خواص فیزیکی متانول

مقدمه

متانول (CH₃OH) ساده‌ ترین الکل است که از یک اتم کربن متصل به یک گروه هیدروکسیل تشکیل شده است. این ماده یک مایع سبک، فرار، بی‌ رنگ، بسیار قابل اشتعال و سمی است. متانول که اغلب الکل چوب یا متیل الکل نیز نامیده می‌ شود، به‌ طور گسترده به عنوان حلال صنعتی، افزودنی سوخت و ماده اولیه شیمیایی به کار می‌ رود. در بسیاری از صنایع، بررسی دقیق ویژگی‌ ها قبل از خرید حواله متانول اهمیت زیادی دارد، زیرا شناخت درست این ماده بر انتخاب، حمل، نگهداری و کاربری آن اثر مستقیم دارد. با این حال این مقاله بر خواص فیزیکی متانول تمرکز دارد و مروری جامع بر ویژگی‌ هایی مانند حالت، ظاهر، نقطه ذوب و جوش، چگالی، حلالیت و سایر ویژگی‌ های مهم آن ارائه می‌ دهد. درک این خواص فیزیکی برای کار ایمن با متانول و کاربرد مؤثر آن در زمینه‌ های علمی و صنعتی مختلف ضروری است.

ساختار و ترکیب مولکولی

ساختار مولکولی متانول بسیار ساده است. این مولکول از یک اتم کربن با سه اتم هیدروژن (یک گروه متیل) تشکیل شده که به یک گروه اکسیژن - هیدروژن (گروه هیدروکسیل) متصل است. این ساختار باعث می شود فرمول مولکولی متانول CH3OH بوده و جرم مولی آن حدود ۳۲٫۰۴ گرم بر مول باشد. اندازه کوچک این مولکول و حضور گروه OH بر بسیاری از خواص فیزیکی آن تأثیر می گذارد. وجود گروه هیدروکسیل موجب شده متانول یک مولکول قطبی با توانایی ایجاد پیوند هیدروژنی باشد. در نتیجه، متانول نسبت به ترکیبی با این جرم کم نقطه جوش نسبتاً بالایی دارند. همچنین ترکیب مولکولی آن در ایجاد وزن مولکولی کم و فشار بخار بالای متانول نقش دارد و این ویژگی ها متانول را از نظر رفتار فیزیکی از الکل های سنگین تر مانند اتانول متمایز می کند.

حالت و ظاهر در دمای اتاق

در دمای اتاق و فشار استاندارد، متانول به حالت مایع است. این ماده در شرایط معمول مایع باقی می ماند زیرا نقطه انجماد آن بسیار پایین تر از ۰ °C است. متانول از نظر ظاهر شفاف و بی رنگ بوده و از نظر شفافیت شبیه به آب یا اتانول است. هنگام ریختن در ظرف، متانول مایعی زلال و عاری از هر گونه رنگ یا ذرات معلق دیده می شود. این مایع گرانروی کمی دارد و مانند آب به راحتی جاری می شود. به دلیل شباهت ظاهری به الکل قابل شرب (اتانول)، گاهی متانول با الکل نوشیدنی اشتباه گرفته می شود که می تواند بسیار خطرناک باشد. از لحاظ دیداری، هیچ نشانه آشکاری برای تمایز آن از سایر مایعات شفاف وجود ندارد. حالت مایع و ظاهر بی رنگ متانول باعث می شود برای شناسایی آن در محیط های آزمایشگاهی یا صنعتی، تکیه بر برچسب ها و اطلاعات دیگر ضروری باشد.

ویژگی های بو و طعم

متانول بویی متمایز دارد که اغلب به صورت ملایم و کمی شیرین یا شبیه بوی الکل توصیف می شود؛ بویی آشنا که شباهت به اتانول دارد. این بوی الکلی خفیف به ویژه در نمونه های غلیظ قابل تشخیص است اما شدت آن کمتر از بوی اتانول است. آستانه بویایی متانول نسبتاً بالا است، به این معنی که غلظت های کم آن به راحتی از طریق بو قابل تشخیص نیست. در نتیجه ممکن است بخارات متانول تا زمانی که به سطوح قابل توجهی نرسند از طریق بو متوجه نشویم. از نظر طعم، متانول مزه ای سوزاننده و تا حدی شیرین مشابه سایر الکل ها دارد، اما چشیدن آن به شدت خطرناک بوده و روش تشخیص مناسبی نیست. مصرف حتی مقدار کمی متانول می تواند باعث مسمومیت شدید شود، بنابراین هرگونه تماس حسی باید به بو محدود شود. بوی نامحسوس متانول همراه با ظاهر بی رنگ آن اغلب حضور این ماده را پنهان می کند و همین یکی از دلایل بروز مسمومیت ها و مواجهه های تصادفی با آن است.

نقطه ذوب و رفتار انجماد

متانول دارای نقطه ذوب بسیار پایینی در حدود ۹۷٫۶- °C ۱۴۳٫۷- °F است. این بدان معناست که متانول خالص در تقریباً همه دماهای محیطی به صورت مایع باقی می ماند و فقط در شرایط سرمای شدید به حالت جامد در می آید. در شرایط بسیار سرد، نقطه انجماد پایین متانول باعث می شود از آن به عنوان جزئی در ضد یخ استفاده شود؛ برای مثال در مایع شیشه شور خودروها جهت جلوگیری از یخ زدن به کار می رود. هنگامی که متانول جامد می شود، بلورهای جامد الکل تشکیل می دهد. فرآیند انجماد برگشت پذیر است؛ به محض اینکه دما بالاتر از نقطه ذوب آن برود، متانول جامد دوباره ذوب شده و به حالت مایع باز می گردد. قابل توجه است که به دلیل پایین بودن نقطه انجماد متانول، این ماده در فریزرهای معمول آزمایشگاهی یا سرمای زمستانی منجمد نمی شود. مخلوط های متانول و آب در دماهایی حتی پایین تر از آب خالص یخ می زنند و این نشان می دهد که متانول نقطه انجماد محلول ها را پایین می آورد. به طور کلی نقطه ذوب بسیار پایین یکی از ویژگی های شاخص متانول است که باعث می شود این ماده در اکثر شرایط عملی به صورت مایع باقی بماند.

نقطه جوش و فراریت

متانول در فشار اتمسفری استاندارد در دمای حدود ۶۴٫۷ °C (148.5°F) به جوش می آید. این نقطه جوش پایین نشان دهنده فراریت بالای متانول است؛ این ماده حتی در دماهای نسبتاً ملایم به راحتی از مایع به بخار تبدیل می شود. در مقایسه با آب که در ۱۰۰ °C می جوشد یا حتی اتانول ۷۸٫۳ °C، نقطه جوش متانول بسیار پایین تر است و نشان می دهد متانول با سرعت بیشتری تبخیر می شود. در هوای آزاد، متانول در دمای اتاق به راحتی بخار متصاعد می کند و آن بخارات می تواند به سرعت در فضاهای بسته جمع شود. فراریت متانول به این معناست که این مایع نسبت به بسیاری از مایعات دیگر سریع تر خشک یا تبخیر می شود و پس از تبخیر، اثر چندانی از خود بر جای نمی گذارد. این ویژگی در کاربردهایی مانند سوخت ها و حلال های سریع خشک مفید است، اما همچنین به این معنا است که متانول باید در ظروف دربسته نگهداری شود تا از تبخیر و هدررفت آن جلوگیری شود. نقطه جوش متانول مستقیماً نتیجه ساختار مولکولی آن است با اینکه متانول می تواند پیوند هیدروژنی برقرار کند (که نسبت به مولکول های غیرقطبی هم اندازه نقطه جوش را بالا می برد)، اما اندازه کوچک مولکول آن هنوز باعث می شود انرژی کمتری برای ورود به فاز بخار نیاز داشته باشد. بنابراین ترکیب خاص پیوند هیدروژنی و وزن کم در متانول منجر به نقطه جوش نسبتاً پایین شده که فراریت زیاد این مایع را رقم می زند.

چگالی و وزن مخصوص

چگالی متانول کمتر از آب است. در دمای ۲۰ °C، چگالی متانول تقریباً ۰٫۷۹۱–۰٫۷۹۲ گرم بر سانتی متر مکعب است؛ یعنی حدود ۷۹٪ چگالی حجم مساوی آب. به عبارتی دیگر، یک لیتر متانول تقریباً ۰٫۷۹ کیلوگرم وزن دارد در حالی که یک لیتر آب ۱ کیلوگرم است. وزن مخصوص متانول (نسبت چگالی آن به آب) در دمای اتاق حدود ۰٫۷۹ است که تایید می کند متانول از آب سبک تر است. به عبارت عملی، اگر متانول و آب به دقت روی هم ریخته شوند، متانول به دلیل چگالی کمتر تمایل دارد روی آب شناور بماند اگرچه در عمل متانول به طور کامل با آب مخلوط می شود و لایه جداگانه تشکیل نمی دهد. چگالی متانول با افزایش دما کمی کاهش می یابد (که در مورد اغلب مایعات صادق است) و در نتیجه در حالت گرم حتی سبک تر هم می شود. چگالی نسبتاً کم، ویژگی معمول مایعات آلی سبک است. این ویژگی همچنین بر رفتار متانول در فرآیندهایی مانند تقطیر و اختلاط تأثیر می گذارد و نحوه جابجایی و ذخیره سازی صنعتی آن را نیز تحت شعاع قرار می دهد. از آنجا که متانول از بسیاری دیگر از حلال ها و مایعات رایج چگالی کمتری دارد، وزن آن در واحد حجم پایین تر است و این می تواند در حمل و نقل و ذخیره سازی آن موثر باشد.

حلالیت و امتزاج پذیری در آب

یکی از مهم ترین ویژگی های فیزیکی متانول قابلیت امتزاج کامل آن با آب است. متانول می تواند با آب به هر نسبتی مخلوط شود و یک محلول همگن تشکیل دهد. این به دلیل ماهیت قطبی متانول و توانایی آن در ایجاد پیوندهای هیدروژنی با مولکول های آب است. گروه هیدروکسیل–OH در متانول می تواند با گروه های –OH آب به شدت برهم کنش داشته باشد و به دو مایع اجازه می دهد به طور یکنواخت با هم ترکیب شوند. افزون بر آب، متانول با بسیاری از حلال های آلی دیگر مانند اتانول، استون، کلروفرم و اغلب مایعات قطبی یا کم قطب دیگر نیز قابل امتزاج است. با این حال، متانول در حلال های ناقطبی مانند هگزان یا روغن ها بسیار محلول نیست. هنگامی که متانول با آب مخلوط می شود، مخلوط حاصل خواصی مانند نقطه جوش و نقطه انجماد متفاوت از آب خالص نشان می دهد که اغلب بازتاب دهنده تأثیر متانول است (مثلاً کاهش نقطه انجماد). امتزاج کامل متانول در آب در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرد که از آن جمله می توان به محلول های ضد یخ، ترکیب های حلال و انجام واکنش های شیمیایی در محیط آبی اشاره کرد. این قابلیت نشان می دهد که ساختار مولکولی متانول به آن اجازه می دهد در سطح مولکولی به سادگی با آب تعامل و مخلوط شود.

قطبیت و ثابت دی الکتریک

متانول یک حلال قطبی پروتیک است؛ یعنی گشتاور دوقطبی قابل توجهی دارد و می تواند پیوند هیدروژنی بدهد. گشتاور دوقطبی آن حدود ۱٫۷ دبی و ثابت دی الکتریک آن در دمای اتاق حدود ۳۲٫۶ است. این مقادیر نشان می دهند که متانول توانایی متوسطی در پایدارسازی بارها و حل کردن مواد یونی یا قطبی دارد، هرچند قطبیت آن به اندازه آب نیست (ثابت دی الکتریک آب حدود ۸۰ است). قطبیت متانول ناشی از اختلاف الکترونگاتیوی بین اکسیژن و هیدروژن در گروه هیدروکسیل و شکل نامتقارن مولکول است. به خاطر همین قطبیت، متانول بسیاری از نمک ها، اسیدها و ترکیبات آلی قطبی را بهتر از حلال های کم قطب حل می کند (هرچند در بعضی موارد نه به خوبی آب). به عنوان یک حلال پروتیک، متانول می تواند به حل شونده ها پیوند هیدروژنی بدهد و این امر در حل کردن موادی مانند نمک های معدنی یا ترکیبات آلی که توانایی پیوند هیدروژنی دارند مهم است. این قطبیت متوسط بر بسیاری از رفتارهای فیزیکی متانول اثر می گذارد: به عنوان مثال نقطه جوش را نسبت به مولکول های کاملاً غیرقطبی هم اندازه بالاتر می برد و امکان امتزاج کامل با آب را فراهم می کند.

گرانروی و کشش سطحی

متانول مایعی با گرانروی کم و کشش سطحی نسبتاً پایین است. گرانروی آن در دمای ۲۰ °C حدود ۰٫۵۹ میلی پاسکال ثانیه (یا ۰٫۵۹ سانتی پوآز) است که تقریباً نصف گرانروی آب در همان دما است. این یعنی متانول بسیار راحت جاری می شود و مایعی رقیق محسوب می گردد. در عمل، زمانی که متانول را می ریزید به سرعت پخش می شود و مانند آب حتی کمی روان تر به دلیل گرانروی کمتر پخش و پراکنده می شود. کشش سطحی متانول در دمای اتاق حدود ۲۲–۲۳ میلی نیوتن بر متر است که به طور قابل توجهی کمتر از کشش سطحی آب (~۷۲ میلی نیوتن بر متر) است. کشش سطحی کم به این معنی است که متانول سطوح را با کارایی بیشتری خیس می کند و قطرات آن نسبت به قطرات آب پخش تر و تخت تر می شوند. برای مثال، بر روی سطح شیشه تمیز، متانول به صورت لایه نازکی پخش می شود در حالی که آب تمایل دارد به صورت قطرات گرد جمع شود. ترکیب گرانروی کم و کشش سطحی پایین به خاصیت ترکنندگی عالی متانول کمک می کند و باعث می شود این مایع به راحتی به منافذ ریز نفوذ کند. این ویژگی ها همچنین باعث می شود متانول به سرعت از روی سطوح تبخیر شود. در مجموع گرانروی و کشش سطحی پایین باعث می شود کار با متانول در فرآیندهای صنعتی مانند مخلوط کردن یا اسپری کردن آسان باشد.

فشار بخار و سرعت تبخیر

متانول در دماهای محیط فشار بخار بالایی دارد که نشان دهنده تمایل آن به تبخیر سریع است. در ۲۰ °C ۶۸ °F، فشار بخار متانول حدود ۱۳ کیلوپاسکال (تقریباً ۹۷ میلی متر جیوه) است. این مقدار به مراتب بیشتر از فشار بخار آب در همان دما (حدود ۲٫۳ کیلوپاسکال) است. فشار بخار بالا به این معنا است که مولکول های متانول به راحتی از فاز مایع گریخته و وارد فاز گاز می شوند. در نتیجه، اگر متانول در ظرف بازی رها شود، سریع تر از بسیاری مایعات دیگر تبخیر خواهد شد. سرعت تبخیر متانول زیاد است؛ به عنوان مثال اگر مقداری متانول و مقدار برابری آب را بریزیم، مشاهده می شود که متانول به طور محسوسی سریع تر (تبخیر) ناپدید می شود. از آنجا که بخارات متانول می توانند جمع شده و قابل اشتعال هستند, باید ظروف حاوی آن را دربسته نگه داشت تا از تجمع بخار و هدررفت مایع جلوگیری شود. همچنین، ماهیت فرار متانول در کاربردهایی مانند سوخت مورد بهره برداری قرار می گیرد، زیرا تبخیر آسان آن به احتراق کمک می کند. به طور کلی فشار بخار قابل توجه متانول یکی از ویژگی های فیزیکی تعیین کننده آن است که هم بر موارد استفاده عملی آن و هم بر اقدامات ایمنی لازم هنگام استفاده از آن تأثیر می گذارد.

خواص حرارتی (گرمای ویژه و رسانایی)

متانول در نحوه ذخیره و انتقال حرارت، خواص حرارتی ویژه ای از خود نشان می دهد. ظرفیت گرمای ویژه مایع متانول حدود ۲٫۵ ژول بر گرم کلوین (معادل ۲٫۵ کیلوژول بر کیلوگرم کلوین) در دمای محیط است. این مقدار تقریباً نصف گرمای ویژه آب است که نشان می دهد افزایش دمای متانول به انرژی کمتری نسبت به آب نیاز دارد. به عبارتی، متانول سریع تر از جرم مساوی آب در برابر ورودی یا خروجی حرارت یکسان گرم شده یا سرد می شود. رسانایی حرارتی متانول نیز کمتر از آب است؛ حدود ۰٫۲ وات بر متر کلوین در حالی که رسانایی آب ~۰٫۶ W/m·K است. این به آن معنا است که متانول به اندازه آب در انتقال حرارت کارا نیست و اگر گرما به طور غیریکنواخت اعمال شود، درون متانول گرادیان دمایی بیشتری ایجاد می شود. به دلیل گرمای ویژه و رسانایی گرمایی کمتر، متانول به تغییرات دما سریع تر پاسخ می دهد و گرما را به اندازه آب یکنواخت توزیع نمی کند. این ویژگی های حرارتی بر رفتار متانول در فرآیندهای گرمایش و سرمایش و همچنین در زمانی که به عنوان خنک کننده یا سوخت استفاده می شود تأثیر می گذارد.

خواص نوری (ضریب شکست)

متانول یک مایع بی رنگ و شفاف است و ضریب شکست آن مانند آب، نزدیک به ضریب شکست آب می باشد. ضریب شکست (n_D) متانول در ۲۰ °C برای خط D سدیم حدود ۱٫۳۳ است. این مقدار فقط اندکی کمتر از ضریب شکست آب (~۱٫۳۳۳) می باشد و نشان می دهد که نور تقریباً به همان آسانی که از آب عبور می کند از متانول نیز عبور می کند. به دلیل شباهت زیاد ضریب شکست، ظرف محتوی متانول تقریباً به همان شکل نور را منحرف می کند که ظرف محتوی آب. متانول در مقایسه با مایعات چگال تر مانند روغن ها یا حلال های هالوژنه که ضریب شکست بالاتری دارند، نور را به شدت زیادی منحرف نمی کند. همچنین بی رنگ بودن متانول نشان می دهد که این ماده نور مرئی را جذب نمی کند (به همین دلیل شفاف به نظر می رسد). متانول در برخی طول موج های فرابنفش جذب دارد (برای مثال تا طول موج حدود ۲۱۰ نانومتر را عبور نمی دهد)، اما در ناحیه مرئی طیف کاملاً شفاف است. نزدیک بودن ضریب شکست متانول به آب نکته جالبی است که نشان می دهد متانول علی رغم ساختار متفاوت، در طول موج های مرئی تعامل بسیار مشابهی با نور نسبت به آب دارد.

نمودار فاز و نقطه بحرانی

رفتار فازی متانول در دماها و فشارهای مختلف از طریق نمودار فاز آن توصیف می شود که محدوده های فاز جامد، مایع و گاز را نشان می دهد. نقطه سه گانه متانول (تنها ترکیب دما و فشاری که در آن سه فاز جامد، مایع و گاز در تعادل هستند) در حدود ۹۷٫۶- °C و فشاری در حدود ۱٫۸۶×۱۰^–۴ پاسکال رخ می دهد (که تقریباً خلاء محسوب می شود). این نقطه متناظر با دمای نقطه ذوب متانول در فشار معمول است که نشان می دهد متانول تنها در شرایط بسیار سرد و فشار بسیار پایین می تواند به طور همزمان در هر سه فاز وجود داشته باشد. نقطه بحرانی متانول دمای و فشاری که بالاتر از آن متانول به صورت سیال فوق بحرانی در می آید و دیگر فاز مایع یا گاز متمایزی ندارد حدود ۲۴۰ °C (۵۱۳ کلوین) و فشار ۸ مگاپاسکال (تقریباً ۸۰ برابر فشار جو) است. فراتر از این دمای بحرانی و فشار بحرانی، ویژگی های متانول به گونه ای تغییر می کند که حتی با اعمال فشار نیز دیگر نمی توان آن را به مایع متراکم کرد. این مقادیر در مقایسه با بسیاری مواد دیگر متوسط هستند و بازتاب دهنده اندازه کوچک مولکول متانول و نیروهای بین مولکولی آن می باشند. آگاهی از نقطه سه گانه و نقطه بحرانی متانول برای فرآیندهایی مانند تقطیر و استخراج سیال فوق بحرانی که از متانول استفاده می کنند اهمیت دارد.

قابلیت اشتعال و نقطه اشتعال

متانول به شدت قابل اشتعال است و خواص فیزیکی آن این خطر را نشان می دهد. نقطه اشتعال متانول در حدود ۱۱ °C (52°F) در شرایط بسته است. این بدان معنا است که در هر دمای بالاتر از حدود ۱۱ درجه سلسیوس، متانول می تواند به اندازه کافی بخار تولید کند تا در نزدیکی سطح مایع مخلوط قابل احتراقی با هوا تشکیل دهد. به عبارتی متانول در دمای اتاق به محض وجود شعله باز یا جرقه به سادگی مشتعل می شود. شعله های حاصل از سوختن متانول معمولاً آبی است و در روشنایی روز تقریباً نامرئی می باشد که یک خطر ایمنی است، زیرا ممکن است فرد متوجه سوختن مایع نشود. بخارات متانول می توانند در دمای حدود ۴۷۰ °C ۸۷۸ °F بدون وجود شعله خودبه خود مشتعل شوند (دمای خود آتش گیری). با توجه به نقطه جوش پایین و فشار بخار بالای آن، متانول می تواند به سرعت ترکیب بخار، هوای قابل اشتعال ایجاد کند. این ویژگی ها ایجاب می کند در هنگام نگهداری یا استفاده از متانول احتیاط شود، تهویه مناسب انجام گیرد و از وجود منابع احتراق در اطراف آن جلوگیری شود.

خلاصه خواص فیزیکی کلیدی متانول

در جدول زیر برخی از مهم ترین خواص فیزیکی متانول برای مرور سریع آورده شده است. این خواص شامل دماهای تغییر فاز، چگالی و دیگر ثابت های مشخصه در شرایط استاندارد هستند که نمای کلی از ویژگی های فیزیکی متانول ارائه می دهند: