metan
Metan, gaz błotny (CH₄) – organiczny związek chemiczny z grupy węglowodorów nasyconych (alkanów). Jest bezbarwnym i palnym gazem, pozbawionym smaku i zapachu; z powietrzem tworzy mieszaniny wybuchowe. Charakteryzuje się niską reaktywnością chemiczną; w temperaturze pokojowej jest obojętny na działanie kwasów, zasad i tlenu. Słabo rozpuszcza się w wodzieetanolu, eterze, toluenie, metanolu). Reaguje z halogenami (np. chlorem) tworząc w wyniku substytucji rodnikowej halogenki alkilowe (halogenoalkany) (np. chlorometan, CH₃Cl). Stanowi główny składnik gazu ziemnego, gazów występujących w kopalniach węgla kamiennego (gaz kopalniany) i gazów powstających w wyniku beztlenowego rozkładu szczątków roślinnych (gaz błotny). W postaci hydratów występuje na dnie oceanów i w wiecznej zmarzlinie; jest jednym z głównych gazów cieplarnianych. Metan ma zastosowanie jako gaz opałowy i paliwo silnikowe; w przemyśle chemicznym używany jest do produkcji wodoru, acetylenu, metanolu i nawozów sztucznych.
Występowanie metanu w przyrodzie
Metan (CH₄) jest głównym składnik gazu ziemnego (≥ 90%) gromadzącego się w szczelinach lub porowatościach skał budujących skorupę ziemską (np. piasków, piaskowców, wapieni, dolomitów) w postaci oddzielnych złóż lub złóż towarzyszących ropie naftowej lub pokładom węgla kamiennego. Metan jest także głównym składnikiem mieszaniny gazów wydzielających się w kopalniach węgla kamiennego, siarki i soli (tzw. gazu kopalnianego) bądź powstających w wyniku rozkładu szczątków roślinnych na bagnach lub mokradłach (tzw. gazu błotnego). Hydraty metanu, czyli cząsteczki metanu otoczone krystaliczną strukturą cząsteczek wody, występują na dnie oceanów lub uwięzione są w wiecznej zmarzlinie obszarów arktycznych.
Metan jest także jednym z głównych gazów cieplarnianych, przyczyniającym się do wzrostu średniej temperatury kuli ziemskiej (efektu cieplarnianego). Obecność metanu w atmosferze jest wynikiem emisji naturalnych związanych z rozkładem materii organicznej w zbiornikach słodkowodnych (np. jeziorach, mokradłach), procesami trawienia zachodzącymi w układzie pokarmowym termitów i dzikich przeżuwaczy bądź pożarami roślinności. Większość emisji spowodowana jest jednak działalnością człowiekahodowla bydła, uprawa ryżu, składowiska odpadów, eksploatacja złóż paliw kopalnych (np. ropy naftowej, gazu ziemnego) lub spalanie biomasy.
Właściwości fizyczne metanu
Metan jest bezbarwnym i łatwopalnym gazem, pozbawionym smaku i zapachu. Bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie (23,5 mg/dm³ H₂O w temp. 25°C); jest dobrze rozpuszczalny w wielu rozpuszczalnikach organicznych (etanolu, eterze dietylowym, benzenie, toluenie, metanolu), słabiej rozpuszcza się w acetonie. Mieszanina metanu z powietrzem zawierająca 4,5-15% obj. metanu ma właściwości wybuchowe. Mieszanina metanu i powietrza cechująca się wyższą zawartością metanu (>15% obj.) pali się płomieniowo. Przy nieograniczonym dostępie tlenu (tzw. spalanie całkowite) metan spala się niebieskim płomieniem o wysokiej temperaturze (ok. 1960˚C), przy ograniczonym dostępie tlenu (tzw. spalanie niecałkowite) metan spala się płomieniem o jasnożółtej lub pomarańczowej barwie i niższej temperaturze (ok. 1000°C).
Gęstość metanu w stanie gazowym wynosi 0,7168 g/dm³ (0-4°C, 1013,25 hPa); gaz ten jest więc znacznie lżejszy od suchego powietrza atmosferycznego (1,293 g/dm³). Temperatura wrzenia metanu wynosi -161,48°C (1013,25 hPa), natomiast temperatura topnienia osiąga wartość -182,47°C (1013,25 hPa). Metan w temperaturach niższych od temperatury wrzenia (< -162°C) przechodzi w bezbarwną ciecz o gęstości 422,8 g/dm³ (1013,25 hPa); podczas schładzania do temperatury niższej niż temperatura topnienia (< 182,5°C) zestala się w ciało stałe o strukturze krystalicznej (tzw. metan I). Metan, tak jak inne gazy cieplarniane, posiada zdolność pochłaniania (absorpcji) długofalowego promieniowania elektromagnetycznego z zakresu podczerwieni, przyczyniając się do wzrostu średniej temperatury kuli ziemskiej.
Budowa i właściwości chemiczne metanu
Metan (CH₄) jest organicznym związkiem chemicznym o masie molowej równej 16,04 g/mol, zaliczanym do grupy nasyconych węglowodorów alifatycznych (alkanów). Cząsteczka metanu ma kształt czworościanu foremnego (tzw. tetraedru) zbudowanego z centralnie położonego atomu węgla połączonego z czterema atomami wodoru leżącymi w jego narożach za pomocą słabo spolaryzowanych wiązań kowalencyjnych (wiązań σ). Powstają one w wyniku nałożenia się czterech pojedynczo obsadzonych orbitali sp³ atomu węgla oraz pojedynczo obsadzonych orbitali s każdego z czterech atomów wodoru. Wiązania występujące w cząsteczce metanu są równocenne; odległości pomiędzy jądrem atomu węgla i jądrami atomów wodoru są równej długości wynoszącej 108,7 pm, natomiast kąty zawarte pomiędzy nimi mają wartość 109°28’.
Otrzymywanie metanu na skalę laboratoryjną odbywa się z wykorzystaniem następujących reakcji chemicznych:
- prażenia octanu sodu (CH₃COONa) i wodorotlenku sodu (NaOH) w podwyższonej temperaturze (> 300˚C) z wytworzeniem metanu (CH₄) i węglanu sodu (Na₂CO₃):
CH₃COONa+NaOH→CH₄+Na₂CO₃
- hydrolizy węgliku glinu (Al₄C₃), czyli rozkładu tego związku chemicznego do metanu (CH₄) i wodorotlenku glinu (Al(OH)₃) w środowisku wodnym:
Al₄C₃+12H₂O→3CH₄+4Al(OH)₃
- reakcji węgliku glinu (Al₄C₃) z mocnym kwasem nieorganicznym, np. kwasem solnym (HCl) z wytworzeniem metanu (CH₄) i chlorku glinu (AlCl₃):
Al₄C₃+12HCl→3CH₄+4AlCl₃
Metan na skalę przemysłową otrzymywany jest w reakcji wodorowania ditlenku węgla (CO₂) w obecności katalizatora rutenowego (reakcji Sabatiera) bądź reakcji wodorowania tlenku węgla (CO) w obecności tlenków żelaza, kobaltu, rutenu i niklu (syntezie Fischera-Tropscha).
Metan charakteryzuje się niewielką reaktywnością chemiczną; w temperaturze pokojowej jest obojętny na działanie kwasów, zasad bądź tlenu obecnego w powietrzu. Po osiągnięciu temperatury zapłonu (> 600°C) łatwo ulega spalaniu z wytworzeniem produktów zależnych od ilości tlenu zawartego w powietrzu:
- spalanie całkowite – całkowite utlenianie metanu do ditlenku węgla:
CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O;
- półspalanie – utlenianie metanu do tlenku węgla przy niedostatecznej ilości tlenu:
2CH₄+3O₂→2CO+4H₂O;
- spalanie niecałkowite – utlenianie metanu do węgla przy niedostatecznej ilości tlenu:
CH₄+O₂→C+2H₂O
Metan (CH₄) reaguje z halogenami (np. chlorem, Cl) w reakcji halogenowania (chlorowania) zachodzącej w obecności światła według mechanizmu substytucji wolnorodnikowej, tworząc halogenki alkilowe (halogenoalkany) (np. chlorometan, CH₃Cl):
- inicjacja – rozpad dwuatomowej cząsteczki chloru (Cl₂) na wolne rodniki chloru (Cl•) pod wpływem promieniowania ultrafioletowego (hν):
Cl₂→ Cl• + Cl•
- propagacja – reakcja metanu (CH₄) z wolnym rodnikiem chloru (Cl•) z wytworzeniem wolnego rodnika metylowego (CH₃•):
CH₄+ Cl• → CH₃• + HCl
- terminacja – reakcja wolnego rodnika chloru (Cl•) i wolnego rodnika metylowego (CH₃•) z wytworzeniem chlorometanu (CH₃Cl):
CH₃• + Cl• → CH₃Cl
Metan (CH₄) pod wpływem wysokiej temperatury (> 1000˚C) może ulegać reakcji pirolizy (dekarbonizacji) z wytworzeniem węgla (C) i wodoru (H₂) oraz reakcji dehydrogenacji (odwodornienia) z wytworzeniem węgla (C), nienasyconych węglowodorów alifatycznych (alkenów i alkinów), np. etenu (etylenu) (C₂H₄)) i etynu (acetylenu) (C₂H₂) oraz wodoru (H₂).
Znaczenie biologiczne metanu
Metan występujący naturalnie w przyrodzie ma w głównej mierze pochodzenie biogeniczne; powstaje więc w wyniku aktywności biologicznej organizmów żywych. Metan jest produktem ubocznym redukcji ditlenku węgla (CO₂) przy udziale wodoru (H₂), umożliwiającej pozyskanie energii niezbędnej do procesów życiowych w procesie oddychania beztlenowego określanym mianem metanogenezy. Metan syntetyzowany jest przez organizmy beztlenowe (anaeroby) z domeny archeowców, tzw. metanogeny (np. Methanobacterium, Methanosarcina), które zasiedlają obszary podmokłe (np. bagna, mokradła, torfowiska, pola ryżowe), osady denne zbiorników wodnych (np. jezior, mórz, oceanów), gleby i układy pokarmowe roślinożerców (np. przeżuwaczy i termitów). Metan wytwarzany przez metanogeny wykorzystywany jest przez organizmy beztlenowe (anaeroby) i tlenowe (aeroby) z domeny archeowców i bakterii, tzw. metanotrofy (np. Methylobacter, Methylococcus). Organizmy te utleniają metan do ditlenku węgla (CO₂) i wody (H₂O) w celu pozyskania energii niezbędnej do syntezy złożonych związków organicznych. Metanogeny i metanotrofy pełnią istotną rolę w obiegu węgla na Ziemi, zapewniając utrzymanie naturalnej równowagi między produkcją i rozkładem metanu.
Zastosowania metanu
Metan, stanowiący główny składnik gazu ziemnego, jest ważnym surowcem energetycznym. Wykorzystywany jest jako gaz opałowy (grzewczy) w budynkach mieszkalnych i użytkowych oraz zakładach przemysłowych, paliwo do napędzania silników spalinowych i źródło energii do produkcji energii elektrycznej. Metan stosowany jest w przemyśle chemicznym jako surowiec do produkcji wodoru (H₂), acetylenu (C₂H₂), cyjanowodoru (HCN), pochodnych chlorowych, np. chlorometanu (CH₃Cl) i tetrachlorometanu (czterochlorku węgla) (CCl₄), metanolu (CH₃OH), disiarczku węgla (CS₂), amoniaku (NH₃), sadzy węglowej, benzyn i olejów syntetycznych, nawozów sztucznych i gazu syntezowego (mieszaniny tlenku węgla i wodoru) wykorzystywanego do otrzymywania metanolu, alkenów, kwasów karboksylowych i innych związków organicznych. Metan stosowany jest również w przemyśle farbiarskim do produkcji farb drukarskich; w przemyśle tworzyw sztucznych związek ten wykorzystywany jest jako surowiec do produkcji wytwarzania plastików, gumy syntetycznej oraz polisiloksanów.
