Przejdź do zawartości

Metan

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Metan
Ogólne informacje
Wzór sumaryczny

CH4

Masa molowa

16,04 g/mol

Wygląd

bezbarwny i bezwonny gaz[1]

Identyfikacja
Numer CAS

74-82-8

PubChem

297

DrugBank

DB15994

Podobne związki
Podobne związki

etan, propan, silan

Pochodne alkanowe

tetrachlorometan, trifluorometan, chloroform, jodoform, tetrafluorometan

Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa)
Multimedia w Wikimedia Commons
Hasło w Wikisłowniku

Metan, CH4 – organiczny związek chemiczny, najprostszy węglowodór nasycony (alkan). W temperaturze pokojowej jest bezwonnym i bezbarwnym gazem. Jest stosowany jako gaz opałowy i surowiec do syntezy wielu innych związków organicznych.

Budowa cząsteczki

[edytuj | edytuj kod]

Cząsteczka metanu ma kształt tetraedru (czworościanu foremnego). Atom węgla wykazuje hybrydyzację sp3. Powstałe orbitale tworzą wiązania z czterema atomami wodoru. Wszystkie te wiązania są równocenne (kąty pomiędzy wiązaniami wynoszą 109°28′) i bardzo słabo spolaryzowane, co w połączeniu z brakiem wolnych par elektronowych jest powodem względnej trwałości chemicznej tego związku. Może on uczestniczyć tylko w typowych dla alkanów reakcjach (np. spalanie).

Występowanie

[edytuj | edytuj kod]

Metan został odkryty i wyizolowany przez Alessandro Voltę w latach 1776–1778, gdy badał gaz z mokradeł nad jeziorem Maggiore. Powstaje on w przyrodzie w wyniku beztlenowego rozkładu szczątków roślinnych (np. na bagnach), tworząc tzw. gaz błotny[8]. Stanowi też główny składnik gazu kopalnianego i gazu ziemnego[8] (zwykle ≥ 90%). Głównym źródłem metanu jest gaz ziemny i pokłady węgla (Główny Instytut Górnictwa wskazuje na możliwe zasoby geologiczne metanu w pokładach węgla w Polsce na poziomie 250 mld m³[9]). Często występuje w towarzystwie innych węglowodorów, sporadycznie w towarzystwie helu i azotu.

Metan atmosferyczny

[edytuj | edytuj kod]
Zawartość metanu mierzona do października 2019. Najwyższa zawartość wynosząca 1900,49 ppb została osiągnięta w listopadzie 2018 roku.

W 2019 roku średni poziom metanu wyniósł 1874,7 ppb[10]. Historyczne stężenia metanu w ziemskiej atmosferze znajdowały się w przedziale od 300 do 800 ppb[11].

Metan jest gazem cieplarnianym, którego potencjał cieplarniany jest 72-krotnie większy niż dwutlenku węgla (w skali 20 lat) lub 25 (w skali 100 lat)[12]. Szacuje się, że w 2001 roku metan odpowiadał za 20% wymuszenia radiacyjnego wśród gazów cieplarnianych (wykluczając parę wodną)[13].

Pomiędzy 2015 i 2019 rokiem odnotowano gwałtowny wzrost poziomu atmosferycznego metanu[14][15]. W lutym 2020 roku doniesiono, że ilość metanu emitowanego przez przemysł paliw kopalnych mógł być znacząco niedoszacowany[16].

Zmiana klimatu może zwiększyć zawartość atmosferycznego metanu poprzez zwiększenie produkcji w naturalnych ekosystemach, tworząc sprzężenie zwrotne klimatu.

Metan wpływa także w niewielkim stopniu na degradację ozonosfery[17].

Charakterystyczna struktura hydratu gazu. Wydobyte ze strefy subdukcji w stanie Oregon

Klatraty

[edytuj | edytuj kod]
Schemat dynamiki klatratów metanu i ich dystrybucji w różnych regionach

Klatraty metanu (hydraty metanu) są układami, w których cząsteczki metanu uwięzione są w krystalicznych strukturach cząsteczek wody. Znaczne pokłady klatratów znajdują się w wiecznych zmarzlinach Arktyki oraz wzdłuż szelfów kontynentalnych pod sedymentami stoków kontynentalnych. Złoża takie występują w strefach stabilności hydratów gazu GHSZ (ang. Gas Hydrate Stability Zone), pod wysokim ciśnieniem (1 do 100MPa; niższe ciśnienie wymaga niższej temperatury) i niską temperaturą (<15 °C; wyższa temperatura wymaga wyższego ciśnienia)[18]. Klatraty metanu mogą powstawać z metanu biogenicznego, termogenicznego lub współudziału tych dwóch. Złoża te są zarówno potencjalnymi źródłami paliwa, jak i globalnego ocieplenia[19][20]. Masa węgla w światowych złożach hydratów pozostaje niepewna, szacowano, że wynosi pomiędzy 500Gt a 12 500Gt[21]. Ostatnie szacunki zmalały do ok. 1800Gt węgla[22]. Niepewność ta bierze się z niedostatecznej wiedzy na temat wszystkich pokładów metanu.

Niektóre modele klimatyczne sugerują, że dzisiejsze emisje metanu z dna oceanicznego przypominają te z okresu Paleoceńsko-eoceńskiego maksimum termicznego (PETM) ok. 55,5 miliona lat temu, wciąż brak jednak dowodów na to co dokładnie dzieje się z metanem z rozpadających się klatratów i w jakim stopniu dociera on do atmosfery[22]. Hipoteza pistoletu metanowego przewiduje, że arktyczna emisja metanu pochodząca z klatratów w wiecznej zmarzlinie i dnie morskim może być kolejną przyczyną ocieplania się klimatu[23][20][21][22]. Dane z 2016 roku sugerują, że arktyczna wieczna zmarzlina zanika szybciej niż przewidywano[24].

Powstawanie

[edytuj | edytuj kod]

Szlaki geologiczne

[edytuj | edytuj kod]

Występują dwa główne szlaki geologicznego powstawania metanu (i) organiczny (termiczny) i (ii) nieorganiczny (abiotyczny)[25]. Termogeniczny metan powstaje wskutek rozpadania się materii organicznej w odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu w głębokich warstwach osadowych. Większość metanu w basenach sedymentacyjnych jest termogeniczna; przez to, termogeniczny metan jest najważniejszym źródłem gazu opałowego. Metan termogeniczny uznawany jest za relikt (pochodzi z dawnych czasów). Formowanie się termogenicznego metanu (na głębokości) może zachodzić wskutek rozpadu materii organicznej lub syntezy. Oba sposoby mogą angażować mikroorganizmy (metanogeneza) lub zachodzić samoczynnie. Towarzyszące temu procesy mogą również zużywać metan, z udziałem mikroorganizmów lub bez.

Ważniejszymi źródłami metanu na głębokości (krystaliczna skała macierzysta) są czynniki abiotyczne. Abiotyczne oznacza, że metan tworzony jest ze związków nieorganicznych, bez aktywności biologicznej, poprzez procesy magmowe lub poprzez reakcje wody ze skałami występującymi zachodzącymi w niskich temperaturach i ciśnieniu. Przykładem takiej reakcji jest serpentynizacja (reakcja Oliwin z wodą i dwutlenkiem węgla)[26][27]:

(Fe,Mg)
2SiO
4 + nH
2O + CO
2 → Mg
3Si
2O
5(OH)
4 + Fe
3O
4 + CH
4

Szlaki biologiczne

[edytuj | edytuj kod]

Większość ziemskiego metanu jest biogeniczna, produkowana w procesie metanogenezy[28][29], formie beztlenowego oddychania obecnej tylko wśród niektórych osobników domeny Archeonów[30]. Metanogeny zamieszkują wysypiska śmieci, niektóre gleby[31], przeżuwacze (np. bydło)[32], jelita termitów i beztlenowe osady pod dnami mórz i jezior. Pola ryżowe w czasie wzrostu roślin generują duże ilości metanu[33]. Ten wieloetapowy proces wykorzystywany jest przez organizmy do wytwarzania energii. Reakcję można zapisać w postaci poniższego równania:

CO
2 + 4H
2 → CH
4 + 2H
2O

Ostatni krok w tym procesie katalizowany jest przez enzym Koenzym-β sulfoetyltiotransferaze (MCR)[34]

Przeżuwacze

[edytuj | edytuj kod]
Badanie Australijskich owiec na ilość wydychanego metanu (2001), CSIRO

Przeżuwacze, takie jak bydło, wydzielają metan, w USA odpowiadają za ok. 22% całkowitej rocznej emisji metanu do atmosfery[35]. Jedno z badań donosiło, że sektor hodowlany generalnie (głównie bydło, kurczaki i świnie) produkuje 37% wytwarzanego przez człowieka metanu[36]. Kolejne badanie z 2013 roku szacowało, że hodowla odpowiada za 44% wytwarzanego przez człowieka metanu i ok. 15% wytworzonych przez człowieka gazów cieplarnianych[37]. Podejmowanych jest wiele starań aby ograniczyć produkcję metanu w hodowli zwierząt. Wśród nich znajdują się działania medyczne, dostosowywanie diety[38] i wyłapywanie gazu w celu wykorzystania go jako paliwo[39].

Sedymenty morskie

[edytuj | edytuj kod]

Większość osadów znajdujących się pod dnem morskim jest beztlenowa ponieważ tlen zostaje usunięty przez mikroorganizmy tlenowe w kilku górnych centymetrach sedymentu. Poniżej nasyconego tlenem dna morskiego metanogeny produkują metan, który wykorzystywany jest przez inne organizmy lub więziony w klatratach[40]. Organizmy, które zużywają metan do produkcji energii nazywane są metanotrofami i są głównym czynnikiem ograniczającym ilość uwalnianego do atmosfery metanu[40]. Skupiska mikroorganizmów przeprowadzające proces zwany beztlenowym utlenianiem metanu(AOM) składają się z beztlenowych metanotroficznych archeonów (ANME) i bakterii redukujących siarkę (SRB)[41].

Przemysł

[edytuj | edytuj kod]

Metan można wytworzyć poprzez wodorowanie dwutlenku węgla używając reakcji Sabatiera. Metan jest również produktem reakcji wodorowania tlenku węgla(II) w syntezie Fischera-Tropscha, która używana jest na dużą skalę do produkcji związków o dłuższym łańcuchu.

Możliwa jest gazyfikacja węgla do metanu. Przykładem takiej gazyfikacji na dużą skalę jest zakład Dakota Gasification Company. Węgiel brunatny jest najpierw utleniany (spalany). Powstała mieszanina gazów wodoru i tlenków węgla, po oczyszczeniu z azotu, siarki itp., jest następnie wykorzystywana w procesie wodorowania na katalizatorze niklowym[42].

Moc na gaz (ang. power-to-gas, P2G) to technologia, w której wykorzystuje się prąd elektryczny do produkcji wodoru w procesie elektrolizy wody. Następnie używając reakcji Sabatiera wykorzystuje się wodór i dwutlenek węgla produkując metan. Teoretycznie proces ten może być wykorzystywany jako bufor dla nadmiaru prądu produkowanego przez turbiny wiatrowe i panele słoneczne. W Kwietniu 2014 roku Unia Europejska współfinansowała projekt badawczy HELMETH (Integrated High-Temperature ELectrolysis and METHanation for Effective Power to Gas Conversion). W czasie badań osiągnięto efektywność procesu P2G na poziomie 76%, a zwiększając skalę szacuje się możliwe zwiększenie efektywności do 80%[43].

Synteza laboratoryjna

[edytuj | edytuj kod]

Do celów laboratoryjnych metan można otrzymać w wyniku:

CH
3COONa + NaOH → CH
4↑ + Na
2CO
3
Al
4C
3 + 12H
2O → 3CH
4↑ + 4Al(OH)
3

Jest też dostępny handlowo w formie gazu sprężonego w butlach.

Właściwości

[edytuj | edytuj kod]
Stosowany w górnictwie metanomierz

Mieszanina metanu z powietrzem w stężeniu objętościowym 4,5–15% ma właściwości wybuchowe. Tworzenie się tej mieszaniny wskutek przedostania się metanu do zamkniętych pomieszczeń (np. w kopalniach węgla kamiennego) bywa przyczyną groźnych w skutkach eksplozji. W mieszaninie o proporcji powyżej 15% pali się płomieniowo.

Reakcje charakterystyczne dla metanu (z reguły takie same, jak dla alkanów):

W temperaturze 2000–3000 K i pod ciśnieniem 10–50 GPa rozpada się na węgiel (formujący pył diamentowy) i wodór[48][49][50].

Zastosowanie

[edytuj | edytuj kod]
  • jako paliwo do silników
  • jako surowiec do otrzymywania tworzyw sztucznych
  • w przemyśle energetycznym
  • jako nośnik węgla w procesie pokrywania materiału filmem DLC[51]

Zobacz też

[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

[edytuj | edytuj kod]
  1. ↑ Podręczny słownik chemiczny, Romuald Hassa (red.), Janusz Mrzigod (red.), Janusz Nowakowski (red.), Katowice: Videograf II, 2004, s. 242–243, ISBN 83-7183-240-0.
  2. ↑ a b c d Lide 2009 ↓, s. 3–326.
  3. ↑ Methane, [w:] PubChem [online], United States National Library of Medicine, CID: 297 (ang.).
  4. ↑ a b c Metan [online], karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich, numer katalogowy: 02329 [dostęp 2015-03-27]. (przeczytaj, jeśli nie wyświetla się prawidłowa wersja karty charakterystyki)
  5. ↑ a b Lide 2009 ↓, s. 6–63.
  6. ↑ Lide 2009 ↓, s. 6–188.
  7. ↑ Methane [online], karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich, numer katalogowy: 02329 [dostęp 2015-03-27] (ang.). (przeczytaj, jeśli nie wyświetla się prawidłowa wersja karty charakterystyki)
  8. ↑ a b metan, [w:] Encyklopedia techniki. Chemia, Władysław Gajewski (red.), Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1965, s. 416, OCLC 33835352.
  9. ↑ GIG: metan z pokładów węgla ważniejszy od atomu i łupków.
  10. ↑ NOAA US Department of Commerce, Global Monitoring Laboratory – Carbon Cycle Greenhouse Gases [online], www.esrl.noaa.gov [dostęp 2020-05-02] (ang.).
  11. ↑ Oak Ridge National Laboratory, 800,000-year Ice-Core Records of Atmospheric Methane (CH4) [online], cdiac.ess-dive.lbl.gov [dostęp 2020-05-02].
  12. ↑ IPCC Fourth Assessment Report, Working Group 1, Chapter 2. [dostęp 2007-12-15]. [zarchiwizowane z tego adresu (2007-12-15)].
  13. ↑ Climate Change 2001: The Scientific Basis [online], web.archive.org, 4 czerwca 2011 [dostęp 2020-05-02] [zarchiwizowane z adresu 2011-06-04].
  14. ↑ E.G. Nisbet i inni, Very Strong Atmospheric Methane Growth in the 4 Years 2014–2017: Implications for the Paris Agreement, „Global Biogeochemical Cycles”, 33 (3), 2019, s. 318–342, DOI: 10.1029/2018GB006009, ISSN 0886-6236 [dostęp 2020-05-02] (ang.).
  15. ↑ Sharp rise in methane levels threatens world climate targets [online], the Guardian, 17 lutego 2019 [dostęp 2020-05-02] (ang.).
  16. ↑ Chelsea Harvey, Methane Emissions from Oil and Gas May Be Significantly Underestimated [online], Scientific American [dostęp 2020-05-02] (ang.).
  17. ↑ D.W. Fahey: Twenty Questions And Answers About The Ozone Layer. United Nations Environment Programme. Ozone Secretariat, 2002, s. Q.12. [dostęp 2010-10-15].
  18. ↑ Gerhard Bohrmann, Marta E. Torres, Gas Hydrates in Marine Sediments, Horst D. Schulz, Matthias Zabel (red.), Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, 2006, s. 481–512, DOI: 10.1007/3-540-32144-6_14, ISBN 978-3-540-32143-9 [dostęp 2020-05-03] (ang.).
  19. ↑ G. Tyler Miller, Sustaining the Earth: An Integrated Approach. U.S.A.: Thomson Advantage Books, 2007, s. 160, ISBN 0-534-49672-5.
  20. ↑ a b Joshua F. Dean i inni, Methane Feedbacks to the Global Climate System in a Warmer World, „Reviews of Geophysics”, 56 (1), 2018, s. 207–250, DOI: 10.1002/2017RG000559 [dostęp 2020-05-03] (ang.).
  21. ↑ a b Ray Boswell, Timothy S. Collett, Current perspectives on gas hydrate resources, „Energy Environ. Sci.”, 4 (4), 2011, s. 1206–1215, DOI: 10.1039/C0EE00203H, ISSN 1754-5692 [dostęp 2020-05-03] (ang.).
  22. ↑ a b c Carolyn D. Ruppel, John D. Kessler, The interaction of climate change and methane hydrates: Climate-Hydrates Interactions, „Reviews of Geophysics”, 55 (1), 2017, s. 126–168, DOI: 10.1002/2016RG000534 [dostęp 2020-05-03] (ang.).
  23. ↑ Methane Releases From Arctic Shelf May Be Much Larger and Faster Than Anticipated [online], www.nsf.gov, 4 marca 2010 [dostęp 2020-05-03] (ang.).
  24. ↑ Reuters, Scientists shocked by Arctic permafrost thawing 70 years sooner than predicted, „The Guardian”, 18 czerwca 2019, ISSN 0261-3077 [dostęp 2020-05-03] (ang.).
  25. ↑ Giuseppe Etiope, Barbara Sherwood Lollar, ABIOTIC METHANE ON EARTH: ABIOTIC METHANE ON EARTH, „Reviews of Geophysics”, 51 (2), 2013, s. 276–299, DOI: 10.1002/rog.20011 [dostęp 2020-04-30] (ang.).
  26. ↑ Riikka Kietäväinen, The origin, source, and cycling of methane in deep crystalline rock biosphere, „Frontiers in Microbiology”, 6, 2015, DOI: 10.3389/fmicb.2015.00725, PMID: 26236303, PMCID: PMC4505394 [dostęp 2020-04-30] (ang.).
  27. ↑ B. Cramer, D. Franke, INDICATIONS FOR AN ACTIVE PETROLEUM SYSTEM IN THE LAPTEV SEA, NE SIBERIA, „Journal of Petroleum Geology”, 28 (4), 2005, s. 369–384, DOI: 10.1111/j.1747-5457.2005.tb00088.x, ISSN 0141-6421 [dostęp 2020-04-30] (ang.).
  28. ↑ Daniel J Lessner, Methanogenesis Biochemistry, Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd, 15 grudnia 2009, a0000573.pub2, DOI: 10.1002/9780470015902.a0000573.pub2, ISBN 978-0-470-01617-6 [dostęp 2020-04-30] (ang.).
  29. ↑ Volker Thiel, Methane Carbon Cycling in the Past: Insights from Hydrocarbon and Lipid Biomarkers, Heinz Wilkes (red.), Cham: Springer International Publishing, 2018, s. 1–30, DOI: 10.1007/978-3-319-54529-5_6-1, ISBN 978-3-319-54529-5 [dostęp 2020-04-30] (ang.).
  30. ↑ Joshua F. Dean i inni, Methane Feedbacks to the Global Climate System in a Warmer World, „Reviews of Geophysics”, 56 (1), 2018, s. 207–250, DOI: 10.1002/2017RG000559 [dostęp 2020-04-30] (ang.).
  31. ↑ N. Serrano-Silva i inni, Methanogenesis and Methanotrophy in Soil: A Review, „Pedosphere”, 24 (3), 2014, s. 291–307, DOI: 10.1016/S1002-0160(14)60016-3 [dostęp 2020-04-30] (ang.).
  32. ↑ S.K. Sirohi i inni, Rumen methanogens: a review, „Indian Journal of Microbiology”, 50 (3), 2010, s. 253–262, DOI: 10.1007/s12088-010-0061-6, ISSN 0046-8991, PMID: 23100838, PMCID: PMC3450062 [dostęp 2020-04-30] (ang.).
  33. ↑ IPCC. Climate Change 2013: The physical Science Basis Archived October 3, 2018, at the Wayback Machine. United Nations Environment Programme, 2013: Ch. 6, p. 507 IPCC.ch https://web.archive.org/web/20181003093743/http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_Chapter06_FINAL.pdf.
  34. ↑ Zhe Lyu i inni, Methanogenesis, „Current Biology”, 28 (13), 2018, R727–R732, DOI: 10.1016/j.cub.2018.05.021 [dostęp 2020-04-30] (ang.).
  35. ↑ OAR US EPA, Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2014 [online], US EPA, 13 lutego 2017 [dostęp 2020-04-30] (ang.).
  36. ↑ Henning Steinfeld i inni, Livestock’s long shadow [online], 2006 [dostęp 2020-04-30].
  37. ↑ Gerber, P.J.; Steinfeld, H.; Henderson, B.; Mottet, A.; Opio, C.; Dijkman, J.; Falcucci, A. & Tempio, G. (2013). „Tackling Climate Change Through Livestock”. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
  38. ↑ Roach, John (May 13, 2002). „New Zealand Tries to Cap Gaseous Sheep Burps” National Geographic. Retrieved March 2, 2011.
  39. ↑ Do cows pollute as much as cars? [online], HowStuffWorks, 16 lipca 2007 [dostęp 2020-04-30] (ang.).
  40. ↑ a b Joshua F. Dean i inni, Methane Feedbacks to the Global Climate System in a Warmer World, „Reviews of Geophysics”, 56 (1), 2018, s. 207–250, DOI: 10.1002/2017RG000559 [dostęp 2020-05-01] (ang.).
  41. ↑ K. Knittel, G. Wegener, A. Boetius, Anaerobic Methane Oxidizers, Terry J. McGenity (red.), Cham: Springer International Publishing, 2018, s. 1–21, DOI: 10.1007/978-3-319-60063-5_7-1, ISBN 978-3-319-60063-5 [dostęp 2020-05-01] (ang.).
  42. ↑ Gasification Process – Dakota Gasification Company [online], www.dakotagas.com [dostęp 2020-05-02] (ang.).
  43. ↑ KIT – PI 2018 [online], Karlsruher Institut für Technologie, 8 września 2019 [dostęp 2020-05-01] (niem.).
  44. ↑ Obliczona dla d = 0,7175 kg/m³, zob. Methane, [w:] GESTIS-Stoffdatenbank [online], Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, ZVG: 10000 [dostęp 2016-09-22] (niem. • ang.).
  45. ↑ Methane. National Institute of Standards and Technology (NIST). [dostęp 2016-09-22].
  46. ↑ D.A. Pittam, G. Pilcher, Measurements of heats of combustion by flame calorimetry. Part 8. – Methane, ethane, propane, n-butane and 2-methylpropane, „Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 1: Physical Chemistry in Condensed Phases”, 68, 1972, s. 2224–2229, DOI: 10.1039/F19726802224 [dostęp 2021-02-22] (ang.).
  47. ↑ A. E. Cziczibabin: Podstawy chemii organicznej. T. 1. Warszawa: PWN, 1957, s. 167.
  48. ↑ L.R. Benedetti i inni, Dissociation of CH4 at high pressures and temperatures: diamond formation in giant planet interiors?, „Science”, 286, 1999, s. 100–102, DOI: 10.1126/science.286.5437.100.
  49. ↑ 10.06.99 – It’s Raining Diamonds on Neptune and Uranus [online], www.berkeley.edu [dostęp 2021-09-24].
  50. ↑ Is It Raining Diamonds On Uranus and Neptune [online], www.spacedaily.com [dostęp 2021-09-23].
  51. ↑ Duane A. Outka i inni, COMPILATION OF DIAMOND-LIKE CARBON PROPERTIES FOR BARRIERS AND HARD COATINGS, luty 1994 [dostęp 2021-09-24].

Bibliografia

[edytuj | edytuj kod]
n-Alkany
Niższe alkany (C1–C10)
Wyższe alkany (>C10)
Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Metan&oldid=75094081”