Mêtan, Methane với công thức hóa học là CH₄, là một hydrocacbon nằm trong dãy đồng đẳng ankan. Mêtan là hydrocacbon đơn giản nhất. Ở điều kiện tiêu chuẩn, mêtan là chất khí không màu, không vị. Nó hóa lỏng ở −162 °C, hóa rắn ở −183 °C, và rất dễ cháy. Một mét khối mêten ở áp suất thường có khối lượng 717 g.

Mêtan nguyên chất không mùi, nhưng khi được dùng trong công nghiệp, nó thường được trộn với một lượng nhỏ các hợp chất chứa lưu huỳnh có mùi mạnh như etyl mecaptan để dễ phát hiện trong trường hợp bị rò rỉ.

Mêtan là thành phần chính của khí tự nhiên, khí dầu mỏ, khí bùn ao, đầm lầy. Nó được tạo ra trong quá trình chế biến dầu mỏ, chưng cất khí than đá. Mêtan có nhiều ứng dụng, chủ yếu dùng làm nhiên liệu. Đốt cháy 1 mol mêtan có mặt ôxy sinh ra 1 mol khí CO2 (cacbon dioxit) và 2 mol H₂O (nước):

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Mêtan là một khí gây hiệu ứng nhà kính, trung bình cứ 100 năm mỗi kg mêtan làm ấm Trái Đất gấp 23 lần 1 kg CO2.

Ảnh hưởng đến sức khoẻ

Metan hoàn toàn không độc. Nguy hiểm đối với sức khỏe là nó có thể gây bỏng nhiệt. Nó dễ cháy và có thể tác dụng với không khí tạo ra sản phẩm dễ cháy nổ. Mêtan rất hoạt động đối với các chất ôxi hoá, halogen và một vài hợp chất của halogen. Mêtan là một chất gây ngạt và có thể thay thế ôxy trong điều kiện bình thường. Ngạt hơi có thể xảy ra nếu mật độ oxy hạ xuống dưới 18%.

Phản ứng

Phản ứng cháy

Trong phản ứng cháy của mêtan có một số bước. Trước tiên, mêtan tạo ra gốc metyl (CH₃), gốc này phản ứng với ôxy sinh ra formaldehyde (HCHO hoặc H₂CO) cho gốc formyl (HCO) để tạo thành cacbon monoxit. Quá trình này được gọi là sự nhiệt phân ôxi hoá:

CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O

Sau đó, hydro bị ôxi hóa tạo ra H2O và giải phóng nhiệt. Quá trình này diễn ra rất nhanh, thường chưa tới một phần nghìn giây.

H₂ + ½ O₂ → H₂O

Cuối cùng, CO bị ôxi hóa tạo thành CO2, và giải phóng thêm nhiệt. Quá trình này chậm hơn quá trình trên và thường mất vài phần nghìn giây để phản ứng.

CO + ½ O₂ → CO₂

Hoạt hóa Hydro

Liên kết cộng hóa trị giữa C-H trong metan thuộc loại bền nhất trong hydrocacbon. Tuy nhiên, metan vẫn là nguyên liệu khởi đầu chính trong sản xuất Hydro. Việc tìm kiếm các xúc tác có tác dụng thúc đẩy dễ dàng sự hoạt hóa Hydro trong metan và các ankan bậc thấp khác là một lĩnh vực nghiên cứu khá quan trong trong công nghiệp.

Tác dụng với Halogen

Mêtan phản ứng với Halogen cho ra Mêtylhalogenic và axít Halogenhidric, ví dụ mêtan phản ứng với Clo trong ánh sáng khuếch tán theo nhiều giai đoạn :

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl

CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl

Phản ứng phân hủy

Metan có thể bị phân hủy ở nhiệt độ trên 1000^oC :

CH₄ → C + 2H₂

hoặc khi tác dụng với Cl₂ dưới ánh sáng trực tiếp :

CH₄ + 2Cl₂ → C + 4HCl

Cách sản xuất

• Từ nhôm cacbua Al₄C₃

Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄↑

Al₄C₃ + 12HCl → 4AlCl₃ + 3CH₄↑

• Từ CH₃-COONa (phản ứng vôi tôi xút)

CH₃-COONa + NaOH → Na₂CO₃ + CH₄↑

• Phản ứng trực tiếp có xúc tác Niken (hiệu suất rất thấp)

C + 2H₂ → CH₄

• Từ CO

CO + 3H₂ → H₂O + CH₄↑

• Từ đường glucose (C₆H₁₂O₆)

C₆H₁₂O₆ → 3CO₂ + 3CH₄

Ứng dụng

Nhiên liệu

Mêtan là một nhiên liệu quan trọng. So với than đá, đốt cháy mêtan sinh ra ít CO₂ trên mỗi đơn vị nhiệt giải phóng. Ở nhiều nơi, mêtan được dẫn tới từng nhà nhằm mục đích sưởi ấm và nấu ăn. Nó thường được biết tới với cái tên khí thiên nhiên.

Trong công nghiệp

Mêtan được dùng trong nhiều phản ứng hóa công nghiệp và có thể được chuyên chở dưới dạng khí hóa lỏng. Trong hóa công nghiệp, mêtan là nguyên liệu sản xuất hydro, methanol, axit axetic và anhydrit axetic.

Mêtan trong khí quyển Trái Đất

Mêtan trong khí quyển là một khí gây hiệu ứng nhà kính. Mật độ của nó đã tăng khoảng 150% từ năm 1750 và đến năm 1998, mật độ trung bình của nó trên bề mặt Trái Đất là 1745 ppb. Mật độ ở bán cầu Bắc cao hơn vì ở đó có nhiều nguồn mêtan hơn (cả thiên nhiên lẫn nhân tạo). Mật độ của mêtan thay đổi theo mùa, thấp nhất vào cuối mùa hè.

Quá trình phân huỷ

Cơ chế phá hủy chính của mêtan trong khí quyển là qua tác dụng với gốc hydroxyl (.OH):

CH₄ + ·OH → ·CH₃ + H₂O

Phản ứng này diễn ra ở tầng đối lưu làm cho mêtan tồn tại được trong khoảng 9,6 năm.

Sự giải phóng đột ngột của sàng mêtan

Ở áp suất lớn, ví dụ như ở dưới đáy đại dương, mêtan tạo ra một dạng sàng rắn với nước, được gọi là mêtan hydrat. Một số lượng chưa xác định nhưng có lẽ là rất nhiều mêtan bị giữ lại dưới dạng này ở đáy biển. Sự giải phóng đột ngột của một thể tích lớn mêtan từ những nơi đó vào khí quyển là một giả thuyết về nguyên nhân dẫn tới những hiện tượng Trái Đất nóng lên trong quá khứ xa, đỉnh cao là khoảng 55 triệu năm trước.

Một tổ chức đã ước tính trữ lượng quặng mêtan hydrat dưới đáy đại dương vào khoảng 10 triệu triệu tấn (10 exagram). Giả thuyết rằng nếu Trái Đất nóng lên đến một nhiệt độ nhất định, toàn bộ lượng mêtan này có thể một lần nữa bị giải phóng đột ngột vào khí quyển, khuếch đại hiệu ứng nhà kính lên nhiều lần và làm Trái Đất nóng lên đến mức chưa từng thấy.

Mêtan bên ngoài Trái Đất

Mêtan đã được phát hiện hoặc tin là tồn tại ở vài nơi trong Hệ Mặt Trời. Người ta cho rằng nó được tạo ra nhờ những quá trình phản ứng vô sinh mà sao Hoả có lẽ là một ngoại lệ.

Dấu vết của khí mêtan cũng được tìm thấy ở bầu khí quyển mỏng của Mặt Trăng của Trái Đất. Mêtan cũng được dò thấy ở các đám mây giữa những vì sao.