Метанол - удивительное вещество с множеством уникальных химических свойств. Откройте для себя мир реакций и превращений метанола в этой полной энциклопедии.
1. История открытия и получения метанола
Метанол впервые был обнаружен в 1661 году Робертом Бойлем в продуктах сухой перегонки древесины. Однако выделить это вещество в чистом виде удалось лишь в 1834 году французским химикам Жан-Батисту Дюма и Эжен-Мельхиору Пелиго. Они же впервые установили химическую формулу метанола - CH3OH.
Первоначально метанол получали путем сухой перегонки древесины и лигнина. Однако в дальнейшем этот метод утратил промышленное значение. В 1923 году немецкая компания BASF впервые осуществила синтез метанола из оксида углерода и водорода при высоком давлении на цинк-хромовом катализаторе. Этот способ и по сей день остается основным в промышленности.
Крупнейшим мировым производителем метанола является канадская корпорация Methanex с 11 заводами в разных странах. Также крупные мощности по выпуску метанола есть в Китае, Саудовской Аравии и других азиатских странах.
2. Физические и химические свойства метанола
Внешний вид: бесцветная летучая жидкость с резким запахом, напоминающим этиловый спирт.
Физические константы:
- Температура кипения: +64,7°C
- Плотность при 20°C: 0,79 г/см3
- Температура вспышки: +12°C
- Температура замерзания: -98°C
Растворимость: хорошо смешивается с водой, этанолом, диэтиловым эфиром и многими органическими растворителями.
Метанол смешивается во всех отношениях с водой, этиловым спиртом и эфиром; при смешении с водой происходит сжатие и разогревание.
С водой метанол не образует азеотропной смеси, что позволяет разделять водно-метанольные растворы ректификацией.
Взрывоопасность: пары метанола образуют взрывоопасные смеси в воздухе в концентрации 6,7-36,5% по объему.
Токсичность: метанол является сильным ядом, оказывающим вредное воздействие на нервную систему и органы зрения. Доза в 5-10 мл может вызвать тяжелое отравление, 30 мл - смерть.
Химические свойства метанола обусловлены наличием в его молекуле полярной гидроксильной группы -ОН. Эта группа придает метанолу способность вступать в реакции этерификации, окисления, галогенирования и другие. Ниже приведены некоторые важные химические превращения метанола:
- 2CH3OH + O2 = 2HCHO + 2H2O (окисление до формальдегида)
- CH3OH + HCl = CH3Cl + H2O (галогенирование до хлорметана)
- CH3OH + HCOOH = HCOOCH3 + H2O (этерификация с муравьиной к-той)
- 3CH3OH + CO + 2H2 = C2H5OH + 2H2O (гомологизация до этанола)
Реакции окисления и дегидратации метанола широко используются в промышленности для получения формальдегида, диметилового эфира и других соединений.
Химические свойства метанола позволяют применять его в синтезе красителей, лекарств, пластмасс и как исходный материал для многих химических превращений. Однако токсичность метанола требует строгого соблюдения мер предосторожности при работе с ним.
3. Применение метанола
Благодаря своим физико-химическим свойствам метанол находит широкое применение в различных областях:
- Производство формальдегида, красителей и пластмасс
- Использование в качестве растворителя и экстрагента
- Применение в качестве моторного топлива
- Изготовление взрывчатых веществ и ядохимикатов
- Производство биодизельного топлива
- Получение диметилового эфира и других продуктов
Особенно активно метанол стали использовать как моторное топливо, в частности для гоночных автомобилей. По сравнению с бензином метанол обладает более высоким октановым числом и позволяет двигателям работать с большей степенью сжатия.
Кроме того, благодаря высокой теплоте испарения метанол улучшает наполнение цилиндров двигателя топливовоздушной смесью. В итоге мощность двигателя при работе на метаноле повышается на 7-15%.
Перспективным направлением также является использование метанола в топливных элементах, где он окисляется на катализаторе с выделением электроэнергии.
Наиболее крупным потребителем метанола в мире был и остается Китай. Там ежегодно используется более 1 млрд галлонов метанола, в том числе в качестве топлива и компонента топливных смесей.
Химические свойства метанола позволяют получать на его основе множество ценных органических веществ. Однако высокая токсичность метанола требует строгого соблюдения правил безопасности при работе с ним.
4. Безопасное хранение и транспортировка метанола
Из-за высокой токсичности и взрывоопасности метанола к его хранению и транспортировке предъявляются особые требования безопасности.
При работе с метанолом обязательно использование средств индивидуальной защиты - резиновых перчаток, очков, респиратора. Помещения должны быть оборудованы принудительной вентиляцией. Необходим строгий контроль концентрации паров метанола в воздухе рабочей зоны.
Для хранения метанола применяют стальные или пластиковые резервуары. Температура хранения от -40 до +50°С. Резервуары должны располагаться на открытых площадках или в изолированных помещениях, оборудованных приточно-вытяжной вентиляцией.
5. Методы анализа метанола
Для определения концентрации метанола в воздухе, воде и других средах используют различные методы анализа:
- Газохроматографический метод
- Титриметрическое определение
- Метод инфракрасной спектроскопии
- Йодометрическое титрование
Наиболее точным и чувствительным является газохроматографический метод, позволяющий определять содержание метанола на уровне единиц миллиграммов в литре. Для экспресс-анализа применяют экспресс-тесты на базе индикаторных трубок.
6. Токсикология метанола
Метанол оказывает токсическое действие преимущественно на нервную систему и органы зрения. Механизм токсичности связан с накоплением в организме формальдегида и муравьиной кислоты, являющихся метаболитами метанола.
Симптомы острого отравления метанолом:
- Головная боль, головокружение
- Тошнота, рвота
- Покраснение лица
- Судороги, потеря сознания
- Помутнение роговицы, потеря зрения
Для лечения отравлений используют внутривенное введение этанола, который конкурирует с метанолом за ферменты метаболизма. Также назначают антидот фомепизол, связывающий и выводящий из организма токсичные метаболиты метанола.
7. Экологические аспекты применения метанола
Несмотря на высокую токсичность, метанол во многих отношениях является экологически более безопасным топливом по сравнению с традиционным бензином и дизтопливом.
Преимущества метанола:
- Не содержит серы и ароматических углеводородов
- При сгорании выделяет меньше оксидов азота
- Легко разлагается микроорганизмами
Однако при разливах метанол наносит серьезный вред растительности и грунтовым водам. Поэтому необходимо соблюдение жестких экологических регламентов при хранении и транспортировке этого опасного вещества.