Methan

Methan
Strukturní vzorec
Strukturní vzorec
Tyčinkový model
Tyčinkový model
Kalotový model
Kalotový model
Obecné
Systematický názevmethan
Triviální názevbahenní plyn
Ostatní názvymetan
Sumární vzorecCH4
Vzhledbezbarvý plyn
Identifikace
Registrační číslo CAS74-82-8
EC-no (EINECS/ELINCS/NLP)200-812-7
Indexové číslo601-001-00-4
Vlastnosti
Molární hmotnost16,042 6 g/mol
Teplota tání−182,5 °C
Teplota varu−161,6 °C
Hustota0,676 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 pk4,596 MPa
Rozpustnost ve vodě0,22 mg/l (20 °C)
Struktura
Dipólový moment0
Bezpečnost
GHS02 – hořlavé látky
GHS02
[1]
Nebezpečí[1]
H-větyH220
R-větyR12
S-věty(S2) S9 S16 S33
NFPA 704
4
1
0
Teplota vzplanutí−188 °C
Teplota vznícení600 °C
Meze výbušnosti5–15 %
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

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).

Příprava

Hlavním zdrojem methanu je přírodní surovina zemní plyn. Přímá příprava sloučením uhlíkuvodíkem 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 sodnéhohydroxidem sodným (natronovým vápnem)

CH3COONa + NaOH → CH4 + Na2CO3.

Vlastnosti

Molekula methanu má symetrii pravidelného čtyřstěnu (bodová grupa symetrie Td), 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 explozivněkyslíkem

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O.

Bod samozážehu 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 + Cl2CH3Cl + HCl,
  2. CH3Cl + Cl2CH2Cl2 + HCl,
  3. CH2Cl2 + Cl2CHCl3 + HCl,
  4. CHCl3 + Cl2CCl4 + 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:

  • atmosféře, kam se dostává zejména jako produkt rozkladu látek biogenního původu (bioplyn), nebo jako produkt metabolismu velkých přežvýkavců, také z termitišť a z rýžovišť.
  • v podzemí:
  • 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).

Ve vesmíru však bez dalších podkladů nelze původ metanu prokázat.[2] Zprávy některých médií, které z objevu metanu usuzují na existenci života ve vesmíru, jsou proto považovány za nepodložené.[3]

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.[4]

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]

Produkují ho hlavně mokřady, dále hospodářská zvířata a v menší míře průmysl a skládky.[5] Významným producentem jsou ale i jezera[6] a fjordy.[7] Byly objeveny i další zdroje: mořští mlži,[8][9] či některé ledovce.[10] Produkují ho i stromy.[11] Zhruba polovina emisí methanu je z vodních ekosystémů.[12] Studie dříve uvažovaly, že vlivem globálního oteplování se bude methan uvolňovat i z oceánu[13] či tundry; nejnovější výzkumy však ukazují, že tomu tak být nemusí.[14] Uvolňování metanu se také nadhodnocovalo.[15]

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.[16] 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.

Odkazy

Poznámky

  1. Pro přehled účinnosti skleníkových plynů viz tabulka v hesle skleníkové plyny

Reference

  1. a b Methane. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov [online]. PubChem [cit. 2021-05-23]. Dostupné online. (anglicky) 
  2. BRANDEJSKÁ, Anna. Vědci znovu objevili metan na Marsu, mohl by znamenat život [online]. iDnes, 2009-01-15 [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. 
  3. KUBALA, Petr. Metan na Marsu není téma pro bulvár [online]. Česká astronomická společnost, 200-01-16 [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. 
  4. MELECHIN, Petr. Vše o Starship [online]. 2019-01-26 [cit. 2022-01-10]. Dostupné online. 
  5. PAZDERA, Josef. Dobytek otepluje Zemi více, než ropný těžařský průmysl s plynárenským dohromady. osel.cz [online]. 2014-07-15 [cit. 2023-01-13]. Dostupné online. 
  6. PURCHASE, Delyth. Study shows lake methane emissions should prompt rethink on climate change. phys.org [online]. 2019-12-04 [cit. 2023-01-13]. Dostupné online. (anglicky) 
  7. University of Gothenburg. Fjords may emit as much methane as all the deep oceans globally. phys.org [online]. 2022-05-27 [cit. 2023-01-13]. Dostupné online. (anglicky) 
  8. Baltic Sea clams 'giving off as much gas as 20,000 cows'. BBC News [online]. 2017-10-13 [cit. 2023-01-13]. Dostupné online. (anglicky) 
  9. NASCIMENTO, Francisco J. A.; FRU, Ernest Chi; ALESSANDRA VICENZI. Methane fluxes from coastal sediments are enhanced by macrofauna. Scientific Reports. 2017-10-13, roč. 7, čís. 1, s. 1–10. Dostupné online [cit. 2019-08-12]. ISSN 2045-2322. DOI 10.1038/s41598-017-13263-w. PMID 29030563. (anglicky) 
  10. PAZDERA, Josef. Oteplují ledovce planetu? Některé ano!. osel.cz [online]. 2018-11-27 [cit. 2023-01-13]. Dostupné online. 
  11. JEFFREY, Luke. Methane-eating bacteria found in a common tree is possible game-changer for curbing greenhouse gases. sciencex.com [online]. [cit. 2023-01-13]. Roč. 2021-04-09. Dostupné online. (anglicky) 
  12. ROSENTRETER, Judith. Half of global methane emissions come from aquatic ecosystems—much of it human-made. sciencex.com [online]. 2021-04-06 [cit. 2023-01-13]. Dostupné online. (abgkucjy) 
  13. Study finds hydrate gun hypothesis unlikely. phys.org [online]. 2017-08-23 [cit. 2023-01-13]. Dostupné online. (anglicky) 
  14. Oregon State University. Methane from tundra, ocean floor didn't spike during previous natural warming period. phys.org [online]. 2017-08-23 [cit. 2023-01-13]. Dostupné online. (anglicky) 
  15. Center for Arctic Gas Hydrate, Climate and Environment. Climate gas budgets highly overestimate methane discharge from Arctic Ocean. phys.org [online]. 2020-01-13 [cit. 2023-01-13]. Dostupné online. (anglicky) 
  16. PAZDERA, Josef. Čistič skleníkových plynů se recykluje. osel.cz [online]. 2018-12-03 [cit. 2023-01-13]. Dostupné online. (anglicky) 

Literatura

Související články

Externí odkazy

Média použitá na této stránce

Methane-2D-stereo.svg
Chemical structure of methane.
NFPA 704.svg
The "fire diamond" as defined by NFPA 704. It is a blank template, so as to facilitate populating it using CSS.
Ch4-hybridisation.png
Autor: by Sinuhe, Licence: CC BY-SA 3.0
My feeble attempt at drawing methane in terms of hybrid orbitals
Ghgs-lawdome-2000yr-CH4-asof2010.svg
Autor: DeWikiMan, Licence: CC BY-SA 4.0
Atmospheric methane concentrations in the Common Era (yrs. 0–2016).
  • Blue line:
    • Name of dataset: Law Dome Ice Core 2000-Year CH4 Data
    • last update: 7/2010 (Original receipt by WDC Paleo)
    • contributor: David Etheridge, CSIRO Marine and Atmospheric Research
    • IGBP PAGES/WDCA contribution series number: 2010-070
    • Online: ncdc.noaa.gov, accessed 2017-03-18
    • cf: C. MacFarling Meure et al.: Law Dome CO2, CH4 and N2O ice core records extended to 2000 years BP. In: Geophysical Research Letters. Volume 33, L14810, doi:10.1029/2006GL026152, 2006
  • Red line:
    • Cape Grim data: "CSIRO Marine and Atmospheric Research and the Australian Bureau of Meteorology (Cape Grim Baseline Air Pollution Station)" (CSIRO and the Australian Bureau of Meteorology give no warranty regarding the accuracy, completeness, currency or suitability for any particular purpose and accept no liability in respect of data.)
    • Online: csiro.au, accessed 2017-03-18
Methan geom2.svg
Autor: Д.Ильин: vectorization, Licence: CC0
Geometrie molekuly methanu
Abraham Lake - bubbles.jpg
Autor: Jakub Fryš, Licence: CC BY-SA 4.0
Bubbles on frozen Abraham Lake
Carroagas.jpg
Danae Y Macarena a:D