ما هو غاز الميثان
غاز الميثان هو غاز لا لون له ولا رائحة، وصيغته الكيميائية CH4 حيث يتكون من ذرة كربون وأربع ذرات هيدروجين، وينتمي إلى مجموعة 14 هيدريد. الميثان هو الألكان الأساسي والمكون الرئيسي للغاز الطبيعي. يتم إنتاجه من خلال البكتيريا اللاهوائية في مكبات النفايات وأمعاء المجترات. غاز الميثان يعتبر من الغازات الدفيئة، حيث تسهم الأنشطة البشرية بنسبة 70٪ من انبعاثات الميثان. الميثان النقي هو مصدر طاقة عالي الكثافة بكثافة طاقته حوالي 55.7 ميجا جولكجم. يستخدم هذا الغاز في إنتاج الكهرباء وتدفئة المنازل والطهي. تم اكتشاف غاز الميثان علميا لأول مرة في عام 1776 من قبل الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا.
نوع الرابطة في غاز CH4
إن الرابطة في جزيء الميثان الذي يعرف بالرمز CH4 هي من النوع سيجما، حيث أن هذه الرابطة تتألف من ذرة كربون بحيث تكون هذه الذرة مرتبطة بأربع ذرات من الهيدروجين، ويحتوي على أربعة روابط تساهمية تعمل هذه الروابط على ربط ذرة الكربون مع الهيدوجين، ويكون جزيء الميثان في أربعة مناظر مختلفة، حيث أنها تتموضع ذرات غاز الميثان وروابطه بشكل مختلف، وإن الكهربية تشير إلى ميل الذرات لربط الإلكترونات، وإن الطرق المختلفة التي تعمل على تمثيل الروابط التساهمية في رابطة غاز الميثان CH4 تتجلى في:
- الصيغة الهيكلية.
- الرسم التخطيطي.
- نموذج العصا والكرة.
- نموذج ملئ الفراغ.
كما ذكرنا سابقا، جزيء الميثان يتكون من أربع ذرات هيدروجين وذرة واحدة من الكربون. الهيدروجين له قيمة كهرسلبية تبلغ 2.2، بينما الكربون له قيمة كهرسلبية تبلغ 2.55. يجب أن نلاحظ أن المركب الأيوني هو المركب الذي يتشكل من فرق الكهربية بين ذراته، ويكون هذا الفرق أكبر من 1.7. إذا أردنا تطبيق هذه القاعدة على ذرات الميثان، فإن فرق الكهربية بين الكربون والهيدروجين هو 2.55-2.2 = 0.35. وهذا القيمة أقل بكثير من القيمة 1.7. بسبب أن فرق الكهربية بين CH صغير جدا، فإن غاز الميثان يعد مركبا غير أيونيا. لتوضيح ما سبق
- الميثان مركب تساهمي لأن قيمة الكهربائية لذرة الهيدروجين = 2.20.
- القيمة الكهربية لذرة الكربون=2.55
- فرق الكهربية بين ذرات غاز الميثان H و C في رابطة HC هو 0.35 وفقا لمقياس بولينج. وبالتالي، نجد أن ذرات الميثان والكربون ترتبط برابطة تساهمية، مما يجعله مركبا تساهميا. كما نجد أن هناك مركبا آخر يسمى الإيثان، وهناك اختلاف بين الميثان والإيثان
فنجد أن ذرة الهيدروجين هي إلكترون واحد ويكون قصير ويكون ذو تكوين ثماني، أما الكربون فهو يتكون من أربعة إلكترونات أقل من غلاف خارجي كامل الذي يتكون من ثمانية، وإن أربع ذرات من الهيدوجين تكون مشتركة في الإلكترونات مع إلكترونات الأربعة الخارجية للكربون، وينتج عن هذا الاشتراك غلاف خارجي كامل للجميع ويكون ذو خمس ذرات، وعندما يتم التبادل ما بين الإلكترونات الخارجية لذرات الهيدروجين وذرة الكربون يصل الهيدروجين إلى التكوين الإلكتروني للهيليوم بحيث يصل الكربون إلى تكوين النيون، لهذا عندما يتم تكوين الروابط التساهمية ففي هذه الحالة يتكون كل من ذرات الهيدروجين وذرة الكربون من أغلفة خارجية، وتكون هذه الأغلفة متكونة من ثمانية إلكترونات.
أنواع الروابط الكيميائية
يمكن تصنيف الروابط الكيميائية بناءً على الذرات، ويمكن فرزها على النحو التالي:
- الرابطة الأيونية، فيتم تكوين الرابطة الأيونية عن طريق نقل إلكترونات التكافؤ لذرة واحدة بشكل دائم إلى ذرة أخرى، وإن هذه الروابط يتم تشكيلها نتيجة التجاذب الكهروستاتيكي ما بين الأيونات التي تكون ذو شحنات معاكسة، حيث أن الذرة التي تفقد الإلكترونات أيوناً موجب الشحنة يسمى كاتيون، أما الذرة التي تمتص الإلكترونات أيوناً سالب الشحنة ويسمى الأنيون..
- الروابط التساهمية، وتتم في العناصر التي تمتلك طاقات التأين العالية والتي تكون غير قادرة على فقدان الإلكترونات، أما العناصر التي تتميز بتقارب الإلكترون المنخفض فلا تكون قادرة على قبول الإلكترونات، وإن ذرات هذه العناصر تكون مشتركة في الإلكترونات مع عناصر أخرى، أو من الممكن أن تشترك مع ذرات من نفس العنصر بحيث تشكل الذرتين مع بعضهما البعض ترتيباً ثمانياً في غلاف التكافؤ الخاص بهما، وإن الروابط التساهمية تشير إلى ارتباط يكون مكوناً من أزواج من الإلكترونات تكون متشابهة الجزيئات.
- تتميز الروابط الأيونية بفرق الكهربية العالية بين الذرتين المتصلتين في الرابطة الكيميائية، حيث يكون هذا الفرق أكثر من 2.0، أما إذا كان الفرق أقل من 2.0 على مقياس بولينج، فيحدث الرابط التساهمي ويكون فعّالًا ومتاحًا.
مخاطر غاز الميثان
وفقا للدراسات البيئية، تم الكشف عن زيادة تركيز غاز الميثان في الغلاف الجوي بنسبة 151 في المائة. يعتبر الميثان سريع الاشتعال، مما يجعله واحدا من أخطر الغازات التي تسبب ظاهرة الاحتباس الحراري. يتفوق غاز الميثان على غاز ثاني أكسيد الكربون بمعدل 25 مرة. وتستغرق حالة استقرار غاز الميثان في الغلاف الجوي حوالي تسع سنوات، وهذه المدة تعتبر قصيرة مقارنة بالغازات الأخرى المخبأة. يتم تأكيد تفاعل غاز الميثان في الغلاف الجوي. وينطوي غاز الميثان على مخاطر للإنسان تتجلى في:
- يعتبر الغاز الكربوني من الغازات الخانقة التي تؤدي إلى الاختناق، حيث يحل محل غاز الأكسجين الذي يعتبر ضروريا للإنسان ويحتاجه بتركيزات عالية للتنفس، ونقص غاز الأكسجين يؤدي إلى فقدان الوعي والاختناق والصداع، ويمكن ملاحظة الضعف والغثيان وفقدان التنسيق.
- عندما يكون غاز الميثان بشكل سائل ويلامس جلد الإنسان، يسبب الإصابة بعضة البرد أو ما يعرف باسم قضمة الصقيع.
على الرغم من وجود أضرار عديدة لغاز الميثان، إلا أن لديه استخدامات في حياتنا. فمن خلاله يتم إعداد العديد من المركبات العضوية مثل الكلوروفورم ورابع كلوريد الكربون. يستخدم في إطفاء الحرائق وصناعة البلاستيك والنايلون والكحول. يتم استخراج غاز الميثان بشكل عام من تقطير الفحم والغاز الطبيعي، ومن المواد العضوية المخمرة. الضغط العالي يؤثر على كتلة النباتات الميتة، مما يجعل جزيئات الكربون الغنية بالطاقة مصدرا لاستخراج الميثان الطبيعي.