Definicja pojęcia:

metan, gaz błotny

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 wodzie; jest dobrze rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych (np. etanolu, 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. 
  1. Występowanie metanu w przyrodzie
  2. Właściwości fizyczne metanu
  3. Budowa i właściwości chemiczne metanu
  4. Znaczenie biologiczne metanu
  5. Zastosowania metanu

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 człowieka; do głównych źródeł antropogenicznych emitujących duże ilości metanu należą hodowla bydła, uprawa ryżu, składowiska odpadów, eksploatacja złóż paliw kopalnych (np. ropy naftowej, gazu ziemnego) lub spalanie biomasy.
Naturalne i antropogeniczne źródła emisji metanu. Źródło: Shutterstock

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.
Metan jest gazem palnym; przy nieograniczonym dostępie tlenu spala się niebieskim płomieniem o wysokiej temperaturze, fot. Regormark/Shutterstock

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’.
Budowa cząsteczki metanu. Źródło: Shutterstock
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).
Otrzymywanie metanu w reakcji prażenia octanu sodu (CH₃COONa) i wodorotlenku sodu (NaOH) w podwyższonej temperaturze. Źródło: Shutterstock
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):

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.
Otrzymywanie pochodnych chlorowych w reakcji chlorowania metanu. Źródło: Shutterstock

Bibliografia

  1. Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson; “Biologia Campbella”; Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020. ;
  2. Graham L. Patrick; “Chemia organiczna – krótkie wykłady”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2018.;
  3. John McMurry; “Chemia organiczna”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.;
  4. Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price; “Chemistry³. Introducing inorganic, organic and physical chemistry, ”; Oxford University Press, 2017;
  5. Zdzisława Otałęga (red. nacz.); “Encyklopedia biologiczna T. I, VI”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1998.;
  6. K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger ; “Nowoczesne kompendium chemii ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. ;
  7. Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren; “Organic Chemistry”; Oxford University Press, 2012. ;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.9
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź