मीथेन

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मीथेन
Stereo, skeletal formula of methane with some measurements added
Ball and stick model of methane
Spacefill model of methane
Names
Preferred IUPAC name
Methane[1]
Systematic IUPAC name
Carbane (never recommended[1])
Other names
  • Marsh gas
  • Natural gas
  • Carbon tetrahydride
  • Carburetted hydrogen
  • Hydrogen carbide
Identifiers
3D model (JSmol)
3DMet
1718732
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
EC Number
  • 200-812-7
59
KEGG
MeSH Methane
RTECS number
  • PA1490000
UNII
UN number 1971
  • InChI=1S/CH4/h1H4 checkY
    Key: VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N checkY
  • C
Properties
CH4
Molar mass 16.043 g·mol−1
Appearance Colorless gas
Odor Odorless
Density
  • 0.657 kg·m−3 (gas, 25 °C, 1 atm)
  • 0.717 kg·m−3 (gas, 0 °C, 1 atm)[2]
  • 422.8 g·L−1 (liquid, −162 °C)[3]
Melting point −182.456 °C (−296.421 °F; 90.694 K)[3]
Boiling point −161.5 °C (−258.7 °F; 111.6 K)[3]
Critical point (T, P) 190.56 K (−82.59 °C; −116.66 °F), 4.5992 megapascals (45.391 atm)
22.7 mg·L−1[4]
Solubility Soluble in ethanol, diethyl ether, benzene, toluene, methanol, acetone and insoluble in water
log P 1.09
14 nmol·Pa−1·kg−1
Conjugate acid Methanium
Conjugate base Methyl anion
−17.4×10−6 cm3·mol−1[5]
Structure
Td
Tetrahedron
0 D
Thermochemistry[6]
35.7 J·(K·mol)−1
186.3 J·(K·mol)−1
−74.6 kJ·mol−1
−50.5 kJ·mol−1
−891 kJ·mol−1
Hazards[7]
GHS labelling:
GHS02: Flammable
Danger
H220
P210
NFPA 704 (fire diamond)
Flash point −188 °C (−306.4 °F; 85.1 K)
537 °C (999 °F; 810 K)
Explosive limits 4.4–17%
Related compounds
Related alkanes
Except where otherwise noted, data are given for materials in their standard state (at 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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मीथेन (US: /ˈmɛθeɪn/ MEH-thayn, UK: /ˈmiːθeɪn/ MEE-thayn) एक प्रकार का रासायनिक यौगिक है जिसका रासायनिक सूत्र CH4 (एक कार्बन परमाणु चार हाइड्रोजन परमाणुओं से जुड़ा हुआ) होता है। यह एक समूह -14 हाइड्राइड, सबसे सरल एल्केन और प्राकृतिक गैस का मुख्य घटक है। पृथ्वी पर मीथेन की आपेक्षिक बहुलता इसे आर्थिक रूप से प्रलोभकारी ईंधन बनाती है, हालांकि तापमान और दाब के लिए सामान्य परिस्थितियों में इसकी गैसीय अवस्था के कारण इसका अभिग्रहण और संग्रहण करना तकनीकी आपत्तियों व्यग्र करता है।

प्राकृतिक रूप से प्राप्त होने वाली मीथेन भूमि के नीचे और समुद्र तल के नीचे पाई जाती है और यह भूवैज्ञानिक और जैविक दोनों प्रक्रियाओं द्वारा बनती है। मीथेन क्लैथ्रेट्स के रूप में मीथेन का सबसे बड़ा संग्रह समुद्र तल के नीचे है। जब मीथेन सतह और वायुमंडल में पहुँचती है, तो इसे वायुमंडलीय मीथेन के रूप में जाना जाता है।[9] 1750 के बाद से पृथ्वी के वायुमंडलीय मीथेन की सघनता में लगभग 150% की वृद्धि हुई है, और यह लंबे समय तक रहने वाले और विश्व स्तर पर मिश्रित ग्रीनहाउस गैसों से कुल विकिरणकारी बल का 20% भाग है।[10] मंगल सहित अन्य ग्रहों पर भी इसका पता लगाया गया है, जिसका खगोल जीव विज्ञान अनुसंधान के लिए निहितार्थ है।[11]

गुण और बंधन

मीथेन चार समतुल्य C-H बंधों वाला एक चतुष्फलकीय अणु हैं। इसकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना को C और H पर संयोजी कक्षक के अतिव्यापन से उत्पन्न चार बंधन आणविक कक्षक (MOs) द्वारा वर्णित किया गया है। निम्नतम-ऊर्जा MO, कार्बन पर 2s कक्षक के कलाबद्ध संयोजन के साथ अतिव्यापन का परिणाम है। चार हाइड्रोजन परमाणुओं पर 1s कक्षक। इस ऊर्जा स्तर के ऊपर MOs का एक तिगुना अपह्रासित सेट है जिसमें हाइड्रोजन पर 1s कक्षक के विभिन्न रैखिक संयोजनों के साथ कार्बन पर 2p कक्षक का अतिव्यापन सम्मिलित होता है। परिणामस्वरूप "थ्री-ओवर-वन" बंधन योजना प्रकाशिक इलेक्ट्रॉन (फोटोइलेक्ट्रॉन) स्पेक्ट्रोस्कोपिक मापन के अनुरूप है।

मीथेन एक गंधहीन गैस है और रंगहीन प्रतीत होती है।[12] यह विशेष रूप से अधिस्वरक (ओवरटोन) बैंड के कारण वर्णक्रम (स्पेक्ट्रम) के लाल सिरे पर दृश्य प्रकाश को अवशोषित करता है, परन्तु प्रभाव केवल तभी देखने योग्य होता है जब प्रकाश पथ बहुत लंबा होता है। यही वह है जो यूरेनस और नेपच्यून को उनके नीले या नीले-हरे रंग प्रदान करता है, क्योंकि प्रकाश मीथेन युक्त उनके वातावरण से होकर गुजरता है और फिर पुनः बाहर प्रकीर्णित हो जाता है।[13]

घरों में उपयोग की जाने वाली प्राकृतिक गैस की परिचित गंध एक सुरक्षा उपाय के रूप में सामान्यतः टर्ट-ब्यूटाइलथिओल युक्त गंधक के अतिरिक्त प्राप्त होती है। एक ऐट्मोस्फियर के दाब में मीथेन का क्वथनांक -161.5 °C होता है।[3] एक गैस के रूप में, यह मानक दाब पर वायु में सांद्रता (5.4-17%) की एक सीमा पर ज्वलनशील होता है।

ठोस मीथेन कई उपांतरणों में विद्यमान है। वर्तमान में नौ उपांतरण ज्ञात हैं।[14] सामान्य दाब पर मीथेन को ठंडा करने से मीथेन I बनता है। यह पदार्थ घन प्रणाली (समष्टि समूह Fm3m) में क्रिस्टलीकृत होता है। मीथेन I में हाइड्रोजन परमाणुओं की स्थिति निश्चित नहीं होती है, अर्थात मीथेन के अणु मुक्त रूप से घूर्णन कर सकते हैं। अतः, यह एक प्लास्टिक का क्रिस्टल है।[15]

रासायनिक अभिक्रियाएं

मीथेन की प्राथमिक रासायनिक अभिक्रियाएं दहन, सिनगैस का स्टीम रेफोर्मिंग और हैलोजनीकरण हैं। सामान्यतः, मीथेन अभिक्रियाओं को नियंत्रित करना कठिन होता है।

चयनात्मक ऑक्सीकरण

मीथेन से मेथनॉल का आंशिक ऑक्सीकरण, एक अधिक सुविधाजनक, तरल ईंधन, चुनौतीपूर्ण है क्योंकि ऑक्सीजन की अपर्याप्त आपूर्ति के साथ अभिक्रिया सामान्यतः कार्बन डाइआक्साइड और पानी के सभी तरह से आगे बढ़ती है। एंजाइम मीथेन मोनोऑक्सीजिनेज, मीथेन से मेथनॉल का उत्पादन करता है, परन्तु इसका उपयोग औद्योगिक पैमाने पर होने वाली अभिक्रियाओं के लिए नहीं किया जा सकता है।[16] कुछ सजातीय उत्प्रेरित प्रणालियों और विषम प्रणालियों का विकास किया गया है, परन्तु सभी में महत्वपूर्ण कमियां हैं। ये सामान्यतः संरक्षित उत्पादों को उत्पन्न करके संचालित होते हैं जो अधिक ऑक्सीकरण से सुरक्षित होते हैं। उदाहरणों में कैटालिटिका प्रणाली, कॉपर जिओलाइट्स, और आयरन जिओलाइट्स सम्मिलित हैं जो अल्फा-ऑक्सीजन सक्रिय साइट को स्थिर करते हैं।[17]

जीवाणुओं का एक समूह ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में ऑक्सीडेंट के रूप में नाइट्राइट के साथ मीथेन ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित करता है, जिससे मीथेन के तथाकथित अवायवीय ऑक्सीकरण की उत्पत्ति होती है।[18]

अम्ल–क्षार अभिक्रियाएं

अन्य हाइड्रोकार्बन की तरह, मीथेन एक अत्यधिक दुर्बल अम्ल होता है। डीएमएसओ में इसका pka 56 अनुमानित किया गया है।[19] इसे विलयन में अवक्षेपित नहीं किया जा सकता है, परन्तु संयुग्मी क्षार को मिथाइललिथियम जैसे रूपों में जाना जाता है।

मीथेन से प्राप्त विभिन्न प्रकार के धनात्मक आयन प्रेक्षित किए गए हैं, जो अधिकतर कम दाब वाले गैस मिश्रण में अस्थिर प्रजातियों के रूप में उपस्थित होते हैं। इनमें मीथेनियम या मिथाइल धनायन CH+
3, मीथेन धनायन CH+
4, और मेथेनियम या प्रोटोनेटेड मीथेन CH+
5 सम्मिलित हैं। इनमें से कुछ को बाह्य कक्षक में पाए जाते है। मीथेनियम को सुपर-अम्लों के साथ मीथेन से तनुकृत विलयन के रूप में भी उत्पादित किया जा सकता है। CH2+
6 और CH3+
7 जैसे उच्च आवेश वाले धनायनों का सैद्धांतिक रूप से अध्ययन किया गया है और स्थिर होने का अनुमान लगाया गया है।[20]

इसके C–H बंध की प्रबलता होने पर भी, उत्प्रेरकों में गहन रुचि है जो मीथेन (और अन्य कम संख्या वाले एल्केन्स) में C–H बंध सक्रियण की सुगमता प्रदान करते हैं।[21]

दहन

A young woman holding a flame in her hands
मीथेन बुलबुले को बिना चोट के गीले हाथ पर जलाया जा सकता है।

मीथेन के दहन की ऊष्मा 55.5 MJ/kg है।[22] मीथेन का दहन एक बहुचरणीय अभिक्रिया है जिसका सार संक्षेप इस प्रकार है:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (ΔH = −891 k J/mol, मानक परिस्थितियों में)

पीटर्स चार चरण रसायन शास्त्र व्यवस्थित रूप से न्यूनीकृत किया गया चार-चरण रसायन है जो मीथेन के दहन की व्याख्या करता है।

मीथेन मूलक (रैडिकल) अभिक्रियाएं

उपयुक्त परिस्थितियों को देखते हुए, मीथेन हैलोजन मूलकों के साथ निम्नानुसार अभिक्रिया करता है:

X• + CH4 → HX + CH3•
CH3• + X2 → CH3X + X•

जहाँ X हैलोजन है: फ्लोरीन (F), क्लोरीन (Cl), ब्रोमिन (Br), या आयोडीन (I)। इस प्रक्रिया के लिए इस तंत्र को मुक्त मूलक हैलोजनीकरण कहा जाता है। यह तब शुरू होता है जब यूवी प्रकाश या कुछ अन्य मूलक आरंभकर्ता (जैसे पेरोक्साइड) हलोजन परमाणु का उत्पादन करते हैं। दो-चरण श्रृंखला अभिक्रिया होती है जिसमें हैलोजन परमाणु एक मीथेन अणु से एक हाइड्रोजन परमाणु को अलग कर लेता है, जिसके परिणामस्वरूप एक हाइड्रोजन हलाइड अणु और एक मिथाइल मूलक (CH3•) बनता है। इसके बाद मिथाइल मूलक हैलोजन के एक अणु के साथ अभिक्रिया करके हैलोमीथेन का एक अणु बनाता है, जिसमें उपोत्पाद के रूप में एक नया हैलोजन परमाणु होता है।[23] हैलोजेनेटेड उत्पाद पर इसी तरह की अभिक्रियाएं हो सकती हैं, जिससे अभिक्रिया की स्थिति और हैलोजन-से-मीथेन अनुपात के क्षार पर डायहलोमीथेन, ट्राइहेलोमेथेन और अंततः टेट्राहैलोमीथेन संरचनाओं के साथ हैलोजन परमाणुओं द्वारा अतिरिक्त हाइड्रोजन परमाणुओं के प्रतिस्थापन की ओर अग्रसर होता है।

उपयोग

मीथेन का उपयोग औद्योगिक रासायनिक प्रक्रियाओं में किया जाता है और इसे प्रशीतित तरल (तरलीकृत प्राकृतिक गैस, या एलएनजी) के रूप में ले जाया जा सकता है। जबकि एक प्रशीतित तरल कंटेनर से रिसाव शुरू में ठंडी गैस के बढ़ते घनत्व के कारण वायु से भारी होता है, परिवेश के तापमान पर गैस वायु की तुलना में हल्की होती है। गैस पाइपलाइनें बड़ी मात्रा में प्राकृतिक गैस वितरित करती हैं, जिनमें से मीथेन प्रमुख घटक है।

ईंधन

मीथेन का उपयोग ओवन, घरों, जल ऊष्मक, भट्टों, ऑटोमोबाइल,[24][25] टर्बाइन आदि के लिए ईंधन के रूप में किया जाता है। सक्रिय कार्बन का उपयोग मीथेन को संगृहीत करने के लिए किया जाता है। परिष्कृत तरल मीथेन का उपयोग रॉकेट ईंधन के रूप में किया जाता है,[26] जब इसे तरल ऑक्सीजन के साथ जोड़ा जाता है, जैसा कि बीई-4 और रैप्टर इंजनों में होता है।[27]

प्राकृतिक गैस के प्रमुख घटक के रूप में, गैस टर्बाइन या भाप जनित्र में ईंधन के रूप में मीथेन के दहन से, विद्युत् उत्पादन के लिए महत्वपूर्ण है। अन्य हाइड्रोकार्बन ईंधन की तुलना में, मीथेन कम कार्बन डाइऑक्साइड का उत्पादन के लिए ऊष्मा की प्रत्येक इकाई मुक्त करता है। लगभग 891 kJ/mol पर, मीथेन की दहन की ऊष्मा किसी भी अन्य हाइड्रोकार्बन की तुलना में कम है, परन्तु दहन की ऊष्मा (891 kJ/mol) का आणविक द्रव्यमान (16.0 g/mol, जिसमें से 12.0 g/mol कार्बन है) से अनुपात दर्शाता है कि मीथेन, सबसे सरल हाइड्रोकार्बन होने के नाते, उत्पन्न करता है। अन्य जटिल हाइड्रोकार्बन की तुलना में प्रति द्रव्यमान इकाई अधिक ताप (55.7 kJ/g)। कई शहरों में घरों को गर्म करने और खाना पकाने के लिए घरों में मीथेन पाइप के जरिए पहुंचाई जाती है। इस संदर्भ में इसे सामान्यतः प्राकृतिक गैस के रूप में जाना जाता है, जिसमें 39 मेगाजूल प्रति घन मीटर या 1,000 बीटीयू प्रति मानक घन फुट की ऊर्जा सामग्री होती है। तरलीकृत प्राकृतिक गैस (एलएनजी) मुख्य रूप से मीथेन (CH4) है जिसे भंडारण या परिवहन में आसानी के लिए तरल रूप में परिवर्तित किया जाता है।

तरल रॉकेट ईंधन के रूप में, मीथेन छोटे निकास अणुओं के उत्पादन के मिटटी तेल से अधिक लाभ प्रदान करता है। यह रॉकेट मोटर्स के आंतरिक भागों पर कम कालिख जमा करता है, जिससे बूस्टर पुन: उपयोग की कठिनाई कम हो जाती है। निकास का कम आणविक भार भी ऊष्मा ऊर्जा के अंश को बढ़ाता है जो प्रणोदन के लिए उपलब्ध गतिज ऊर्जा के रूप में होता है, जिससे रॉकेट का विशिष्ट आवेग बढ़ता है। तरल मीथेन की एक तापमान सीमा (91-112 K) भी होती है जो लगभग तरल ऑक्सीजन (54-90 K) के अनुकूल होती है।

रासायनिक फीडस्टॉक

प्राकृतिक गैस, जो अधिकतर मीथेन से बनी होती है, का उपयोग औद्योगिक पैमाने पर हाइड्रोजन गैस बनाने के लिए किया जाता है। भाप मीथेन सुधार (एसएमआर), या केवल भाप सुधार के रूप में जाना जाता है, वाणिज्यिक बल्क हाइड्रोजन गैस के उत्पादन की मानक औद्योगिक विधि है। दुनिया भर में (2013) सालाना 50 मिलियन मीट्रिक टन से अधिक का उत्पादन होता है, मुख्यतः प्राकृतिक गैस के एसएमआर से।[28] इस हाइड्रोजन का अधिकांश भाग पेट्रोलियम (परिशोधनशालाएँ) (रिफाइनरि) में, रसायनों के उत्पादन में और खाद्य प्रसंस्करण में उपयोग किया जाता है। अमोनिया के औद्योगिक संश्लेषण में हाइड्रोजन की बहुत बड़ी मात्रा का उपयोग किया जाता है।

उच्च तापमान (700-1100 °C) पर और धातु-क्षारित उत्प्रेरक (निकल) की उपस्थिति में, भाप मीथेन के साथ CO और H2 का मिश्रण उत्पन्न करने के लिए अभिक्रिया करता है, जिसे "भाप अंगार गैस" या "सिनगैस" कहा जाता है:

CH4 + H2O ⇌ CO + 3 H2

यह अभिक्रिया प्रभावशाली रूप से ऊष्माशोषी है (ऊष्मा क्षय होता है, ΔHr = 206 kJ/mol)। जल-गैस शिफ्ट अभिक्रिया के माध्यम से पानी के साथ CO की अभिक्रिया से अतिरिक्त हाइड्रोजन प्राप्त होता है:

CO + H2O ⇌ CO2 + H2

यह अभिक्रिया हल्की ऊष्माक्षेपी है (गर्मी पैदा करती है, ΔHr = -41 kJ/mol)।

मीथेन भी क्लोरोमीथेन के उत्पादन में मुक्त-मूलक क्लोरीनीकरण के अधीन है, हालांकि मेथनॉल एक अधिक विशिष्ट अग्रदूत है।[29]

मीथेन के प्रत्यक्ष अपघटन के माध्यम से भी हाइड्रोजन का उत्पादन किया जा सकता है, जिसे मीथेन पायरोलिसिस के रूप में भी जाना जाता है। मीथेन अपघटन कम-उत्सर्जन हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एक आशाजनक मार्ग है क्योंकि भाप मीथेन सुधार के विपरीत कोई प्रत्यक्ष कार्बन उत्सर्जन उत्पन्न नहीं होता है। हाइड्रोजन गैस और ठोस कार्बन का उत्पादन करने के लिए मीथेन के बंधनों को तोड़ने के लिए 1200 °C से अधिक तापमान की आवश्यकता होती है। हालांकि, उपयुक्त उत्प्रेरक के उपयोग के माध्यम से अभिक्रिया तापमान को चुने गए उत्प्रेरक के क्षार पर 600 °C - 1000 °C के बीच कम किया जा सकता है।[30] जैसा कि नीचे दिए गए अभिक्रिया समीकरण में दिखाया गया है, यह अभिक्रिया सामान्य रूप से एंडोथर्मिक है।[31]

CH4(g) → C(s) + 2 H2(g) ΔH° = 74.8 kJ/mol

उत्पादन

भूवैज्ञानिक मार्ग

See also: जैवभूरसायन

भूगर्भीय मीथेन उत्पादन के लिए दो मुख्य मार्ग हैं (i) कार्बनिक (तापीय रूप से उत्पन्न, या ऊष्मोत्पादक (थर्मोजेनिक)) और (ii) अकार्बनिक (अजैविक)।[11] ऊष्मोत्पादक मीथेन ऊंचे तापमान पर कार्बनिक पदार्थों के टूटने और गहरे तलछटी स्तरों में दाब के कारण होता है। तलछटी घाटियों में अधिकांश मीथेन तापजनित होती है; इसलिए, प्राकृतिक गैस का सबसे महत्वपूर्ण स्रोत ऊष्मोत्पादक मीथेन है। ऊष्मोत्पादक मीथेन घटकों को सामान्यतः अवशेष माना जाता है (पहले के समय से)। सामान्यतः, ऊष्मोत्पादक मीथेन (गहराई पर) का गठन कार्बनिक पदार्थ के टूटने या कार्बनिक संश्लेषण के माध्यम से हो सकता है। दोनों तरीकों में सूक्ष्मजीव (मेथेनोजेनेसिस) सम्मिलित हो सकते हैं, परन्तु यह अकार्बनिक रूप से भी हो सकते हैं। इसमें सम्मिलित प्रक्रियाएं सूक्ष्मजीवों के साथ और उनके बिना भी मीथेन का उपभोग कर सकती हैं।

गहराई पर मीथेन का अधिक महत्वपूर्ण स्रोत (क्रिस्टलीय आधारशिला) अजैविक है। अजैविक का अर्थ है कि मीथेन जैविक गतिविधि के बिना अकार्बनिक यौगिकों से बनाया जाता है, या तो मैगमैटिक प्रक्रियाओं के माध्यम से या वॉटर-रॉक अभिक्रियाओं के माध्यम से जो कम तापमान और दाबों पर होता है, जैसे कि सर्पेंटिनाइजेशन।[32][33]

जैविक मार्ग

Main article: मेथानोजेनेसिस

पृथ्वी का अधिकांश मीथेन जीव-जनित (बायोजेनिक) है और मेथेनोजेनेसिस द्वारा निर्मित होता है,[34][35] अवायवीय श्वसन का एक रूप जिसे केवल आर्किया डोमेन के कुछ सदस्यों द्वारा संचालित करने के लिए जाना जाता है।[36] मेथनोगेंस भराव क्षेत्र (लैंडफिल) और अन्य मिट्टी,[37] जुगाली (रूमिनेंट) करने वाले जानवरों (उदाहरण के लिए, मवेशी),[38] दीमक की हिम्मत, और समुद्र तल के नीचे और झीलों के नीचे अनॉक्सी अवसादों स्थान घेर लेते हैं। चावल के खेत पौधों के विकास के दौरान बड़ी मात्रा में मीथेन भी उत्पन्न करते हैं।[39] इन सूक्ष्मजीवों द्वारा इस बहुचरण प्रक्रिया का उपयोग ऊर्जा के लिए किया जाता है। मेथनोजेनेसिस की कुल अभिक्रिया है:

CO2 + 4H2→ CH4 + 2 H2O

प्रक्रिया में अंतिम चरण एंजाइम मिथाइल कोएंजाइम एम रिडक्टेस (एमसीआर) द्वारा उत्प्रेरित होता है।[40]

एक्सहेल्ड मीथेन उत्पादन के लिए ऑस्ट्रेलियाई भेड़ का परीक्षण (2001), सीएसआईआरओ
यह छवि एक जुगाली करने वाली, विशेष रूप से एक भेड़ का प्रतिनिधित्व करती है, जो हाइड्रोलिसिस, अम्लोजेनेसिस, एसिटोजेनेसिस और मेथनोजेनेसिस के चार चरणों में मीथेन का उत्पादन करती है।

जुगाली

जुगाली करने वाले जानवर, जैसे कि मवेशी, बेल्च मीथेन, अमेरिका के वातावरण में वार्षिक मीथेन उत्सर्जन का लगभग 22% भाग हैं।[41] एक अध्ययन में बताया गया है कि सामान्य रूप से पशुधन क्षेत्र (मुख्य रूप से मवेशी, मुर्गियां और सूअर) सभी मानव-प्रेरित मीथेन का 37% उत्पादन करते हैं।[42] 2013 के एक अध्ययन में अनुमान लगाया गया है कि पशुधन मानव-प्रेरित मीथेन के 44% और मानव-प्रेरित ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन के लगभग 15% के लिए जिम्मेदार है।[43] पशुधन मीथेन उत्पादन को कम करने के लिए कई प्रयास चल रहे हैं, जैसे चिकित्सा उपचार और आहार समायोजन,[44][45] और इसकी दहन ऊर्जा का उपयोग करने के लिए गैस को फंसाने के लिए।[46]

समुद्रतल तलछट

अधिकांश उप-समुद्र तल अनॉक्सी है क्योंकि तलछट के पहले कुछ सेंटीमीटर के भीतर ऑक्सी सूक्ष्मजीवों द्वारा ऑक्सीजन को हटा दिया जाता है। ऑक्सीजन से भरपूर समुद्र तल के नीचे, मीथेनोजेन्स मीथेन का उत्पादन करते हैं जो या तो अन्य जीवों द्वारा उपयोग किया जाता है या गैस हाइड्रेट में फंस जाता है।[36] ऊर्जा के लिए मीथेन का उपयोग करने वाले इन अन्य जीवों को मीथेनोट्रॉफ़्स ('मीथेन-ईटिंग') के रूप में जाना जाता है, और मुख्य कारण है कि गहराई पर उत्पन्न मीथेन समुद्र की सतह तक बहुत कम पहुंचती है।[36] आर्किया और बैक्टीरिया के संकाय को मीथेन (एओएम) के एनारोबिक ऑक्सीकरण के माध्यम से मीथेन को ऑक्सीकरण करने के लिए पाया गया है; इसके लिए जिम्मेदार जीव एनारोबिक मेथेनोट्रोफिक आर्किया (एएनएमई) और सल्फेट कम करने वाले जीवाणु (एसआरबी) हैं।[47]

औद्योगिक मार्ग

यह चित्र स्थायी रूप से मीथेन के उत्पादन के लिए एक विधि दिखाता है। देखें: इलेक्ट्रोलिसिस, सबेटियर प्रतिक्रिया

प्राकृतिक गैस में इसकी सस्ती प्रचुरता को देखते हुए औद्योगिक रूप से मीथेन का उत्पादन करने के लिए बहुत कम प्रोत्साहन मिलता है। सबेटियर प्रक्रिया के माध्यम से कार्बन डाइऑक्साइड को हाइड्रोजनीकरण करके मीथेन का उत्पादन किया जा सकता है। मीथेन फिशर-ट्रॉप्स प्रक्रिया में कार्बन मोनोऑक्साइड के हाइड्रोजनीकरण का एक अतिरिक्त उत्पाद भी है, जो मीथेन की तुलना में लंबी-श्रृंखला अणुओं का उत्पादन करने के लिए बड़े पैमाने पर अभ्यास किया जाता है।

बड़े पैमाने पर कोयला-से-मीथेन गैसीकरण का एक उदाहरण ग्रेट प्लेन्स सिनफ्यूल्स प्लांट है, जो 1984 में बेउला, नॉर्थ डकोटा में निम्न-श्रेणी के लिग्नाइट के प्रचुर स्थानीय संसाधनों को विकसित करने के तरीके के रूप में शुरू हुआ था, एक ऐसा संसाधन जिसका वजन, राख की मात्रा, कम कैलोरी मान और भंडारण और परिवहन के दौरान सहज दहन की प्रवृत्ति के लिए परिवहन करना अन्यथा कठिन है। दुनिया भर में इसी तरह के कई पौधे मौजूद हैं, हालांकि अधिकतर इन पौधों को अन्य प्रक्रियाओं के लिए गैसोलीन, डीजल या फीडस्टॉक के रूप में उपयोग करने के लिए लंबी श्रृंखला वाले एल्केन्स के उत्पादन के लिए लक्षित किया जाता है।

मीथेन से विद्युत एक ऐसी तकनीक है जो विद्युत् अपघटन द्वारा पानी से हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए विद्युत शक्ति का उपयोग करती है और मीथेन का उत्पादन करने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड के साथ हाइड्रोजन को संयोजित करने के लिए सबैटियर अभिक्रिया का उपयोग करती है। 2021 तक, यह अधिकतर विकास के अधीन है और बड़े पैमाने पर उपयोग में नहीं है। सैद्धांतिक रूप से, इस प्रक्रिया का उपयोग अत्यधिक उतार-चढ़ाव वाली पवन टर्बाइनों और सौर सरणियों द्वारा उत्पन्न अतिरिक्त और ऑफ-पीक पावर के लिए बफर के रूप में किया जा सकता है। हालांकि, चूंकि वर्तमान में विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए बिजली संयंत्रों (जैसे सीसीजीटी) में बहुत बड़ी मात्रा में प्राकृतिक गैस का उपयोग किया जाता है, दक्षता में नुकसान स्वीकार्य नहीं हैं।

प्रयोगशाला संश्लेषण

मीथेन का उत्पादन मिथाइल लिथियम या मिथाइल ग्रिगनार्ड अभिकर्मक जैसे मिथाइलमैग्नीशियम क्लोराइड के प्रोटॉन द्वारा किया जा सकता है। इसे निर्जल सोडियम एसीटेट और सूखे सोडियम हाइड्रॉक्साइड से भी बनाया जा सकता है, मिश्रित और 300 °C से ऊपर गरम किया जा सकता है (सोडियम कार्बोनेट के साथ उपोत्पाद के रूप में)।[citation needed] व्यवहार में, शुद्ध मीथेन की आवश्यकता मानक गैस आपूर्तिकर्ताओं से स्टील गैस की बोतल से आसानी से पूरी की जा सकती है।

घटना

मीथेन की खोज और 1776 और 1778 के बीच एलेसेंड्रो वोल्टा द्वारा मैगीगोर झील से मार्श गैस का अध्ययन करते समय पृथक किया गया था। यह प्राकृतिक गैस का प्रमुख घटक है, जो मात्रा के हिसाब से लगभग 87% है। मीथेन का प्रमुख स्रोत प्राकृतिक गैस क्षेत्रों के रूप में जाने जाने वाले भूगर्भीय निक्षेपों से निष्कर्षण है, कोयला सीम गैस निष्कर्षण एक प्रमुख स्रोत (कोयला बेड मीथेन एक्सट्रैक्शन देखें, कोल डिपॉजिट से मीथेन निकालने की एक विधि, जबकि बढ़ी हुई कोल बेड मीथेन रिकवरी नॉन-मिनेबल कोल सीम से मीथेन को रिकवर करने की एक विधि है।) बन रहा है। यह अन्य हाइड्रोकार्बन ईंधन से जुड़ा है, और कभी-कभी हीलियम और नाइट्रोजन के साथ। मीथेन कार्बनिक पदार्थों के अवायवीय क्षय और पृथ्वी की सतह के नीचे गहरे से मीथेन के पुनर्चक्रण द्वारा उथले स्तरों (कम दाब) पर निर्मित होता है। सामान्यतः, प्राकृतिक गैस उत्पन्न करने वाले तलछट तेल वाले तलछट की तुलना में अधिक गहरे और उच्च तापमान पर दब जाते हैं।

मीथेन को सामान्यतः पाइपलाइन द्वारा अपने प्राकृतिक गैस के रूप में, या एलएनजी वाहकों द्वारा अपने तरलीकृत रूप में थोक में ले जाया जाता है; कुछ देश इसे ट्रक द्वारा परिवहन करते हैं।

वायुमंडलीय मीथेन

Main article: वायुमंडलीय मीथेन
मीथेन (CH4) दुनिया भर के स्टेशनों पर निचले वायुमंडल (क्षोभमंडल) में उन्नत वैश्विक वायुमंडलीय गैस प्रयोग (एजीएजीई) द्वारा मापा जाता है। भाग-प्रति-अरब में बहुतायत को प्रदूषण मुक्त मासिक माध्य तिल अंश के रूप में दिया जाता है।

2010 में, आर्कटिक में मीथेन का स्तर 1850 nmol/mol मापा गया था। यह स्तर पिछले 400,000 वर्षों में किसी भी समय के दोगुने से अधिक है। दुनिया के वायुमंडल में ऐतिहासिक मीथेन सांद्रता हिम युगों के दौरान 300 और 400 एनएमओएल/एमओएल के बीच होती है, जिसे सामान्यतः हिम युग के रूप में जाना जाता है, और गर्म अंतराल अवधि के दौरान 600 और 700 एनएमओएल/एमओएल के बीच होता है। पृथ्वी के महासागर आर्कटिक मीथेन के एक संभावित महत्वपूर्ण स्रोत हैं।[48]

मीथेन एक महत्वपूर्ण ग्रीनहाउस गैस है जिसकी 100 साल की अवधि में सीओ2 (1 की क्षमता) की तुलना में 34 की ग्लोबल वार्मिंग क्षमता है, और 20 साल की अवधि में 72 है।[49][50]

1750 के बाद से पृथ्वी के वायुमंडलीय मीथेन की सघनता में लगभग 150% की वृद्धि हुई है, और यह सभी लंबे समय तक रहने वाले और विश्व स्तर पर मिश्रित ग्रीनहाउस गैसों से कुल विकिरणकारी बल का 20% भाग है। आईपीसीसी का एआर6 कहता है: "लगभग 1750 के बाद से अच्छी तरह से मिश्रित ग्रीनहाउस गैस (जीएचजी) सांद्रता में देखी गई वृद्धि स्पष्ट रूप से मानव गतिविधियों के कारण होती है। 2011 के बाद से (एआर5 में रिपोर्ट की गई माप), वातावरण में सांद्रता में वृद्धि जारी है, वार्षिक तक पहुंच रही है 2019 में कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) के लिए 410 पीपीएम, मीथेन (CH4) के लिए 1866 पीपीबी और नाइट्रस ऑक्साइड (N2O) के लिए 332 पीपीबी का औसत रहा। (…) 2019 में, वायुमंडलीय CO2 सांद्रता कम से कम 2 मिलियन वर्षों (उच्च आत्मविश्वास) में किसी भी समय से अधिक थी, और CH4 और N2O की सांद्रता कम से कम 800,000 वर्षों (बहुत उच्च आत्मविश्वास) में किसी भी समय से अधिक थी।1750 के बाद से, CO2 (47%) और CH4 (156%) सांद्रता में वृद्धि हुई है, और N2O (23%) में वृद्धि, कम से कम पिछले 800,000 वर्षों (बहुत उच्च आत्मविश्वास) के दौरान हिमनदों और अंतरालीय अवधियों के बीच प्राकृतिक बहु-सहस्राब्दी परिवर्तनों के समान है।[10]

2015 से 2019 तक वायुमंडलीय मीथेन के स्तर में तेजी से वृद्धि अभिलिखित है।[51][52] फरवरी 2020 में, यह बताया गया था कि जीवाश्म ईंधन उद्योग से अस्थायी उत्सर्जन और गैस के निकास को काफी कम करके आंका जा सकता है।[53]

जलवायु परिवर्तन अभिक्रिया बनाने, प्राकृतिक पारिस्थितिक तंत्र में मीथेन उत्पादन को बढ़ाकर वायुमंडलीय मीथेन के स्तर में वृद्धि कर सकता है।[36][54] मीथेन उत्सर्जन में वृद्धि के लिए एक और व्याख्या रासायनिक अभिक्रिया की धीमी गति हो सकती है जो वातावरण से मीथेन को हटाती है।[55]

क्लेथ्रेट्स

मीथेन क्लैथ्रेट्स (मीथेन हाइड्रेट्स के रूप में भी जाना जाता है) पानी के अणुओं के ठोस ढाँचे होते हैं जो मीथेन के एकल अणुओं को ट्रैप करते हैं। मीथेन क्लैथ्रेट्स के महत्वपूर्ण जलाशय आर्कटिक परमाफ्रॉस्ट में पाए गए हैं और गैस क्लैथ्रेट स्थिरता क्षेत्र के भीतर समुद्र तल के नीचे महाद्वीपीय मार्जिन के साथ, उच्च दाब (1 से 100 MPa; निचले सिरे पर कम तापमान की आवश्यकता होती है) और कम तापमान (<15 °C) पर स्थित है। ;ऊपरी छोर को उच्च दाब की आवश्यकता होती है)।[56] मीथेन क्लैथ्रेट्स जीव-जनित मीथेन, ऊष्मोत्पादक मीथेन या दोनों के मिश्रण से बन सकता है। ये भंडार मीथेन ईंधन के एक संभावित स्रोत के साथ-साथ ग्लोबल वार्मिंग के लिए एक संभावित योगदानकर्ता हैं।[57][58] गैस क्लैथ्रेट्स में संग्रहीत कार्बन का वैश्विक द्रव्यमान अभी भी अनिश्चित है और इसे 12,500 Gt कार्बन के रूप में उच्च और 500 Gt कार्बन जितना कम होने का अनुमान लगाया गया है।[59] ~1800 जीटी कार्बन के सबसे हाल के अनुमान के साथ अनुमान समय के साथ कम होता गया है।[60] इस अनिश्चितता का एक बड़ा भाग मीथेन के स्रोतों और सिंक में हमारे ज्ञान अंतर और वैश्विक स्तर पर मीथेन क्लैथ्रेट्स के वितरण के कारण है। उदाहरण के लिए, मीथेन का एक स्रोत अपेक्षाकृत हाल ही में आर्कटिक में अति धीमी गति से फैलने वाले रिज में खोजा गया था।[61] कुछ जलवायु मॉडल सुझाव देते हैं कि समुद्र तल से आज का मीथेन उत्सर्जन शासन लगभग 55.5 मिलियन वर्ष पहले पेलियोसीन-इओसीन थर्मल मैक्सिमम (पीईटीएम) की अवधि के समान ही है, हालांकि ऐसा कोई डेटा नहीं है जो इंगित करता हो कि क्लैथ्रेट पृथक्करण से मीथेन वर्तमान में वायुमंडल में पहुंचता है।[62] पर्माफ्रॉस्ट और सीफ्लोर मीथेन क्लैथ्रेट्स से आर्कटिक मीथेन रिलीज़ एक संभावित परिणाम है और ग्लोबल वार्मिंग का आगे का कारण है; यह क्लैथरेट गन परिकल्पना के रूप में जाना जाता है।[63][64][65][66] 2016 के डेटा से संकेत मिलता है कि आर्कटिक परमाफ्रॉस्ट भविष्यवाणी की तुलना में तेज़ी से पिघलता है।[67]

बहिःपार्थिव मीथेन

Main article: बहिःपार्थिव वातावरण

अन्तरातारकीय (इंटरस्टेलर) माध्यम

मीथेन सौर मंडल के कई भागो में प्रचुर मात्रा में है और संभावित रूप से किसी अन्य सौर-प्रणाली निकाय की सतह पर काटा जा सकता है (विशेष रूप से, मंगल ग्रह[68] या टाइटन पर पाए जाने वाले स्थानीय सामग्रियों से मीथेन उत्पादन का उपयोग करके), प्रतिगम यात्रा के लिए ईंधन प्रदान करता है।[26][69]

मंगल

सौर मंडल के सभी ग्रहों और अधिकांश बड़े उपग्रहों पर मीथेन का पता लगाया गया है।[citation needed] मंगल के संभावित अपवाद के साथ, यह अजैविक प्रक्रियाओं से आया माना जाता है।[70][71]

मंगल ग्रह पर मीथेन (CH4) - संभावित स्रोत और सिंक

क्यूरोसिटी रोवर ने मंगल पर मंगल के स्तर के वातावरण के मौसमी उच्चावचन का प्रमाण प्रस्तुत किया गया है। यह उच्चावचन मंगल ग्रह सबंधी गर्मियों के अंत में 0.6 भाग प्रति बिलियन पर पहुंच गए।[72][73][74][75][76][77][78][79]

सीटू संसाधन उपयोग द्वारा ग्रह पर इसे संश्लेषित करने की संभावना के कारण भविष्य के मंगल मिशनों पर मीथेन को एक संभावित रॉकेट प्रणोदक के रूप में प्रस्तावित किया गया है।[80] मंगल ग्रह पर उपलब्ध कच्चे माल से मीथेन का उत्पादन करने के लिए एक मिश्रित उत्प्रेरक बिस्तर और एक रिएक्टर में रिवर्स वॉटर-गैस शिफ्ट के साथ सबेटियर मीथेनेशन अभिक्रिया का उपयोग किया जा सकता है, मंगल ग्रह के वातावरण में कार्बन डाइऑक्साइड और मंगल ग्रह की उपभूमि से पानी का उपयोग किया जा सकता है।[68]

मीथेन का उत्पादन एक गैर-जैविक प्रक्रिया द्वारा किया जा सकता है जिसे सर्पेंटिनाइजेशन[lower-alpha 1] कहा जाता है, जिसमें पानी, कार्बन डाइऑक्साइड और खनिज ओलिविन सम्मिलित होते हैं, जो मंगल ग्रह पर आम है।[81]

इतिहास

नवंबर 1776 में, मीथेन को पहली बार वैज्ञानिक रूप से इटैलियन भौतिक विज्ञानी एलेसेंड्रो वोल्टा ने इटली और स्विटजरलैंड में फैले मैगीगोर झील के दलदल में पहचाना था। "ज्वलनशील वायु" के बारे में बेंजामिन फ्रैंकलिन द्वारा लिखे गए एक पेपर को पढ़ने के बाद वोल्टा को पदार्थ की खोज करने की प्रेरणा मिली।[82] वोल्टा ने दलदल से उठने वाली गैस को एकत्र किया, और 1778 तक शुद्ध मीथेन को अलग कर लिया था।[83] उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि बिजली की चिंगारी से गैस को जलाया जा सकता है।[83]

1812 की फेलिंग माइन आपदा के बाद, जिसमें 92 लोग मारे गए, सर हम्फ्री डेवी ने स्थापित किया कि भयभीत फायरडैम्प वास्तव में काफी हद तक मीथेन था।[84]

"मीथेन" नाम 1866 में जर्मन रसायनशास्त्री ऑगस्ट विल्हेम वॉन हॉफमैन द्वारा गढ़ा गया था।[85][86] नाम मेथनॉल से प्राप्त किया गया था।

व्युत्पत्ति

व्युत्पन्न रूप से, मीथेन शब्द रासायनिक प्रत्यय "-ane" से बना है, जो एल्केन परिवार से संबंधित पदार्थों को दर्शाता है; और मिथाइल शब्द, जो जर्मन मिथाइल (1840) से या सीधे फ्रेंच मिथाइल से लिया गया है, जो फ्रेंच मिथाइलीन (अंग्रेजी "मेथिलीन" के अनुरूप) से एक सादृश्यमूलक व्युत्पत्ति है, जिसके मूल जीन-बैप्टिस्ट डुमास और यूजीन पेलिगोट द्वारा बनाई गई थी। 1834 ग्रीक μέθυ मेथी (वाइन) (अंग्रेजी "मीड" से संबंधित) और ὕλη hyle (जिसका अर्थ है "लकड़ी") से। मूलक का नाम इसके नाम पर रखा गया है क्योंकि यह पहली बार मेथनॉल में पाया गया था, एक अल्कोहल जिसे पहले लकड़ी के आसवन द्वारा अलग किया गया था। रासायनिक प्रत्यय-ane समन्वय रासायनिक प्रत्यय-ine से है जो लैटिन स्त्री प्रत्यय-ina से है जो सार का प्रतिनिधित्व करने के लिए लागू किया जाता है। 1866 में जर्मन रसायनशास्त्री ऑगस्ट विल्हेम वॉन हॉफमैन (1818-1892) द्वारा "-ane", "-ene", "-one", आदि का समन्वय प्रस्तावित किया गया था।[87]

संक्षिप्तिकरण

संक्षिप्त नाम CH4-C का अर्थ मीथेन के द्रव्यमान में निहित कार्बन के द्रव्यमान से हो सकता है, और मीथेन का द्रव्यमान हमेशा CH4-C के द्रव्यमान का 1.33 गुना होता है।[88][89] CH4-C का अर्थ मीथेन-कार्बन अनुपात भी हो सकता है, जो कि द्रव्यमान के अनुसार 1.33 है।[90] वायुमंडल के पैमाने पर मीथेन को सामान्यतः टेराग्राम (Tg CH4) या लाखों मीट्रिक टन (एमएमटी CH4) में मापा जाता है, जिसका अर्थ एक ही होता है।[91] अन्य मानक इकाइयों का भी उपयोग किया जाता है, जैसे नैनोमोल (एनएमओएल, एक तिल का एक अरबवां भाग), तिल (मोल), किलोग्राम और ग्राम।

सुरक्षा

मीथेन विषाक्त नहीं है, फिर भी यह अत्यधिक ज्वलनशील है और वायु के साथ विस्फोटक मिश्रण बना सकता है। अगर विस्थापन के कारण ऑक्सीजन की मात्रा लगभग 16% से कम हो जाती है, तो मीथेन भी एक श्वासरोधक है, क्योंकि अधिकांश लोग बिना किसी दुष्प्रभाव के 21% से 16% तक की कमी को सहन कर सकते हैं। ज्वलनशील या विस्फोटक मिश्रण में मीथेन की सांद्रता जिस पर श्वासावरोध जोखिम महत्वपूर्ण हो जाता है, 5-15% एकाग्रता से बहुत अधिक है। मीथेन ऑफ-गैस भराव क्षेत्र के पास इमारतों के अंदरूनी भागो में प्रवेश कर सकती है और मीथेन के महत्वपूर्ण स्तर पर रहने वालों को उजागर कर सकती है। कुछ इमारतों में इस गैस को सक्रिय रूप से पकड़ने और इसे इमारत से दूर करने के लिए उनके अधोभवन के नीचे विशेष रूप से इंजीनियर रिकवरी सिस्टम होते हैं।

मीथेन गैस के विस्फोट कई घातक खनन आपदाओं के लिए जिम्मेदार हैं।[92] 5 अप्रैल, 2010 को वेस्ट वर्जीनिया में अपर बिग ब्रांच कोयला खदान आपदा का कारण एक मीथेन गैस विस्फोट था, जिसमें 29 लोगों की मौत हो गई थी।[93] प्राकृतिक गैस आकस्मिक विमोचन भी सुरक्षा अभियांत्रिकी के क्षेत्र में एक प्रमुख फोकस रहा है, पिछले आकस्मिक विमोचन के कारण जो जेट अग्नि आपदाओं के निर्माण में समाप्त हुआ।[94][95]

यह भी देखें

व्याख्यात्मक नोट्स

  1. ↑ कई सर्पेंटिनाइज़ेशन प्रतिक्रियाएँ हैं। ओलिवाइन फोर्सटेराइट और फेयलाइट के बीच एक ठोस घोल है, जिसका सामान्य सूत्र (Fe,Mg)2SiO4 है। ओलीवाइन से मीथेन उत्पन्न करने वाली अभिक्रिया को इस प्रकार लिखा जा सकता है: फोरस्टरीटे + फायलिट + पानी + कार्बोनिक एसिड → सर्पेन्टाइन + मैग्नेटाइट + मीथेन , या (संतुलित रूप में): 18 Mg2SiO4 + 6 Fe2SiO4 + 26 H2O + CO2 → 12 Mg3Si2O5(OH)4 + 4 Fe3O4 + CH4

उद्धरण

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बाहरी संबंध

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