خصوصیات کلی متانول (ویژگی ها فیزیکی و شیمیایی پایه)

مقدمه

متانول (که با نام های الکل چوب و متیل الکل نیز شناخته می شود) ساده ترین الکل است و یک ماده شیمیایی صنعتی مهم به شمار می رود که فرمول شیمیایی آن CH3OH می باشد. این ترکیب یک مایع بی رنگ و فرار با بوی نسبتاً شیرین و تند است که یادآور اتانول می باشد. متانول در گذشته الکل چوب نامیده می شد چون زمانی به عنوان محصول جانبی حرارت دادن چوب تولید می شد. این ماده به شدت آتش گیر است و با شعله آبی تقریباً نامرئی می سوزد و برای انسان سمی می باشد. با وجود سمی بودن، متانول به طور گسترده ای در صنایع مختلف به عنوان ماده اولیه، حلال و سوخت استفاده می شود.

ساختار و فرمول شیمیایی متانول

متانول فرمول شیمیایی CH3OH را دارند که نشان دهنده مولکولی متشکل از یک اتم کربن، چهار اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن (به صورت یک گروه هیدروکسیل) است. این ساختار باعث می شود متانول ساده ترین عضو خانواده الکل ها باشد. در نماد اختصاری شیمیایی معمولاً با MeOH نشان داده می شود. وزن مولکولی متانول حدود 32.04 گرم بر مول است. مولکول متانول از یک گروه متیل (CH3–) متصل به یک گروه هیدروکسیل (–OH) تشکیل شده است که همین امر خواص شاخص الکل ها مانند قطبیت و توانایی تشکیل پیوند هیدروژنی را به آن می دهد. در نتیجه متانول در دمای اتاق یک مایع قطبی و پروتیک است. متانول که نخستین عضو در سری الکل های آلیفاتیک به شمار می آید، به عنوان یک مرجع پایه برای درک شیمی الکل ها عمل می کند و خواصی نشان می دهد که برای الکل ها تیپیک است اما به دلیل کوچک بودن اندازه مولکول در برخی موارد نمود بیشتری دارد.

خواص فیزیکی متانول

در شرایط محیطی متانول یک مایع بی رنگ (بدون رنگ) و روان است که نقطه ذوب آن حدود منفی 97.6 درجه سانتی گراد و نقطه جوش آن حدود 64.7 درجه سانتی گراد می باشد؛ یعنی در یک دامنه دمایی گسترده به صورت مایع باقی می ماند. چگالی متانول در دمای 20 درجه سانتی گراد حدود 0.792 گرم بر سانتی متر مکعب است و بنابراین از آب سبک تر است. ساختار مولکولی و فرمول شیمیایی متانول نشان می‌ دهد که این ترکیب به دلیل قطبیت و توانایی ایجاد پیوند هیدروژنی، با آب و بسیاری از حلال‌ های آلی کاملاً قابل اختلاط است. بخار متانول به سادگی آتش می گیرد؛ نقطه اشتعال آن حدود 11 درجه سانتی گراد است و در نتیجه حتی در دمای اتاق نیز می تواند بخارات قابل اشتعال تولید کند. شعله حاصل از سوختن متانول آبی کم رنگ است و ممکن است در روشنایی روز تقریباً نامرئی باشد. از نظر بویایی، متانول بوی الکلی ملایمی دارد. این مایع فرار است و در هوا به سرعت تبخیر می شود و بخارات آن کمی از هوا سنگین تر می باشند. متانول همچنین ویسکوزیته (گرانروی) کمتری نسبت به آب دارد و کشش سطحی آن پایین تر است، به همین دلیل روی سطوح به راحتی پخش می شود. هنگام تبخیر، متانول گرما را جذب کرده و باعث احساس خنکی می شود. خصوصیات فیزیکی کلیدی متانول در جدول زیر خلاصه شده است.

خواص شیمیایی و واکنش پذیری

از نظر شیمیایی متانول بسیار آتش گیر است و به راحتی با اکسیژن واکنش می دهد. در واکنش احتراق، متانول می سوزد و منجر به تولید دی اکسید کربن و آب می شود و حرارت آزاد می کند. متانول یک مولکول قطبی است و الگوی واکنش های معمول برای الکل ها را نشان می دهد. این ماده به سادگی اکسید می شود و به فرمالدهید و در ادامه به اسید فرمیک تبدیل می گردد؛ چنین اکسایشی هم در فرآیندهای صنعتی و هم در بدن انسان (در موارد مسمومیت با متانول) رخ می دهد. متانول در آب تقریباً خنثی است pH ~ ۷، اما می تواند به عنوان یک اسید بسیار ضعیف نیز عمل کند: گروه هیدروکسیل آن در حضور بازهای قوی پروتون خود را از دست می دهد و نمک متوکسید (مانند متوکسید سدیم) تشکیل می شود. برعکس، متانول می تواند نقش یک باز ضعیف را داشته باشد و در حضور اسیدهای قوی پروتونه گردد و یون متیل اکسونیوم ایجاد کند. متانول همچنین در واکنش های استریفیکاسیون شرکت می کند و با اسیدهای کربوکسیلیک (در حضور کاتالیزور اسیدی) واکنش می دهد تا استرهای متیل ایجاد کند (برای مثال واکنش متانول و اسید استیک که منجر به تولید متیل استات می شود). این الکل با برخی اسیدهای معدنی نیز واکنش می دهد؛ برای نمونه واکنش متانول با اسید کلریدریک (در حضور شرایط مناسب) تولید کلرومتان (متیل کلرید) می کند. مولکول های کوچک و قطبی متانول بسیاری از مواد را حل می کنند و حتی می توانند برخی پلاستیک ها و پلیمرها را مورد حمله قرار داده و نرم یا حل کنند.

پیشینه تاریخی متانول

کاربرد و کشف متانول به قرن ها پیش بازمی گردد. مصریان باستان در فرآیند مومیایی کردن ترکیباتی را به کار می بردند که به طور ناخودآگاه مقادیر کمی متانول در آنها تولید می شد؛ آنها متانول را از پیرولیز چوب به دست می آوردند. با این حال، متانول خالص تا سال ۱۶۶۱ جداسازی نشد تا این که رابرت بویل، شیمیدان ایرلندی، توانست آن را از تقطیر چوب جعبه (boxwood) تولید کند؛ شیمیدان های اولیه این متانول را روح چوب می نامیدند. در سال ۱۸۳۴، شیمیدان های فرانسوی ژان-باپتیست دوما و اوژن پلیگو ترکیب عنصری متانول را تعیین کردند و به تثبیت مفهوم متیل (از ریشه یونانی به معنی شراب چوب) کمک کردند. نام متانول در سال ۱۸۹۲ به طور رسمی در مجامع نامگذاری شیمیایی پذیرفته شد و جایگزین نام طولانی تر متیل الکل گردید. برای سال های متمادی، متانول (الکل چوب) از طریق تقطیر تخریبی چوب تولید می شد. اولین تولید صنعتی متانول از چوب در مقیاس بزرگ حدود سال ۱۹۱۰ در ایالات متحده صورت گرفت. در دهه ۱۹۲۰، شیمیدان های آلمانی آلوین میتاش و ماتیاس پیر فرآیندی کاتالیزی برای تبدیل گاز سنتز (مخلوط هیدروژن و مونوکسید کربن) به متانول توسعه دادند که ثبت اختراع آن در سال ۱۹۲۶ انجام شد. این دستاورد ورود به عصر جدید تولید سنتزی متانول را رقم زد. از آن پس متانول از یک فرآورده فرعی چوب به یکی از محصولات عمده پتروشیمی تبدیل گردید.

تولید صنعتی متانول

تولید مدرن متانول امروزه در مقیاس بسیار بزرگ و در سراسر جهان انجام می شود و عمدتاً از سوخت های فسیلی به عنوان منبع کربن و هیدروژن استفاده می کند. رایج ترین روش، سنتز متانول از گاز طبیعی است. در این فرایند گاز متان موجود در گاز طبیعی را با بخار آب (و گاه اکسیژن) در دمای بالا واکنش می دهند تا گاز سنتز (شامل هیدروژن، مونوکسید کربن و دی اکسید کربن) تشکیل شود. سپس این گاز سنتز با استفاده از یک کاتالیزور ویژه (معمولاً پایه مس) در دما و فشار بالا به متانول (CH3OH) تبدیل می گردد. کاتالیزور واکنش ترکیب CO و CO2 با H2 را تسهیل کرده و تولید متانول را ممکن می سازد. متانول خام حاصل، سپس تقطیر می شوند تا آب و ناخالصی ها جدا شده و متانول خالص حاصل گردد. نسل های اولیه کارخانه های متانول به فشارهای بسیار بالا نیاز داشتند، اما کاتالیزورهای مدرن امکان تولید در فشارهای پایین تر و کارایی بالاتر را فراهم کرده اند. علاوه بر گاز طبیعی، خوراک های دیگری نیز برای تولید متانول استفاده می شوند: زغال سنگ را می توان از طریق گازی سازی به گاز سنتز تبدیل کرد (روشی که در چین کاربرد گسترده دارد)، و همچنین CO2 همراه با هیدروژن تولیدشده از برق تجدیدپذیر می تواند در فرآیندهای نوین برای تولید متانول به کار رود. امروزه ظرفیت جهانی تولید متانول در حدود صد میلیون تن در سال است که اهمیت صنعتی آن را نشان می دهد. از روزگار تولید با چوب تا فناوری های پیشرفته امروزی، تولید متانول به صنعتی پیشرفته با فناوری بالا بدل شده است. 

کاربردهای متداول متانول

گستره کاربردهای متانول بسیار وسیع است و حوزه های مختلفی را در بر می گیرد. یکی از استفاده های اصلی متانول به عنوان خوراک (ماده اولیه) برای تولید سایر مواد شیمیایی است. بخش بزرگی از متانول جهان به فرمالدهید تبدیل می شود؛ حدود یک سوم یا بیشتر از متانول تولیدی صرف این کاربرد می گردد. فرمالدهید نیز به نوبه خود برای ساخت محصولات متنوعی به کار می رود که از پلاستیک ها و رزین های چسب گرفته تا تخته سه لا، رنگ ها و منسوجات را شامل می شود. متانول همچنین ماده شروع بسیاری از سنتزهای مهم دیگر است؛ به عنوان مثال برای تولید اسید استیک از متانول استفاده می شود (از طریق فرآیند کربونیلاسیون)، و اسید استیک یکی از مواد کلیدی در ساخت پلیمرها مانند پلاستیک PET و وینیل استات و حلال ها است. در صنعت سوخت، متانول به تولید افزودنی های سوختی نیز اختصاص دارد: واکنش متانول با ایزوبوتیلن، MTBE (متیل ترشیو-بوتیل اتر) را ایجاد می کند که زمانی به طور گسترده به عنوان افزودنی افزایش دهنده اکتان بنزین استفاده می شد. به علاوه از آبگیری متانول، دی متیل اتر (DME) به دست می آید که به عنوان پیشران اسپری ها و جایگزین سوخت گاز مایع یا دیزل کاربرد دارد. حتی در فناوری های جدید، متانول به عنوان واسطه ای برای تولید محصولات پتروشیمی پیچیده تر به کار می رود؛ برای نمونه در فرایند تبدیل متانول به الفین ها (MTO)، متانول به اتیلن و پروپیلن تبدیل می شود که این اولفین ها برای تولید پلاستیک ها استفاده می شوند. این فرایند امکان می دهد که حتی زغال سنگ یا گاز طبیعی به طور غیرمستقیم به پلاستیک تبدیل شوند. همچنین متانول یک حلال آزمایشگاهی رایج است و به دلیل قطبیت بالا در صنعت داروسازی، تولید رنگ و رزین و چسب ها مورد استفاده قرار می گیرد. در زندگی روزمره نیز متانول نقش دارد: این الکل در ضدیخ ها و محلول های شستشوی شیشه خودرو استفاده می شود تا نقطه انجماد آنها را پایین بیاورد. علاوه بر این متانول به عنوان ماده تلخ کننده به اتانول صنعتی اضافه می شود تا آن را غیرقابل شرب کند. در همین راستا صنایع داخلی و خریداران عمده نیز به دنبال خرید حواله متانول زاگرس هستند تا بتوانند از این ماده استراتژیک در مصارف گوناگون بهره‌ برداری کنند. مجموعه این موارد نشان می‌ دهد که متانول به دلیل ویژگی‌ های خاص خود (از سوختنی بودن گرفته تا قدرت حلالیت و واکنش‌ پذیری) به ماده‌ ای پرتأثیر در فرایندهای صنعتی و محصولات مصرفی تبدیل شده است.

متانول به عنوان سوخت و منبع انرژی

متانول به عنوان یک سوخت جایگزین، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. عدد اکتان بالا و احتراق خنک تر متانول باعث شد که برای سال ها انتخاب محبوبی در مسابقات اتومبیل رانی باشد (برای نمونه، طی چند دهه متانول به عنوان سوخت اصلی خودروهای مسابقه ای ایندیاناپولیس ۵۰۰ به کار می رفت) زیرا اجازه می داد موتور با نسبت تراکم بالاتر و عملکرد قوی تر کار کند و در عین حال دود و دوده کمتری ایجاد می شد. در کاربردهای عادی متانول می تواند با بنزین مخلوط شود (مثلاً به میزان ۵ تا ۱۵٪ متانول) تا اکتان سوخت را بالا برده و آلایندگی را کاهش دهد. خودروسازان همچنین خودروهای سوخت انعطاف پذیر را آزمایش کرده اند که توانایی کار با مخلوط M85 (۸۵٪ متانول) را دارند. فراتر از موتورهای درون سوز، متانول در پیل های سوختی نیز مورد استفاده قرار می گیرد: پیل سوختی مستقیم متانول (DMFC) می تواند از متانول مایع مستقیماً برق تولید کند که برای وسایل نقلیه یا دستگاه های الکترونیکی سودمند است، ضمن این که ذخیره مایع متانول بسیار آسان تر از هیدروژن گازی است. صنعت کشتیرانی نیز عرصه دیگری برای این سوخت است، به طوری که برخی کشتی ها شروع به استفاده از متانول به عنوان جایگزین پاک تر برای سوخت دیزل سنگین کرده اند و انتشار سولفور و ذرات را کاهش داده اند. این ایده تنها در حد نظریه نیست برخی کشورها (به ویژه چین) از سال ها پیش مخلوط های سوخت حاوی درصد بالای متانول را در خودروها به کار گرفته اند تا مصرف بنزین را کاهش دهند. اگرچه محتوای انرژی متانول در هر لیتر تقریباً نصف بنزین است، اما ماهیت پاک در سوختن، قابلیت تولید تجدیدپذیر و زیست تخریب پذیری آن موجب شده که متانول به گزینه ای بسیار جذاب در زمینه سوخت پایدار آینده تبدیل شود.

متانول به عنوان حلال صنعتی

جدا از کاربردهای آن به عنوان خوراک شیمیایی و سوخت، متانول به طور گسترده به عنوان حلال در محیط های صنعتی و آزمایشگاهی استفاده می شود. قطبیت و اندازه کوچک مولکولی متانول به آن اجازه می دهد طیف وسیعی از ترکیبات را حل کند. متانول به آسانی با آب و حلال های آلی دیگر مخلوط می شود و همین امر کاربرد آن را در تهیه مخلوط های حلالی افزایش می دهد. در صنعت رنگ و پوشش، متانول برای حل کردن رزین ها و رنگینه ها استفاده می شود؛ این ماده اغلب جزئی از پاک کننده های رنگ و تینرها است. در فرایندهای ساخت دارو و در آزمایشگاه ها، متانول به عنوان حلال جهت انجام واکنش های سنتزی و خالص سازی محصولات به کار می رود. متانول به ویژه در تکنیک های تحلیلی مانند کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) و طیف سنجی فرابنفش مفید است زیرا جذب UV کمی دارد یعنی محدوده UV را مختل نمی کند. سرعت تبخیر بالای متانول نیز یک مزیت است؛ این حلال پس از استفاده به سرعت خشک می شود و اثری برجا نمی گذارد، از این رو برای تمیزکاری قطعات الکترونیکی یا تجهیزات حساس مناسب است. همچنین در استخراج ترکیبات از گیاهان و به عنوان مایع نگهدارنده برخی نمونه های زیستی کاربرد دارد. البته به دلیل سمی بودن متانول، صنایع در مصرف آن احتیاط می کنند و در کاربردهایی که تماس انسانی محتمل است، گاهی متانول با حلال های کم خطرتر جایگزین می شود.

متانول به عنوان خوراک شیمیایی

یکی از مهم ترین نقش های متانول خدمت به عنوان ماده بنیانی برای تولید سایر محصولات شیمیایی است. بزرگ ترین مشتق حاصل از متانول، فرمالدهید است؛ در حدود یک سوم یا بیشتر از مصرف جهانی متانول برای تبدیل به فرمالدهید به کار می رود. فرمالدهید به نوبه خود پیش ساز طیف گسترده ای از محصولات است (از پلاستیک ها و رزین های صناعی تا چسب ها، روکش ها و منسوجات). یکی دیگر از محصولات عمده حاصل از متانول، اسید استیک است که معمولاً از طریق کربونیلاسیون متانول تولید می شود. اسید استیک ماده ای کلیدی برای تولید پلیمرهایی مانند PET (پلی اتیلن ترفتالات) و وینیل استات و همچنین طیفی از حلال ها و مواد شیمیایی واسطه است. متانول همچنین به انواع افزودنی ها و سوخت های جایگزین تبدیل می شود: برای مثال با ایزوبوتیلن واکنش داده و MTBE (متیل ترشیوبوتیل اتر) تولید می کند که مدت ها برای ارتقای عدد اکتان بنزین استفاده می شد. همچنین از طریق آب زدایی متانول، دی متیل اتر (DME) حاصل می شود که به عنوان پیشران افشانه ها و نیز سوخت جایگزین LPG یا گازوئیل کاربرد دارد. در سال های اخیر حتی از متانول به عنوان مسیری برای تولید اولفین ها (الفین ها) استفاده می شود؛ در فرآیندهایی نظیر MTO (تبدیل متانول به اولفین ها) متانول را به اتیلن و پروپیلن که سنگ بنای صنعت پلاستیک هستند تبدیل می کنند. گستردگی محصولات مشتق شده از متانول اهمیت آن را به عنوان یک خوراک پایه در صنایع شیمیایی نشان می دهد.