甲醇（Methanol）

甲醇（Methanol）
國立新莊高級中學化學科陳偉民退休教師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

甲醇又稱木精，其化學式為CH₃OH（經常簡寫為MeOH），是有毒的化合物，即使只喝入少量甲醇也會造成目盲。它是最簡單的醇類，為易揮發、無色、可燃的有毒液體，有獨特氣味，與乙醇（酒精）類似，但甜度較高。在室溫時，甲醇為極性液體可與水互溶，可作為抗凍劑、溶劑、燃料及乙醇的變性劑。甲醇也可經由轉酯作用（transesterification），製造生質柴油。

甲醇是許多種細菌厭氧代謝後的天然產物，因此在環境中無所不在。因此，甲醇蒸氣在空氣中占有微量的比例。氧氣在陽光的照射下，經由數天時間，可把空氣中的甲醇氧化成二氧化碳與水。

甲醇在空氣中燃燒，形成二氧化碳與水：
2 CH₃OH + 3 O₂ → 2 CO₂ + 4 H₂O
在明亮的陽光照射之下，甲醇的火焰幾乎為無色，不易察覺，因此，甲醇火焰附近必須提高警覺，注意安全。

甲醇因為具有毒性，常常添加在工業酒精中作為變性劑。因為酒精為可飲用酒類的主要成分，將被課以稅金，添加甲醇可使變性酒精只能作為工業用途，免除烈酒的重稅。因為甲醇曾經為木材乾餾的副產品，所以又稱為木精。目前甲醇的生產法是經由多步驟合成：天然氣或煤氣與水蒸氣在爐中經重組反應，形成氫氣與一氧化碳；接下來，氫氣與一氧化碳在高壓與催化劑作用之下再發生反應，生成甲醇。利用許多可再生的生質材料如木材、紙漿中的黑色汁液，經由氣化反應，也可產生甲醇。

歷史
古埃及人在為屍體塗布香料時，使用了一種混合物，其中的成分包含了甲醇，那是他們裂解木材製得的。到了1661年，波以耳（Robert Boyle）蒸餾黃楊木製取甲醇，這是純的甲醇首次被分離出來，稍後甲醇被稱為火精（pyroxylic spirit）。在1834年，法國化學家杜馬士（Jean-Baptiste Dumas）和皮里哥（Eugene Peligot）測定出甲醇的元素組成。

在1923年，BASF化工廠的德國化學家米塔許（Alwin Mittasch）和皮耳（Mathias Pier）發展出一套製程，可把合成氣（包含了一氧化碳、二氧化碳和氫氣的混合物）製成甲醇。

製法
時至今日，合成氣大多經由天然氣中的甲烷製得，而非由煤製取。商業上有三種可行的製法。在4 Mpa（10-20 atm）中等壓力與高溫（850 ℃）時，在鎳的催化之下，甲烷與水蒸氣依下列反應方程式生成合成氣：
CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂
此反應通常稱為水蒸氣－甲烷重組反應（簡稱SMR），屬吸熱反應，因熱轉換的問題，使其催化反應器的大小與壓力受到限制。甲烷也可與氧分子反應，進行部分氧化，產生合成氣，如下列反應方程式：
2 CH₄ + O₂ → 2 CO + 4 H₂
此一反應屬放熱反應，釋出的熱可驅動水蒸氣－甲烷重組反應。若把這兩種反應結合在一起，又稱為自熱重組反應。

利用水煤氣轉化反應（water-gas shift reaction）可調整CO與H₂的比例，使其適於進行甲醇合成反應。
CO + H₂O → CO₂ + H₂,
接著，一氧化碳與氫氣在第二種催化劑上反應，產生甲醇。目前，本反應使用最廣泛的催化劑是銅、氧化鋅與礬土的混合物，此一催化劑是1966年由ICI公司最早使用。在5-10 Mpa（50 – 100 atm）和250 ℃時，此催化劑可催化一氧化碳與氫氣產生甲醇。
CO + 2 H₂ → CH₃OH

值得一提的是，由甲烷製造合成氣時，每生成一莫耳一氧化碳可生成3莫耳氫氣；但合成甲醇時，每消耗一莫耳一氧化碳，只消耗2莫耳氫氣。為了處理多餘的氫氣，可把二氧化碳注入合成甲醇的反應器中，使其依下列反應方程式反應，形成甲醇：
CO₂ + 3 H₂ → CH₃OH + H₂O

天然氣是製甲醇時最經濟與廣泛應用的原料，也可以使用其他原料製甲醇。尤其在中國，用煤作為原料以製造甲醇，愈來愈常見。而且，用來製造甲醇的生質氣化反應技術也已成熟。