Cząsteczka metanu ma kształttetraedru (czworościanu foremnego). Atomwęgla wykazujehybrydyzację sp3. Powstałe orbitale tworząwiązania z czterema atomamiwodoru. 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).
Metan został odkryty i wyizolowany przezAlessandro Voltę w latach 1776–1778, gdy badał gaz z mokradeł nad jezioremMaggiore. Powstaje on wprzyrodzie w wyniku beztlenowego rozkładu szczątków roślinnych (np. nabagnach), tworząc tzw.gaz błotny[9]. Stanowi też główny składnik gazu kopalnianego igazu ziemnego[9] (zwykle ⩾ 90%). Głównym źródłem metanu jest gaz ziemny i pokładywęgla (Główny Instytut Górnictwa wskazuje na możliwe zasoby geologiczne metanu w pokładach węgla w Polsce na poziomie 250 mld m³[10]). Często występuje w towarzystwie innych węglowodorów, sporadycznie w towarzystwie helu i azotu.
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[11]. Historyczne stężenia metanu w ziemskiej atmosferze znajdowały się w przedziale od 300 do 800 ppb[12].
Pomiędzy 2015 i 2019 rokiem odnotowano gwałtowny wzrost poziomu atmosferycznego metanu[15][16]. W lutym 2020 roku doniesiono, że ilość metanu emitowanego przez przemysłpaliw kopalnych mógł być znacząco niedoszacowany[17].
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 zmarzlinachArktyki oraz wzdłuższelfów kontynentalnych pod sedymentamistoków 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)[19]. Klatraty metanu mogą powstawać z metanu biogenicznego, termogenicznego lub współudziału tych dwóch. Złoża te są zarówno potencjalnymi źródłami paliwa, jak i globalnego ocieplenia[20][21]. Masa węgla w światowych złożach hydratów pozostaje niepewna, szacowano, że wynosi pomiędzy 500Gt a 12 500Gt[22]. Ostatnie szacunki zmalały do ok. 1800Gt węgla[23]. 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 okresuPaleoceńsko-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[23].Hipoteza pistoletu metanowego przewiduje, że arktyczna emisja metanu pochodząca z klatratów w wiecznej zmarzlinie i dnie morskim może być kolejną przyczyną ocieplania się klimatu[24][21][22][23]. Dane z 2016 roku sugerują, że arktyczna wieczna zmarzlina zanika szybciej niż przewidywano[25].
Występują dwa główne szlaki geologicznego powstawania metanu (i) organiczny (termiczny) i (ii) nieorganiczny (abiotyczny)[26]. Termogeniczny metan powstaje wskutek rozpadania się materii organicznej w odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu w głębokichwarstwach 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 zezwiązków 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 (reakcjaOliwin z wodą i dwutlenkiem węgla)[27][28]:
Większość ziemskiego metanu jest biogeniczna, produkowana w procesie metanogenezy[29][30], formie beztlenowego oddychania obecnej tylko wśród niektórych osobników domenyArcheonów[31]. Metanogeny zamieszkują wysypiska śmieci, niektóre gleby[32],przeżuwacze (np. bydło)[33], jelita termitów i beztlenowe osady pod dnami mórz i jezior. Pola ryżowe w czasie wzrostu roślin generują duże ilości metanu[34]. Ten wieloetapowy proces wykorzystywany jest przez organizmy do wytwarzania energii. Reakcję można zapisać w postaci poniższego równania:
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[36]. Jedno z badań donosiło, że sektor hodowlany generalnie (głównie bydło, kurczaki i świnie) produkuje 37% wytwarzanego przez człowieka metanu[37]. Kolejne badanie z 2013 roku szacowało, że hodowla odpowiada za 44% wytwarzanego przez człowieka metanu i ok. 15% wytworzonych przez człowieka gazów cieplarnianych[38]. Podejmowanych jest wiele starań aby ograniczyć produkcję metanu w hodowli zwierząt. Wśród nich znajdują się działania medyczne, dostosowywanie diety[39] i wyłapywanie gazu w celu wykorzystania go jako paliwo[40].
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 wklatratach[41]. Organizmy, które zużywają metan do produkcji energii nazywane sąmetanotrofami i są głównym czynnikiem ograniczającym ilość uwalnianego do atmosfery metanu[41]. Skupiska mikroorganizmów przeprowadzające proces zwany beztlenowym utlenianiem metanu(AOM) składają się z beztlenowych metanotroficznych archeonów (ANME) i bakterii redukującychsiarkę (SRB)[42].
Metan można wytworzyć poprzezwodorowanie dwutlenku węgla używającreakcji Sabatiera. Metan jest również produktem reakcji wodorowania tlenku węgla(II) wsyntezie 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 procesiewodorowania na katalizatorze niklowym[43].
Moc na gaz (ang.power-to-gas, P2G) to technologia, w której wykorzystuje się prąd elektryczny do produkcji wodoru w procesieelektrolizy 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 (IntegratedHigh-TemperatureELectrolysis andMETHanation 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%[44].
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 kopalniachwęgla kamiennego) bywa przyczyną groźnych w skutkacheksplozji. W mieszaninie o proporcji powyżej 15% pali siępłomieniowo.
Reakcje charakterystyczne dla metanu (z reguły takie same, jak dla alkanów):
↑E.G.E.G.NisbetE.G.E.G.,M.R.M.R.ManningM.R.M.R.,E.J.E.J.DlugokenckyE.J.E.J.,R.E.R.E.FisherR.E.R.E.,D.D.LowryD.D.,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,ISSN0886-6236 [dostęp 2020-05-02](ang.).
↑GerhardG.BohrmannGerhardG.,Marta E.M.E.TorresMarta E.M.E.,Gas Hydrates in Marine Sediments,Horst D.H.D.Schulz,MatthiasM.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.).
↑G. TylerG.T.MillerG. TylerG.T.,Sustaining the Earth: An Integrated Approach. U.S.A.: Thomson Advantage Books, 2007, s. 160,ISBN 0-534-49672-5.
↑abJoshua F.J.F.DeanJoshua F.J.F.,Jack J.J.J.MiddelburgJack J.J.J.,ThomasT.RöckmannThomasT.,RienR.AertsRienR.,Luke G.L.G.BlauwLuke G.L.G.,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.).
↑abRayR.BoswellRayR.,Timothy S.T.S.CollettTimothy S.T.S.,Current perspectives on gas hydrate resources, „Energy Environ. Sci.”, 4 (4), 2011, s. 1206–1215,DOI: 10.1039/C0EE00203H,ISSN1754-5692 [dostęp 2020-05-03](ang.).
↑abcCarolyn D.C.D.RuppelCarolyn D.C.D.,John D.J.D.KesslerJohn D.J.D.,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.).
↑GiuseppeG.EtiopeGiuseppeG.,Barbara SherwoodB.S.LollarBarbara SherwoodB.S.,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.).
↑B.B.CramerB.B.,D.D.FrankeD.D.,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,ISSN0141-6421 [dostęp 2020-04-30](ang.).
↑VolkerV.ThielVolkerV.,Methane Carbon Cycling in the Past: Insights from Hydrocarbon and Lipid Biomarkers,HeinzH.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.).
↑Joshua F.J.F.DeanJoshua F.J.F.,Jack J.J.J.MiddelburgJack J.J.J.,ThomasT.RöckmannThomasT.,RienR.AertsRienR.,Luke G.L.G.BlauwLuke G.L.G.,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.).
↑N.N.Serrano-SilvaN.N.,Y.Y.Sarria-GuzmánY.Y.,L.L.DendoovenL.L.,M.M.Luna-GuidoM.M.,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.).
↑HenningH.SteinfeldHenningH.,PierreP.GerberPierreP.,T.T.WassenaarT.T.,V.V.CastelV.V.,MauricioM.RosalesMauricioM.,Livestock’s long shadow [online], 2006 [dostęp 2020-04-30].
↑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).
↑Roach, John (May 13, 2002). „New Zealand Tries to Cap Gaseous Sheep Burps”National Geographic. Retrieved March 2, 2011.
↑abJoshua F.J.F.DeanJoshua F.J.F.,Jack J.J.J.MiddelburgJack J.J.J.,ThomasT.RöckmannThomasT.,RienR.AertsRienR.,Luke G.L.G.BlauwLuke G.L.G.,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.).
↑K.K.KnittelK.K.,G.G.WegenerG.G.,A.A.BoetiusA.A.,Anaerobic Methane Oxidizers,Terry J.T.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.).
↑KIT – PI 2018 [online], Karlsruher Institut für Technologie, 8 września 2019 [dostęp 2020-05-01](niem.).
↑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.).
↑Methane. National Institute of Standards and Technology (NIST). [dostęp 2016-09-22].
↑D.A.D.A.PittamD.A.D.A.,G.G.PilcherG.G.,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.).
↑A. E. Cziczibabin: Podstawy chemii organicznej. T. 1. Warszawa: PWN, 1957, s. 167.
