Methan

Methan (mimo chemii dle PČP metan) neboli podle systematického názvosloví karban je nejjednodušší alkan, a tedy i nejjednodušší stabilní uhlovodík vůbec. Při pokojové teplotě je to netoxický plyn bez barvy a zápachu, lehčí než vzduch (relativní hustota 0,55 při 20 °C).

Methan
Strukturní vzorec
Tyčinkový model
Kalotový model
Obecné
Systematický název	methan
Triviální název	bahenní plyn
Ostatní názvy	metan
Sumární vzorec	CH4
Vzhled	bezbarvý plyn
Identifikace
Registrační číslo CAS	74-82-8
EC-no (EINECS/ELINCS/NLP)	200-812-7
Indexové číslo	601-001-00-4
Vlastnosti
Molární hmotnost	16,042 6 g/mol
Teplota tání	−182,5 °C
Teplota varu	−161,6 °C
Hustota	0,676 kg/m3 (plyn, 21 °C, 1 013 hPa) 0,422 62 g/cm3 (kapalina, −161,6 °C, 1 013 hPa)
Kritická teplota Tk	−82,7 °C
Kritický tlak pk	4,596 MPa
Rozpustnost ve vodě	0,22 mg/l (20 °C)
Struktura
Dipólový moment	0
Bezpečnost
GHS02 [1] Nebezpečí[1]
H-věty	H220
R-věty	R12
S-věty	(S2) S9 S16 S33
NFPA 704	4 1 0
Teplota vzplanutí	−188 °C
Teplota vznícení	600 °C
Meze výbušnosti	5–15 %
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa). Některá data mohou pocházet z datové položky.

Geometrie molekuly methanu. Červenými linkami naznačen opsaný čtyřstěn

3D model methanu s vyznačenými hybridizovanými orbitaly sp³

Příprava

Hlavním zdrojem methanu je přírodní surovina zemní plyn. Přímá příprava sloučením uhlíku s vodíkem je prakticky nemožná, vzhledem k tomu, že by uhlík musel být nejprve převeden do plynného stavu. Teoreticky však lze methan připravit dvoustupňovou syntézou přes sirouhlík

C + 2 S → CS₂,

který pak reakcí se sulfanem (sirovodíkem) a mědí dá methan

CS₂ + 2 H₂S + 8 Cu → CH₄ + 4 Cu₂S.

Jinou možností je reakce karbidu hliníku s vodou

Al₄C₃ + 12 H₂O → 3 CH₄ + 4 Al(OH)₃.

Laboratorně se dá připravit žíháním směsi octanu sodného s hydroxidem sodným (natronovým vápnem)

CH₃COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃.

Vlastnosti

Molekula methanu má symetrii pravidelného čtyřstěnu (bodová grupa symetrie T_d), v jehož těžišti se nachází uhlíkový atom a v jehož vrcholech se nacházejí vodíkové atomy. Díky této vysoké symetrii je celkově molekula methanu nepolární, přestože vazby H–C slabou polaritu vykazují.

Methan může reagovat explozivně s kyslíkem

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O.

Bod samovznícení je sice velmi vysoký (595 °C, teplota vznícení při koncentraci 8,5 % je 537 °C), ale stačí např. elektrická jiskra nebo otevřený plamen a směs methanu se vzduchem může být přivedena k výbuchu (minimální iniciační energie je 0,28 mJ). Přitom meze výbušnosti jsou značně velké, od 4,4 do 15 objemových procent. Proto je nezbytně nutné průběžně sledovat koncentraci methanu (důlního plynu) v uhelných dolech, aby se předešlo katastrofám. Podobně prudce může methan reagovat i s plynným chlorem, je-li reakce iniciována prudkým zahřátím. Za normální teploty probíhá pomalu čtyřstupňově za vzniku chlorovaných derivátů methanu

1. CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl,
2. CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl,
3. CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl,
4. CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl.

Podobně reaguje i s jinými halogeny. Jinak je málo reaktivní.

Dokonalé hoření methanu

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Nedokonalé hoření methanu

CH₄ + O₂ → 2H₂O + C, nebo

2CH₄ + 3O₂ → 4H₂O + 2CO

Výskyt v přírodě

Methan se přirozeně vyskytuje na Zemi:

• v atmosféře, kam se dostává zejména jako produkt rozkladu látek biogenního původu (bioplyn), nebo jako produkt metabolismu velkých přežvýkavců, také z termitišť a z rýžových polí.
• v podzemí:
  • jako hlavní složka zemního plynu
  • jako součást důlního plynu v dolech
  • rozpuštěný v ropě
• rozpuštěný ve vodě některých jezer, zvláště v Africe (např. jezero Kivu mezi Rwandou a Kongem)
• tvoří bublinky pod ledem rozmrzajícího permafrostu, například na Sibiři

Bubliny methanu, unikajícího ze dna Abrahamova jezera

Přítomnost ve vesmíru

Ve vesmíru byl nalezen v plynných mračnech v mezihvězdném prostoru.

Dále je obsažen v atmosférách velkých planet (Jupiter, Saturn, Uran a Neptun) sluneční soustavy. V pevném stavu je součástí tzv. ledových měsíců velkých planet a tvoří zřejmě nezanedbatelnou část hmoty transneptunických těles, případně je vysrážen ve formě ledu nebo jinovatky na jejich povrchu (např. Pluto). Byl také prokázán v komách komet.

Původ na Zemi

Na Zemi pochází asi 90 % metanu z produkce živých organismů, menší část vzniká při geologických aktivitách (např. tavením magmatu). Mezi přírodní zdroje patří mokřady (hnilobné procesy), lesy, mořské ekosystémy a také mikroorganismy v trávicím ústrojí živočichů (například archea v trávicím traktu skotu). Dalším zdrojem je těžba a spalování fosilních paliv, zemědělství (chov skotu) a skládky.^[2]

Podle studie z Institutu pro arktický a alpinský výzkum z roku 2024 jsou za růst koncentrace metanu v atmosféře Země v posledních letech^[kdy?] zodpovědné mikroorganismy a nikoliv fosilní paliva. Původně bylo odhadováno, že fosilní zdroje mohou až za 30 % produkce, což studie zpochybňuje na základě obsahu izotopu uhlíku ¹³C. Zda je zvýšení produkce metanu z mikrobiálních zdrojů přírodního původu nebo důsledek lidské činnost, zatím není jasné.^[2]

Ve vesmíru však bez dalších podkladů nelze původ metanu prokázat.^[3] Zprávy některých médií, které z objevu metanu usuzují na existenci života ve vesmíru, jsou proto považovány za nepodložené.^[4]

Použití

Automobil poháněný na stlačený zemní plyn.

Hlavní oblastí použití methanu je energetika, kde slouží ve směsi s jinými uhlovodíky jako plynné palivo. V automobilové dopravě představuje jednu z pohonných látek, pod označením CNG (Compressed Natural Gas), stlačený zemní plyn, jehož hlavní složku tvoří právě methan.

Methan je spolu s kyslíkem používán jako palivo pro raketové motory vesmírné lodi Starship.^[5]

V chemickém průmyslu se používá především k výrobě oxidu uhličitého dokonalým spalováním se vzduchem a při nedokonalém spalování k výrobě sazí používaných jako plnidlo a barvivo v gumárenském průmyslu. Pyrolýzou (tepelným rozkladem) za nepřístupu vzduchu se vyrábí ethyn (acetylen) a vodík.

Environmentální význam

Historická atmosférická proxy data koncentrace metanu a oxidu uhličitého během posledních dob ledových

Změna koncentrace během posledních 2 tisíciletí

Měřená koncentrace atmosférického metanu na hoře Mauna Loa od roku 1987

Metan jako skleníkový plyn mohl přispět k největšímu masovému vymírání fanerozoika asi před 252 miliony let. Zvýšení jeho koncentrace v zemské atmosféře v moderní době je jedním z aspektů antropocénu.^[6] Podle dvou studií Global Carbon Project pocházelo více než 60 % emisí metanu v roce 2017 z lidských aktivit.^[7][8]

V roce 2021 dosáhla koncentrace v atmosféře 262 % úrovně před industrializací. Podle odhadů WMO vzrostla v roce 2021 globální průměrná koncentrace metanu o 18 na 1908 ppb. V roce 2020 se koncentrace zvýšila o 15 ppb, což je také více než dlouhodobý průměr.^[9]

Atmosférická chemie

V okysličené atmosféře se methan pomalu oxiduje, zejména hydroxylovými radikály na oxid uhličitý a vodu. Tento proces je pomalý; poločas rozpadu se odhaduje na 12 let.^[10][11]

V atmosféře Země metan nejprve reaguje s kyslíkem a vytváří formální dehyd a v případě potřeby ozon.^[12]  Další oxidace nakonec produkuje oxid uhličitý a vodu.

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+\ 4\ O_{2}\ \longrightarrow CH_{2}O\ +\ 2\ O_{3}+\ H_{2}O} }$

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+\ O_{2}\ \longrightarrow CH_{2}O\ +\ H_{2}O} }$

Ve stratosféře je metan hlavním zdrojem hydroxylových radikálů a vody, stejně jako přeměny atomového chloru na chlorovodík.^[13]

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+O{(^{1}D)}\ \longrightarrow CH_{3}+OH} }$

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+Cl\ \longrightarrow CH_{3}+HCl} }$

Potenciál globálního oteplování

Potenciál methanu pro globální oteplování, založený na období 100 let, je 28krát vyšší než potenciál stejného množství oxidu uhličitého podle hmotnosti. Podle nedávné studie je tento faktor 33, když se vezmou v úvahu interakce s atmosférickými aerosoly.^[10][14]  Během 20 let tento faktor stoupá na 84. Metan přispívá přibližně 20 až 30 % k antropogennímu skleníkovému efektu.^[15] Podle Programu OSN pro životní prostředí (UNEP) by opatření proti emisím metanu mohla způsobit, že průměrná globální teplota vzroste do roku 2045 téměř o 0,3 °C pomaleji, než se očekávalo.^[15] Ve srovnání s oxidem uhličitým má methan kratší dobu setrvání v zemské atmosféře (12 let oproti 5–200 letům).^[16]  V říjnu 2021 oznámil Program OSN pro životní prostředí (UNEP) založení Mezinárodní observatoře emisí metanu (IMEO), která má doplnit „Globální závazek k metanu“ zahájený USA a EU.^[17][18]  IMEO používá k identifikaci úniků metanu satelitní snímky.^[19] Současně Světová meteorologická organizace (WMO) zaznamenala v roce 2021 nejvyšší nárůst koncentrace metanu v atmosféře od zahájení systematických měření. Nejrychlejší a nejefektivnější způsob, jak snížit emise metanu, by byl energetický sektor. Podle odhadů Mezinárodní energetické agentury (IEA) by bylo možné eliminovat 60 až 80 % těchto emisí bez dalších nákladů.^[20]