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 | |
[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. |
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 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 explozivně s kyslíkem
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
- CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl,
- CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 + HCl,
- CH2Cl2 + Cl2 → CHCl3 + HCl,
- 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 rýžovišť.
- 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
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
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
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] Byly objeveny i další nečekané zdroje: mořští mlži,[7][8] či některé ledovce.[9] Produkují ho i stromy.[10] Zhruba polovina emisí methanu je z vodních ekosystémů.[11] Studie dříve uvažovaly, že vlivem globálního oteplování se bude methan uvolňovat i z oceánu[12] či tundry; nejnovější výzkumy však ukazují, že tomu tak být nemusí.[13] Uvolňování metanu se také nadhodnocovalo.[14]
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.[15] 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
- Pro přehled účinnosti skleníkových plynů viz tabulka v hesle skleníkové plyny
Reference
- Methane. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov [online]. PubChem [cit. 2021-05-23]. Dostupné online. (anglicky)
- BRANDEJSKÁ, Anna. Vědci znovu objevili metan na Marsu, mohl by znamenat život [online]. iDnes, 2009-01-15 [cit. 2009-01-18]. Dostupné online.
- KUBALA, Petr. Metan na Marsu není téma pro bulvár [online]. Česká astronomická společnost, 200-01-16 [cit. 2009-01-18]. Dostupné online.
- MELECHIN, Petr. Vše o Starship [online]. 2019-01-26 [cit. 2022-01-10]. Dostupné online. (česky)
- http://www.osel.cz/index.php?clanek=7686 - Dobytek otepluje Zemi více, než ropný těžařský průmysl s plynárenským dohromady
- https://phys.org/news/2019-12-lake-methane-emissions-prompt-rethink.html - Study shows lake methane emissions should prompt rethink on climate change
- http://www.bbc.com/news/uk-wales-south-east-wales-41606223 - Baltic Sea clams 'giving off as much gas as 20,000 cows'
- 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)
- http://www.osel.cz/10230-otepluji-ledovce-planetu-nektere-ano.html - Oteplují ledovce planetu? Některé ano!
- https://sciencex.com/news/2021-04-methane-eating-bacteria-common-tree-game-changer.html - Methane-eating bacteria found in a common tree is possible game-changer for curbing greenhouse gases
- https://sciencex.com/news/2021-04-global-methane-emissions-aquatic-ecosystemsmuch.html - Half of global methane emissions come from aquatic ecosystems—much of it human-made
- https://phys.org/news/2017-08-hydrate-gun-hypothesis.html - Study finds hydrate gun hypothesis unlikely
- https://phys.org/news/2017-08-methane-tundra-ocean-floor-didnt.html - Methane from tundra, ocean floor didn't spike during previous natural warming period
- https://phys.org/news/2020-01-climate-gas-highly-overestimate-methane.html - Climate gas budgets highly overestimate methane discharge from Arctic Ocean
- http://www.osel.cz/10238-cistic-sklenikovych-plynu-se-recykluje.html - Čistič skleníkových plynů se recykluje
Literatura
- Ibler Z. a kol.: Energetika technický průvodce, 2002 BEN - technická literatura, ISBN 80-7300-026-1
Související články
Externí odkazy
- Obrázky, zvuky či videa k tématu methan na Wikimedia Commons
- Slovníkové heslo metan ve Wikislovníku
- Encyklopedické heslo Methan v Ottově slovníku naučném ve Wikizdrojích
- Methane, CH4, Physical properties, safety
- Umweltlexikon
- Metanová časovaná bomba (o ekologických účincích metanu)