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.

Ekologické účinky

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

Vzhledem k tomu, že methan silně absorbuje infračervené záření, patří mezi významné skleníkové plyny zvyšující teplotu zemské atmosféry (je přibližně 20krát účinnější než oxid uhličitý, ale jeho obsah v atmosféře je oproti tomu asi 200krát menší než u oxidu uhličitého: 0,0002 % methanu a 0,04 % oxidu uhličitého, takže jeho vliv je přibližně 10krát menší).^{[pozn. 1]} Metan se v atmosféře rozpadá během 10 až 12 let, takže jeho působení je sice intenzivnější než CO₂, ale krátkodobější.^[2]

Produkují ho (prostřednictvím mikrobů)^[6] hlavně mokřady, dále hospodářská zvířata a v menší míře průmysl a skládky.^[7] Významným producentem jsou ale i jezera^[8] a fjordy.^[9] Byly objeveny i další zdroje: mořští mlži,^[10][11] či některé ledovce.^[12] Produkují ho i stromy.^[13] Zhruba polovina emisí methanu je z vodních ekosystémů.^[14] Studie dříve uvažovaly, že vlivem globálního oteplování se bude methan uvolňovat i z oceánu^[15] či tundry; nejnovější výzkumy však ukazují, že tomu tak být nemusí.^[16] Uvolňování metanu se také nadhodnocovalo.^[17]

Methan je v atmosféře oxidován především působením hydroxylových radikálů. Dosavadní scénáře budoucího vývoje klimatu vycházejí z představy, že spolu s nárůstem koncentrace metanu bude v množství hydroxylových radikálů v atmosféře ubývat. Dlouhodobé sledování troposféry podalo důkaz, že koncentrace radikálu OH neklesají.^[18] Jeho molekuly opětovně vznikají působením slunečního záření. Jedním zdrojem jsou oxidy dusíku, druhým pak vodní pára a ozon za přispění ultrafialového záření v nižších vrstvách atmosféry.