Referat la : Chimie

Elev: Guran-Cozariuc Radu Andrei

Colegiul Naţional “Ecaterina Teodoroiu”

Titlu: Metanolul

Profesor îndrumător: Dan Ioan Dragomir Talabă

Metanolul

Metanolul este un alcool care se sintetizează prin substituirea în molecula de metan a unui atom de hidrogen cu o grupare - OH(hidroxilică) si in natura se intalneste în plante ca: bumbacul, brânca-ursului, ierburi sau seminţe care conţin uleiuri eterice.

Metanolul mai poate fi obţinut prin fermentarea siropului produs din sfecla de zahăr. În procesele de fermentare a fructelor se poate forma metanol prin descompunerea pectinelor. Consumul de metanol poate produce intoxicaţii grave, acesta poate lua naştere prin distilarea fracţionată în mod particular a alcoolului.

Scurt istoric

In procesul de îmbălsămare, egiptenii din Antichitate utilizau un amestec de substanţe, printre care şi metanolul, care era obţinut prin piroliza lemnului. Însă metanolul pur a fost pentru prima dată izolat în 1661 de către Robert Boyle care l-a obţinut prin distilarea boxusului .

Substanţa a devenit ulterior cunoscztă sub denumirea de „spirt pirozilic”.În 1834 chimiştii francezi Jean-Baptiste Dumas şi Eugene Peligot i-au determinat compoziţia elementală. Aceşti oameni de ştiinţă au fost cei care au introdus cuvântul „metil” în chimia organică, termen format cu ajutorul etinoamelor greceşti „methy”

(însemnând „vin”) şi „hȳlē” (însemnând „lemn”). Prin această alăturare se dorea ca să se denumească compusul ca „alcool extras din lemn”, însă formularea conţine erori, fiind greşită utilizarea cuvântului „methy” pentru traducerea lui „bois” din franceză. Atfel, termenul „metil” a fost întrebuinţat pentru a denumi alcoolul metilic, care a fost prescurtat la „metanol” în 1892 de către IUPAC. Sufixul „-ic” a fost folosit din acel moment pentru a denumi substanţele organice ce conţin carbon.

In 1923 chimiştii germani Alwin Mittasch şi Mathias Pier, ce erau angajati ai BASF, au pus bazele unei tehnologii care transformagazul de sinteză  (un amestec între monoxid de carbon, dioxid de carbon  şi hidrogen) în metanol. Invenţia a fost patentată la 12 ianuarie 1926. Acest proces era realizat în prezenţa unor catalizatori de oxid de magneziu sau de crom şi era realizat în condiţii de presiune cuprinsă între 50 şi 220 atm şi o temperatură mai mare de 450 °C..În 1924 erau procesate peste trei milioane de tonede lemn, din care se obţinea o cantitate de aproximativ 30 000 de tone de metanol la nivel mondial, procesul având o eficacitate de aproape 70 %.

A. Mittasch şi C. Schneider au sintetizat metanol în 1913, însă tehnica utilizată de aceştia nu a avut un impact comercial. După Primul război mondial , echipa de la BASF s-a axat în special pe dezvoltarea cu succes a unui proces de obţinere a acestui alcool, după ce M. Pier s-a alăturat companiei. El a produs metanol în februarie 1923 cu o bună selectivitate la o presiune de 1 000 de bari utilizând cromatul de zinc pe post de catalizator.

În anii 1940 s-a pus bazele procesului de obţinere a metanolului la presiune joasă de către ICI, prima

exploatare realizându-se laBillingham în 1966. Compusul a fost utilizat pe post de combustibil pentru maşini în timpul crizei de petrol din anii 1970 datorită costurilor scăzute, producţiei ridicate şi a efectului mai puţin poluant. Până la mijlocul anilor 1990, peste 20 000 de „vehicule cu combustibil flexibil” ce foloseau fie metanol fie benzină pe post de carburant existau în Statele Unite. În Europa, cantităţi mici de metanol erau amestecate cu benzină , fapt realizat între anii 1980 până la mijlocul anilor 1990. Producătorii au încetat fabricarea acestor vehicule la sfârşitul anilor 1990, axându-se pe cele ce funcţionează cu etanol. În timp ce programul bazat pe motoare cu metanol a reprezentat un succes tehnologic, ridicarea preţului acestui compus a scăzut interesul pentru combustibilul cu metanol.

Metode de obtinere

1. Distilarea lemnului (carbonizarea) se realizează industrial în cuptoare închise, la o valoare a temperaturii de 500 °C, procentele de substanţe rezultate din lemnele uscate fiind: 15% gaze, 25% apă, 2% metanol, 6% acid acetic, 18% gudroane, 34% mangal, acetse valori variind în funcţie de esenţa lemnului folosit şi de modul cum a fost realizată distilarea. Gazele şi vaporiirezultaţi sunt trecuţi într-o instalaţie de condensare, de unde gazele necondensabile sunt separate. Cele au o putere calorifică de 2000-3000 kcal/m3 şi pot fi întrebuinţate pentru încălzire a retortelor, a cazanelor cu abur, etc. Condensatul este format din acid pirolignos şi gudroane de lemn. Acidul pirolignos este un amestec de 8-10%

acid acetic şi omologi, 3& fracţie alcoolică, 7% gudroane solubile şi 80% apă.

Îndepărtarea gudroanelor solubile de condensat se face prin distilare; acestea rămân ca reziduu pe vasele de distilare. Vaporii de acid pirolignos sunt trecuţi în vase ce conţin lapte de var, unde acidul acetic este reţinut sub formă de acetat de calciu, iar restul produselor volatile (fracţia alcoolică) se trece mai departe în coloanele de fracţionare pentru separarea componentelor. Fracţia alcoolică are aproximativ următoarea compoziţie: 65-70% metanol, 10-15% acetonă, 10-15% acetat de metil, 1-3% acetaldehidă, 0,5-1% alcool alilic. Fracţiile de la începutul distilării celei alcoolice cum şi cele de la sfârşit sunt amestecate şi comercializate sub denumirea de „spirt denaturat”2. Obţinerea din gazul de sinteză

Materia primă - amestecul format dintr-o parte oxid de carbon şi două părţi de hidrogen (gazul de sinteză) - este trecută sub presiunea de 200-300 atm şi o temperatură de 300-400 °C, peste catalizatori (oxid de zinc şi oxid de crom). Condiţiile de reacţie trebuie respectate deoarece materia primă, la alte valori ale parametrilor, se treansformă în benzine sintetice (procedeul Fischer-Tropsch). De asemenea, la presiuni şi temperaturi mai ridicate, alături de metanol se mai obţin alcooli superiori, îndeosebi alcool izobutilic.

Obţinerea gazului de sinteză prin conversia metanului se poate realiza catalitic în prezenţa oxigenului, a vaporilor de apă şi dioxid de carbon. Aburul favorizează trecerea oxidului de carbon în bioxid de carbon, iar în exces de acest compus, echilibrul se

deplasează spre formare de CO2, o reacţie puternic endotermă. Gazul de sinteză obţinut, după ce sunt îndepărtate urmele de CO2, apă şi CH4 netransformat, este comprimat la presiunea necesară şi trimis la reactorul de sinteză a metanului. Metanolul brut obţinut trebuie eliberat de impurităţi (gaze dizolvate, eter metilic, alcooli superiori, urme de acizi.

Proprietati

1. Structura Molecula de metanol este alcătuită dintr-un atom de carbon, unul de oxigen si patru de hidrogen. Ca unităţi structurale, are o grupare metil ce prezintă o simterie trigonală şi una hidroxil. Aceasta este constituită dintr-un atom de hidrogen şi unul de oxigen hibridizat sp3 ce are două perechi de electroniliberi. Unghiul dintre carbon, oxigen şi atomul de hidrogen este de 108.9 °, valoare apropiată de cea existentă într-un tetraedru (109.47 °), iar cel al grupării metil este de 109 °. Lungimea legăturii dintre carbon şi oxigen este de 1,43 Å, cea dintre carbon si oxigen este de 1,10 Å, iar cea dintre oxigen şi hidrogen are o valoare mai mică (0,96 Å), fapt datorat electronegativităţii ridicate a oxigenului.

Diferenţa de electronegativitate între carbon şi oxigen şi între hidrogen şi oxigen determină existenţa unui deficit de densitate electronică în jurul grupării metil şi în jurul atomilor de hidrogen şi un surplus asociat perechilor de electroni liberi ai oxigenului. Rezultă astfel

un moment de dipol molecular ce are valoarea de 5,67 x 10-30cm (1,7 Debye).

În stare lichidă, metanolul se prezintă sub forma unor asociaţii moleculare legate între ele prin intermediul legăturilor de hidrogen, lucru indicat de valori mai mari ale punctelor de fierbe, de topire şi a forţelor de dispersie London decât a altor substanţe cu acelaşi număr de electroni şi cu o structură similară.[15]Rotaţia în jurul legăturii carbon-oxigen este restricţionată. Totuşi, rezistenţa la rotaţie a acesteia reprezintă doar o treime din cea a două grupări de metil (cum ar fi în etan), având valoarea de 4,48 kJ / mol.

Proprietati Fizice

La temperatura camerei, metanolul este un lichid cu miros pătrunzător, eterat şi este toxic. Punctul de fierbere este de 65 ° C, iar cel de topire este de -97 ° C, formând cristale incolore. Densitatea în stare lichidă este de 791 kg/m3, iar căldura de vaporizare  este de 35278 kJ/kmol. La 25 ° C, presiunea vaporilor are valoarea de 126 mm Hg, căldura de combustie de 19,930 kj/kg şi coeficientul de dipersie a lichidului de 1.65 x 10-9 m2/sec. La 30 ° C, căldura latentă este de 1155 kj/kg, conductivitatea termică de 0,203 W/m ° C,vâscozitatea lichidului de 0,521 cP, iar cea a vaporilor de 0,98 102 cP. Căldura specifică a vaporilor este de 1,47 kj/kg° C, iar tensiunea de suprafaţă a lichidului de 2,18*102N/m. Se amestecă cu apa în orice proporţii.

În stare lichidă metanolul este format din asociaţii moleculare de forma (CH3-OH)x legate între ele prin legături de hidrogen, lucru datorat polarităţii grupei

hidroxil. În timp ce punctul de topire este aproape egal cu cel de clorurii de metilen, punctul de fierbere este relativ ridicat în comparaţie cu această halogenură. energia de disociere a legăturilor de hidrogen este de 20 kJ/mol. Metanolul cristalizează în sistemul de cristal ortorombic cu parametrii a = 6,43 Å, b = 7,24 Å şi C = 4.67 Å. Structura sa poate fi descrisă şi ca un polimer legat prin punţi de hidrogen. La o răcire semnificativă are loc o pliere a lanţului de polimer într-un sistem de cristal monoclinic. Este solubil în apă (0,789) şi în alţi compuşi organici, cum ar fi acetonitril,benzen, cloroform, ciclopentan, metacrilat de metil şi tetrahidrofuran.

Proprietăţi chimice

Polaritatea grupării hidroxil determină amestecarea cu apa în orice proporţii, fapt reflectat prin solubilitatea clorurii de calciu şi a sulfatului de cupru în metanol. Alcoolul este de asemenea, solubil în eter dietilic, în hidrocarburi şi mulţi alţi solvenţi organici. Se amestecă uşor în grăsimi vegetale şi uleiuri. pKa-ul metanolului are o valoare de 16. În reacţie cu acizi puternici, cum ar fi acidul sulfuric , el se poate protona. Bazele puternice deprotonează molecula de alcool. Metanolul arde cu flacără albăstruie folosind dioxid de carbon şi apă. Poate fi oxidat cu K2Cr2O7 acid, dicromat de sodiu acid sau cu permangant de potasiu  pentru a forma formaldehidă. Dacă agentul de oxidare este în exces, atunci formaldehida se va oxida mai departe la acid formic şi mai apoi la dioxid de carbon şi apă. O altă modalitate de a obţine formaldehida este de a trece vaporii de alcool peste cupru înroşit adus la 300 °C. Doi atomi de hidrogen sunt eliminaţi din fiecare moleculă, obţinându-se şi hidrogen gazos, realizându-se astfel

dehidrogenarea metanoulului. Alcoolul nu poate da reacţii de dehidratare. În schimb, în reacţie cu acidul sulfuric se formează dimetil sulfat. Formează cu acizii organici esteri, iar cu sodiueliberează hidrogen. Reacţiile de substituţie se pot realiza cu pentaclorura de fosfor sau cu acidul clorhidric.

Răspândire în natură

Metanolul este întalnit in fructe, unde este produs de către metilestaraza prin atacul pectinei metoxilate, existand in concentratii diferite in functie de fruct.

Aplicaţii practice

În industria chimică, metanolul serveşte ca materie primă sau ca furnizor de energie. Recuperarea sa necesită utilizarea unor compuşi de o puritate înaltă. Alcoolul poate fi folosit pe post de combustibil, fiind posibilă adăugarea sa la carburanţii convenţionali sau utilizarea de metanol pur, fără sulf. În celulele de combustie reprezintă un furnizor de hidrogen.

Materie primă

În 2003, în SUA şi Canada, s-au obţinut cinci milioane de tone de formaldehidă în valoare de 1,5 miliarde de dolari americani, devenind a cincea importantă producţie în Statele Unite. Substanţa este folosită pentru fabricarea de uree, fenol şi melamină. Aproximativ 50% din totalul de formaldehidă este consumat la fabricarea produselor din lemn. În 2005, China a fost cel mai mare

producător mondial, având o capacitate de 11 milioane de tone.

Reactii ale metanolului În 1970, compania Monsanto pune bazele unei linii tehnologice de producere a acidului acetic utilizând pe post de catalizator cis−[Rh(CO)2I2]− şi acid iodhidric. Procesul este eficient şi la presiuni mici, decurgând aproape fără obţinere de produşi secundari.

Rolul acidului iodhidric este de a forma iodura de metil, specie ce urmează a reacţiona cu complexul de rodiu. În ciclul catalitic, are loc o adiţie oxidativă a [Rh(CO)2I2]− la iodura de metil, urmată de coordinarea şi introducerea monoxidului de carbon în moleculă, formându-se un complex acil. Apoi se elimină acidul iodhidric prin reducerea complexului. Iodura de acil este ulterior hidrolizată, obţinându-se acidul acetic.Prin modificarea condiţiilor de reacţie se poate obţine anhidrida acetică pe aceeaşi linie de producţie.

Metanol poate fi dehidorgenatt folosind catalizatori de cupru-dopat pentru a forma formiat de metil.

Prin esterificare se pot obţine un număr mare de produse derivate. 

Clormetanul este unul dintre cei mai importanţi, fiind obţinut la o scară mailargă datorită costurilor mai mici de producţie ale acidului clorhidric. Esterii metilici ai acizilor graşi pot fi produşi prin procesul de transesterificare convenţională. Prin oxidare în două etape ale p-xilenului se formează un terftalat de dimetil. Prin reacţia metanoululi cu amoniac utilizând pe post de catalizator un amestec de silicat de aluminiu şi amine de metil se realizează un intermediar cu aplicaţii pentru vopsele, medicamente şi pesticide. Reaţia alcoolului pe zeoliţi de tipul ZSM-5 în metanol ce conduce la olefine gestionează procesul de producţie a unor compuşi chimici cu catenă mică cum ar fi etenă, propenă sau butenă.

Utilizarile metanolului

Metanolul este folsit ca: • agent de denaturare pentru alcoolul provenit din

cereale• antigel• solvent pentru cauciuc si diferite tipuri de lacuri• sinteza mai multor compusi organici.• Cand ajunge in interorul organismului uman, fie

ca este inhalat sau baut, are o serie de caracteristici distructive asupra celulelor din corp. Metanolul este extrem de otravitor.

• Metanolul se topeste la –97.8 grade Celsius, fierbe la 64.7 grade Celsius si are o gravitate specifica de 0.7915 la 20 de grade Celsius.