Methan

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.

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

1. CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl,
2. CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl,
3. CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl,
4. 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

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

Bubliny methanu, unikajícího ze dna Abrahamova jezera

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.

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] 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.