoạt hóa Hydro
Liên kết cộng hóa trị giữa C-H trong metan thuộc loại bền nhất trong
hydrocacbon.
Tuynhiên, metan vẫn là nguyên liệu khởi đầu chính trong sản xuất Hydro. V
iệc tìm kiếm
các xúc tác có tác dụng thúc đẩy dễ dàng sự hoạt hóa Hydro trong metan và
các ankan bậc
thấp khác là một lĩnh vực nghiên cứu khá quan trọng trong công nghiệp.
18
Tác dụng với Halogen