Historia zakupu butli z czystym metanem zaczęła się przed pokazami naukowymi, do których wyszukiwaliśmy różne, nietypowe eksperymenty. Inspiracja przywędrowała z programu "Pogromcy Mitów" gdy Adam Savage wykonał eksperyment z rosnącą metanową wierzą wtłaczając metan do wiadra z roztworem detergentu. Szukałem różnych źródeł tego gazu, oczywiście najlepszym rozwiązaniem wydawał się gaz ziemny, ale w miejscu pokazów ani w moim laboratorium nie posiadam przyłącza. Jedynym rozwiązaniem pozostało zakupienie gazu w butli, ale znów pojawił się problem bo technicznego metanu dostać nigdzie nie mogłem. Pozostało jedynie zakupienie czystego do analiz gazu za niebagatelną kwotę, no cóż ... wszystko wymaga poświęceń.

Podczas wykonywania prezentowanych eksperymentów należy stosować ochronę twarzy !!!
Istnieje realne niebezpieczeństwo utworzenia silnie wybuchowej mieszaniny metanu z powietrzem, której eksplozja może rozerwać szkło.

Tak więc wydając trochę gotówki przywiozłem do laboratorium śliczną butle w kolorze czerwonym pełną czystego metanu. Od razu na wstępie przekażę pierwszą zbadaną właściwość tego gazu. W przeciwieństwie do gazu, dzięki któremu niedawno zagotowałem sobie wodę na kawkę, czysty metan jest całkowicie bezwonny. Gaz w instalacji celowo wzbogaca się innym bardzo wonnym gazem by w razie awarii można było zidentyfikować nawet drobny wyciek gazu i uchronić się w porę przed wybuchem lub zatruciem.

Rys. 1 Butla z metanem i reduktorem gazu.

Zaraz po przyjeździe butli pojawił się problem z ogarnięciem ciśnienia prawie 200 atmosfer, na początku myślałem, że po prostu zastosuję jeden z innych reduktorów, które posiadam w swych zapasach. Niestety okazało się, że do gazów palnych stosuje się zupełnie inne przyłącza. Przede wszystkim butle takie mają odwrotny gwint co skutecznie uniemożliwia zastosowanie reduktorów od innych gazów. Reduktora do metanu co prawda nie znalazłem, ale okazało się że będzie pasował reduktor do wodoru. Inwestując kolejne pieniążki, niestety również nie małe, mogłem już wreszcie rozpocząć eksperymenciki.

Rys. 2 Próba palności metanu.

Z rurki szklanej wykonałem kapilarę i przyłączyłem wężyk z gazem. Najpierw przedmuchałem gaz tak by mieć pewność, że już całe powietrze zostało wydmuchnięte. W przeciwnym razie w wężyku i rurce mogła by powstać mieszanina wybuchowa.

Rys. 3 Próba palności metanu.

Oczywiście spalanie metanu nie jest najbardziej efektownym doświadczeniem, praktycznie każdy z nas obserwuje to na co dzień dlatego w kolejnym eksperymencie wzbogacę trochę to spalanie zastępując powietrze czystym tlenem.

Rys. 4 Aparatura do spalania metanu w czystym tlenie.

Oczywiście eksperyment ten można wykonać w dwojaki sposób. Pierwszy to mieszanie tych dwóch gazów tuż przed spaleniem tworząc palnik wysokotemperaturowy. Nie mam aktualnie takich możliwości dlatego postanowiłem czystym tlenem wypełnić zlewkę i wprowadzić kapilarę z zapalonym gazem.

Rys. 5 Płomyk metanu w powietrzu.

Na powyższym zdjęciu zapalony u wylotu kapilary metan pali się jeszcze w powietrzu, ale za chwilę drugą rurką zacznę do zlewki wtłaczać czysty tlen z drugiej butli.

Rys. 6 Płomyk metanu w czystym tlenie.

Gdy do zlewki zacząłem wpuszczać czysty tlen płomyk zrobił się praktycznie niewidoczny by po chwili zrobił się mocno żółty. Metan w czystym tlenie zaczął spalać się całkowicie w dużo wyższej temperaturze.

Rys. 7 Płomyk metanu w czystym tlenie.

O znacznym wzroście temperatury świadczy ten właśnie intensywny żółty kolor. Skąd on pochodzi ? otóż kapilara wykonana została ze szkła sodowego, charakteryzuje się ono tym, że ma niezbyt wysoką temperaturę topnienia. Gdy temperatura znacznie wzrosła szkło się stopiło i jony sodu zaczęły parować zabarwiając płomień.

Rys. 8 Płomyk metanu w tlenie przy większym przepływie.

Dla pozbycia się zabarwienia pochodzącego od szkła zwiększyłem przepływ metanu co odsunęło trochę płomień, szkło się ostudziło i przestało parować. Teraz widać różnicę pomiędzy spalaniem w powietrzu i czystym tlenie.

Teraz pora na bąbelki, które zainicjowały eksperymenty z metanem. Eksperyment ten jest tak efektowny z dwóch powodów. Po pierwsze metan jest lżejszy od powietrza więc piana, która powstaje pnie się ku górze. Po drugie metan jest bardzo łatwopalny więc powstały słup można efektownie zapalić.

Rys. 9 Zlewka z roztworem detergentu i kamień do napowietrzania akwariów.

Wbrew pozorom eksperyment ten nie jest łatwy, by wyrósł ładny słup piany musi być zachowana równowaga między masą samej piany a siłą wyporu pochodzącą od lżejszego gazu. Nie wystarczy po prostu wdmuchać gaz do roztworu.

Rys. 10 Powstająca piana wypełniona metanem.

Okazało się, że zbyt drobne bańki nie nadają się zupełnie bo piana jest dużo cięższa i lżejszy gaz nie jest w stanie jej unieść. Po prostu wylewa się ze zlewki bez żadnego efektu.

Rys. 11 Zapalenie powstałej piany.

Nawet zapalenie czegoś takiego nie jest w żaden sposób efektowne. Piana spala się bardzo powoli bez efektu. Podczas pokazów mieliśmy podobne problemy, rozwiązaniem były po prostu większe bańki, wtedy masa samych błonek jest mniejsza i metan jest w stanie je unieść.

Rys. 12 Większe mańki nadmuchane metanem.

Taka piana jest już lżejsza, choć jeszcze nie do końca chce powstawać ładny słup jak w Pogromcach Mitów. Kwestią decydującą jest tu na pewno odpowiedni detergent w odpowiednim stężeniu.

Rys. 13 Zapalenie piany metanowej.

Jednak druga efektowna część eksperymentu jest już jak najbardziej poprawna, zapalenie piany robi wrażenie i jest dość niebezpieczne. Mam małe pomieszczenie zapłon pierwszej piany, której w czasie próby uzyskania słupa się nazbierało, otworzył drzwi. Nie był to oczywiście wybuch, ale gwałtowne spalenie takiej ilości gazu powoduje jednak wzrost ciśnienia.

Rys. 14 Formowanie słupa piany.

Doszedłem do wnioski, że jednak oprócz rodzaju i składu detergentu ważna jest jeszcze szerokość pojemnika, w którym uzyskujemy pianę. Podczas pokazów wykorzystywaliśmy naprawdę dużą zlewkę. Eksperyment ten można obejrzeć w dziale Imprezy Naukowe. Jest tam też filmik, na którym efekt ukazany jest w całej okazałości. Im pojemnik szerszy tym więcej gazu potrzeba na jednostkę wysokości słupa piany i lepiej się on unosi ku górze.

Rys. 15 Oderwany słup piany unosi się w kierunku sufitu.

Ja w moim niezbyt wysokim pomieszczeniu nie mogłem użyć dużego pojemnika bo taka ilość piany mogła by wywołać pożar. Już nawet nieduże ilości metanowej piany są naprawdę niebezpieczne.

Rys. 16 Zapalenie oderwanej piany, która przylgnęła do sufitu.

Do zapalania piany najlepiej użyć palnika na wysięgniku, nie ryzykujemy wtedy opalenia sobie owłosienia tu i tam, czego już niebawem w dalszych eksperymentach zaznałem.

Rys. 17 Odrywanie fragmentu piany.

Po kilku nader efektownych zapłonach postanowiłem nie dmuchać zbyt dużych objętości gazu bo robiło się to trochę niebezpieczne, choć nie powiem :) coraz bardziej efektowne. Pamiętajmy jednak, że bezpieczeństwo jest najważniejsze :).

Rys. 18 Kolejny sufitowy zapłon niezwykłej pianki.

Rys. 19 Zapłon metanowej piany na stole.

Pamiętajcie Państwo, że takie eksperymenty, choć bardzo efektowne są równie niebezpieczne i stwarzają ogromne ryzyko pożarowe. Metan jest silnie energetycznym paliwem. Nie bez powodu ogrzewamy nim mieszkania, spalamy w kuchenkach czy piecykach gazowych. Tam jednak spala się powoli, powoli też uwalniając drzemiący w nim potencjał. Najlepiej będzie jeśli tam pozostanie bo wykonywanie tego typu eksperymentów przez nie doświadczone osoby może zakończyć się tragicznie !!!

Teraz inna wariacja eksperymentu z pianką. Jako, że słup nie udał się zbytnio postanowiłem jeszcze trochę inaczej zagospodarować pianę, jak ? zobaczcie poniżej. Tak to właśnie w tym eksperymencie straciłem nieco owłosienia :).

Rys. 20 Zapłon piany w dłoni.

Wiem, wiem robi się coraz bardziej ciekawie, niech to Państwa nie zmyli to jest niebezpieczne i pod żadnym względem nie radzę tego naśladować.

Rys. 21 Zapłon piany w dłoni.


Rys. 22 Zapłon piany w dłoni.

No i na powyższym zdjęciu ukazana chwila, gdy dowiedziałem się, że więcej nie znaczy lepiej. No może dla samego efektu lepiej bo ładne zdjęcie, ale dla mnie już troszkę mniej, bo do fryzjera się udać musze ze względu na niesymetryczną fryzurę. O brwiach nie wspominając, dobrze, że choć z daleka nie widać :).

Rys. 23 Zapłon piany w dłoni.

Później już robiłem to raczej z mniejszymi ilościami piany i z daleka od włosów. Dobrze, że tylko na małym przypaleniu się skończyło. Teraz pora na coś spokojniejszego i bardziej bezpiecznego.

Rys. 24 Aparatura do redukcji tlenku miedzi metanem.

Na powyższym zdjęciu przedstawiłem aparaturę, za pomocą której spróbuję przeprowadzić reakcję metanu z gorącym tlenkiem miedzi. W statywie ustawiłem pozioma rurkę szklaną zatkaną z obu stron gumowymi korkami, przez które przechodzą rurki.

Rys. 25 Tlenek miedzi CuO.

Jedną z rurek będę wdmuchiwał metan, a na drugiej go zapalę by niepotrzebnie nie gromadził się w pomieszczeniu. W samej rurce umieściłem kopczyk czarnego tlenku miedzi.

Rys. 26 Płomyczek - spalanie nadmiaru metanu z rurki reakcyjnej.

Płomyczek metanu nie ma nic wspólnego z eksperymentem, to co nas interesuje to tlenek miedzi, który ma kontakt z metanem. W pokojowej temperaturze nic się nie stanie, ale jeśli rurkę zaczniemy ogrzewać palnikiem ?.

Rys. 27 Ogrzewanie tlenku miedzi CuO.

Gdy zacząłem ogrzewać tlenek po pewnym czasie zauważyłem, że zmienia swoją barwę, co może świadczyć o tym, że wszedł w reakcję z naszym gazem. Ogrzewając ten tlenek w powietrzu na pewno nie zauważyli byśmy żadnej zmiany.

Rys. 28 Zredukowany tlenek miedzi - czysta sproszkowana miedź.

Po barwie produktu reakcji możemy się domyślać że powstała czysta miedź. Tlenek w wysokiej temperaturze w kontakcie z metanem zredukował się do czystej miedzi a przy okazji powstały także dwutlenek węgla i woda w myśl równania:
4CuO + CH₄ -> 4Cu + CO₂ + 2H₂O

Inną reakcją ukazującą dużą reaktywność metanu jest reakcja z gazowym chlorem. Metan reaguje z chlorem już w temperaturze pokojowej tworząc chloropochodne, ale ja postanowiłem zrobić nieco bardziej efektowny eksperyment, który jednak nie udał się za dobrze ze względu na awarię wyciągu.

Rys. 29Aparatura do spalania metanu w chlorze.

W reakcji nadmanganianu potasu z rozcieńczonym kwasem solnym uzyskałem gazowy chlor, którego obecność w naczyniach można zidentyfikować po zabarwieniu. Obok w statywie umieściłem kapilarę z zapalonym płomyczkiem metanu. Teraz po zdjęciu folii ze zlewki z chlorem wprowadzę kapilarę w atmosferę tego gazu.

Rys. 30 Reakcja spalania metanu w chlorze.

Na zdjęciu powyżej powinniśmy zobaczyć bardzo jasny i kopcący płomień, w tej reakcji powstaje węgiel, chlorowodór i związki chloru z węglem. Jednak kapilara miała zbyt cienki wylot i gdy wprowadzałem ją do chloru płomień unosił się bardzo wysoko i gasł. Niestety już nie udało mi się eksperymentu powtórzyć ze względu na zawodność mojego rurowego wyciągu i zbyt duży wzrost stężenia chloru w pracowni. Jednak na zdjęciu widać, że płomień jest już inny. Niestety na tym zdjęciu nie widać kopcenia, czyli powstającej sadzy. Widać jednak lekko zielonkawą barwę u jego początku. Była bardziej intensywna lecz nie udało mi się tego uchwycić. Eksperyment na pewno powtórzę jak już dorobię się prawdziwego dygestorium.

Teraz znów powrót do niebezpiecznych eksperymentów, bo i sam metan bezpieczny do końca nie jest. Wiele się słyszy o potężnych wybuchach gazu niszczących nieraz całe bloki, gdy gdzieś doszło do rozszczelnienia instalacji, lub o podziemnych wybuchach metanu w kopalniach. Dlaczego w poprzednych eksperymentach obserwowaliśmy spokojne spalanie a w tych tragicznych sytuacjach dochodzi do potężnych eksplozji ?

Rys. 30 Dmuchanie bańki mydlanej metanem.

Odpowiedź jest bardzo prosta - tam był czysty metan i reakcja spalania zachodzi jak w naszych kuchenkach na styku gazu z powietrzem. Gdy jednak gaz z powietrzem zmieszamy zachodzi bardzo gwałtowna reakcja w całej objętości i energia uwalniana jest natychmiast. Dochodzi do eksplozji. Podczas plenerowych pokazów mieszamy metan z czystym tlenem w balonach i odpalamy zdalnie. W zamkniętym pomieszczeniu było by to skrajnie niebezpieczne dlatego by zademonstrować ogromną energię drzemiącą w tym gazie postanowiłem rozlać trochę detergentu na stole i nadmuchać bańkę mieszaniną tych gazów.

Film 1 Wybuchowa bańka mydlana.

Jak widać na filmie nie zachodzi już łagodne spalanie, następuje silna i niebezpieczna eksplozja mieszaniny gazowej. Energia wybuchu ściśle zależy od składu mieszanki, jaki się utworzy. Przy mieszaninach z powietrzem, czyli sytuacji jaka może się zdarzyć w każdym domu najbardziej niebezpieczny jest skład zawierający od 5 do 15 % metanu.

Rys. 31 Eksplozja mieszaniny metanu z tlenem.

Ponadto metan, jak już wcześniej wspomniałem jest od powietrza lżejszy, dlatego gdy następuje jego wyciek gromadzi się pod sufitem i jeśli nie ma ujścia lub wyciek jest duży, może on utworzyć silnie niebezpieczną mieszaninę. Ciekawym eksperymentem demonstrującym różnicę gęstości gazów jest napełnianie balonu.

Rys. 32 Balon przymocowany do węża połączonego z butlą metanu.

Ten eksperyment najlepiej udaje się, gdy wąż jest bardzo lekki, tak by balon mógł go unieść. Podczas eksperymentu balon leży sobie na stole i jest powoli napełniany gazem.

Rys. 33 Unoszący się balon z metanem.

Niestety nie miałem w swoich zapasach wystarczająco lekkiego wężyka dlatego eksperyment nie do końca jest udany, ale widać że balon się unosi. Inną odmianą tego eksperymentu jest zastosowanie wagi laboratoryjnej i dwóch identycznych kolb. Obie kolby obracamy do góry dnem, z tym że do jednej w takiej pozycji wdmuchujemy metan. Jako że jest lżejszy wypełni całą jej przestrzeń. Teraz ważymy najpierw jedną później drugą kolbę i okazuje się, że ta z metanem jest lżejsza.