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메테인
메테인(Methane)은 지방족 탄화수소 화합물 중 가장 간단한 알케인 화합물로 무색 무취의 가연성 기체이다. 탄소를 중심으로 수소 원자가 있는 정사면체 구조이며, 연소반응과 치환반응을 통해 수소 원자를 다른 작용기로 치환시켜 다양한 화합물을 만든다. 분자량은 16이다. 녹는점은 -183 ℃, 끓는점은 -162℃이다.
자연적으로는 유기물이 물 속에서 부패, 발효할 때 생기므로 늪지대의 바닥 등에서 발생한다. 또 석탄층 속에 함유되어 석탄갱내에서 발생하여 공기와 섞여 폭발을 일으킬 때도 있다. 천연가스나 석탄 가스의 주성분을 이룬다.
C-H의 결합 길이는 0.110nm이며, C-H의 결합 사이의 결합각은 109.5°이며, 무극성 분자이다.
순수한 메테인은 냄새가 없으나, 산업용으로 사용할 때 누출 여부 확인을 위해 냄새가 나는 다른 화합물을 일부 첨가하여 판매한다. 천연가스의 주 성분으로, 연료로 많이 사용된다.
개요
화학식은 CH₄. 메테인은 탄소 하나와 수소 네 개로 이루어진 가장 간단한 탄화수소, 알케인 화합물이다. 영문 표기 methane을 이전에는 메탄이라고도 불렀기 때문에, 메탄 가스라는 표현이 현재도 많이 병용되고 있다. 지구 대기와 지각 속에 상당량 존재하고, 천연 가스 내에도 존재하여 가정에서 사용하는 도시 가스, 다른 이름으로 액화천연가스(LNG)의 주요 성분이기도 하다. 상온 상압에서 기체 상태인 메테인은 무색이며 별도의 냄새를 갖지 않지만 쉽게 불이 붙는 연료이기 때문에 취급 시 반드시 주의가 필요하다.
또한, 메테인은 우주에서 가장 풍부한 5원자 분자이며 동시에 가장 간단한 탄소화합물 중에 하나이다. 오늘날 지구 대기에는 메테인이 미량으로 존재하지만 목성, 토성 등 태양에서 멀리 떨어진 행성에는 상당히 많은 양이 존재한다. 원시 지구의 대기에서 아미노산이 만들어진 가능성을 테스트 하는 밀러-유리 실험에서 수소, 암모니아, 물과 함께 메테인이 반응물로 사용되었다. 모든 생명체를 구성하는 유기 화합물의 중심 원소인 탄소는 궁극적으로 우주 공간의 메테인에서 왔다고 볼 수 있다.
구조와 이름
무색 무취의 가연성 기체로서, 메테인의 중심 원자인 탄소 원자가 정사면체의 중심에 있고 각 꼭짓점에 4개의 수소 원자가 있는 정사면체형의 3차원 구조이며 C-H 결합길이는 1.093Å, 결합각은 109.5˚로 일정하다.
메테인처럼 탄소와 수소가 단일 결합만으로 이루어진 탄화수소 화합물을 알케인(alkane)이라고 부른다. 탄소 1개에는 4개의 수소가 붙지만, 탄소 2개에는 6개의 수소가 붙고, 탄소 3개에는 총 8개의 수소가 붙게 되어, 일반적인 분자식 CnH₂ₙ₊₂가 알케인을 나타내는 식이 된다. 알케인을 구성하는 탄소의 수에 따라 각 화합물의 이름이 결정되는데, 탄소 하나는 메타(metha-), 탄소 두 개는 에타(etha-), 세 개는 프로파(propa-)순의 접두어를 알케인을 뜻하는 에인(-ane)와 결합하여 이름을 형성한다. 즉, 탄소 하나로 이루어진 알케인은 메테인(methane), 탄소 두 개를 포함하고 단일 결합만으로 이루어진 탄화수소는 에테인(ethane), 탄소 세 개의 경우에는 프로페인(propane) 순으로 이름이 붙여진다.
화학반응
메테인의 가장 잘 알려진 반응은 연료로 사용하는 연소 반응이며 관련하여 산화 반응이 가능하다. 또한, 탄소 하나에 수소와 단일 결합만을 포함하고 있기 때문에 주로 치환 반응에 참여한다. 치환 반응 중에서도 메테인에 할로젠을 도입하는 할로젠화 반응(halogenation)이 알려져 있다. 메테인의 할로젠화 반응은 메테인과 할로젠 사이에 라디칼 메커니즘으로 진행된다.
메테인을 한 번만 산화시켜 메탄올로 만들어 자동차 연료 등으로 사용하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 메테인은 연속적으로 산화하여 이산화 탄소로 쉽게 변하기 때문에, 한 번만 산화되도록 조절하는 것은 아직 개발이 많이 필요한 부분이다. 하지만 자연에 존재하는 효소 중에 메테인 산화효소(methane monooxygenase)는 이미 메테인을 메탄올로 한 번만 산화시키는 시스템을 가지고 있다.
연료로 사용되는 메테인
메테인의 연소는 여러 단계를 걸쳐 진행되지만, 요약해보면 아래와 같은 반응식을 따른다.
CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂O △H = -891 kJ/mol
즉, 메테인 한 분자가 완전히 연소하기 위해서는 두 분자의 산소가 필요하고, 완전히 연소했을 경우 한 분자의 이산화 탄소와 두 분자의 물이 발생한다. 또한, 이 반응은 상당히 많은 에너지가 방출되는 발열 반응이다. 메테인의 연소열(heat of combustion)은 1kg 당 55.5 MJ로 알려져 있다.
메테인의 위험성
메테인 자체는 독성이 없지만, 워낙 쉽게 불이 붙고, 공기(특히 산소)와 혼합되어 있을 경우 폭발성이 있기 때문에 반드시 주의해야 한다. 많은 탄광 사고에서 메테인이 주요 원인으로 뽑히는데, 지각 속 메테인이 채굴 과정 중에 갱도에 차 있다가 공기와 함께 섞여 있기 때문에 약간의 발화 조건에서도 쉽게 폭발하기 때문이다.
참고자료
같이 보기
