Метан шипить у глибинах боліт, запалює полум’я на кухонних плитах і непомітно накопичується в атмосфері, розпалюючи планетарне серце. Цей безбарвний газ без запаху, з хімічною формулою CH4, є найпростішим вуглеводнем — одним атомом вуглецю, оточеним чотирма атомами водню, наче король у троні з вірних слуг. Він становить до 90% природного газу, який ми спалюємо щодня, і водночас лишається одним з найпотужніших парникових газів, що прискорює потепління.
Уявіть крихітну молекулу, яка змушує корів видихати мільярди тонн шкідливого газу щороку, але й годує цілі міста енергією. Метан не просто паливо — це ключ до розуміння енергетики, екології та навіть космічних таємниць. Його роль у світі багатогранна, від промислових гігантів до мікробів у ґрунті, і саме ця двоїстість робить тему такою захопливою.
А тепер розберемося глибше: чому цей газ легший за повітря, вибухонебезпечний у певних концентраціях і здатний генерувати більше тепла на одиницю маси, ніж вугілля. Далі зануримося в деталі, які перетворять сухі факти на живу картину.
Будова молекули метану: тетраедр сили та стабільності
Молекула метану нагадує ідеальний кристал — тетраедричну структуру, де вуглець у центрі пов’язаний з чотирма воднями ковалентними зв’язками. Кут між зв’язками точно 109,5 градуса, що забезпечує максимальну симетрію і стійкість. Ця геометрія робить CH4 апольним: електрони розподілені рівномірно, без диполів, які могли б привертати увагу реактивних речовин.
Електронна формула проста: вуглець у збудженому стані спаровує орбіталі, утворюючи чотири сп³-гібридні орбіталі. Кожен зв’язок C-H міцний, з енергією розриву близько 435 кДж/моль, тому метан інертний за кімнатної температури. Але нагрійте його — і ця фортеця руйнується, вивільняючи енергію для синтезу пластмас чи добрив.
Така будова пояснює, чому метан не реагує з водою чи киснем без каталізаторів. Він плаває над поверхнею боліт, уникаючи окислення, і роками блукає атмосферою, перш ніж розпадеться під ультрафіолетом.
Фізичні властивості метану: невидимий мандрівник
Метан поводиться як пустун: без кольору, смаку чи запаху, він непомітно просочується крізь щілини. За нормальних умов — газ, легший за повітря (густина 0,657 кг/м³ при 25°C), тому підіймається вгору, розсіюючись. Розчинність у воді мізерна — 22 мг/л при 25°C, але в органічних розчинниках, як толуол, розчиняється охоче.
Його температура кипіння — мінус 161,5°C, плавлення — мінус 182,5°C, тож рідкий метан існує лише в криогенних умовах, як у космічних баках SpaceX. Тиск випаровування низький, критична температура 190,6°C — ідеально для стиснення в CNG для авто.
Щоб наочно порівняти, ось таблиця ключових фізичних параметрів:
| Властивість | Значення | Порівняння з повітрям |
|---|---|---|
| Молекулярна маса | 16,04 г/моль | Легший (повітря 29 г/моль) |
| Густина (газ, 0°C) | 0,717 кг/м³ | 0,55 від повітря |
| Температура кипіння | -161,5°C | Значно нижча (N2: -196°C) |
| Теплоємність (Cp) | 35,7 Дж/(моль·K) | Близько до повітря |
| Нижня межа вибуху | 4,4-5% | Вибухонебезпечний діапазон |
Джерела даних: uk.wikipedia.org. Ця таблиця підкреслює, чому метан — ідеальне паливо: легке транспортування, висока енергетична щільність.
У природі метан конденсується в гідрати — клітки з води, наповнені газом, що ховаються на дні океанів. Один кубометр гідрату видає 164 м³ газу — скарб для енергетики.
Хімічні властивості метану: полум’я, що живить промисловість
Метан здається млявий, але під дією енергії перетворюється на вулкан. Головна реакція — повне горіння: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 891 кДж/моль. Синє полум’я без сажі робить його чистим паливом, з ККД до 60% у комбінованих циклах.
При дефіциті кисню — неповне горіння з чадним газом, небезпечним у шахтах. У лабораторіях метан галогенується: CH4 + Cl2 → CH3Cl (хлорометан для розчинників). Реформування з парою дає синтез-газ: CH4 + H2O → CO + 3H2 — основу для аміаку та метанолу.
Ось ключові реакції в списку:
- Горіння: Високотемпературне окиснення, основне джерело тепла в ТЕЦ. Приклад: 1 м³ метану дає 37 МДж — вдвічі більше, ніж бензин за масою.
- Галогенування: Світлова хлорування, дає ряд CH4-nCln. Контролюється для селективності.
- Піроліз: 1000°C без кисню → сажа + H2, для нанотехнологій.
- Парова конверсія: Каталізатор Ni, 800°C, для водню в паливних елементах.
Ці процеси живлять 70% світової хімії. Метан — сировина для 40 млн тонн метанолу щороку, від пластмас до ліків.
Джерела метану: від корів до надр Землі
Метан народжується скрізь: мікроби в анаеробних умовах розкладають органіку, вивільняючи газ. Природні джерела — болота, терміти, океанічні гідрати — дають 40%. Антропогенні домінують: сільське господарство (від шлунків жуйних — 132 Mt/рік), нафта/газ (145 Mt від енергетики 2024, за IEA.org).
Сміттєзвалища додають 20%, рисові поля — через затоплення. В Україні шахти та звалища — ключові, з планом скоротити на 30% до 2030.
Таблиця розподілу глобальних антропогенних викидів (2024, Mt):
| Джерело | Викиди (Mt) | Частка (%) |
|---|---|---|
| Сільське господарство | ~140 | 32 |
| Енергетика (нафта/газ/вугілля) | 145 | 35 |
| Відходи (звалища, стоки) | ~80 | 20 |
| Біомаса горіння | 18 | 4 |
| Інше | ~40 | 9 |
Джерела: iea.org (Global Methane Tracker 2025). Ці цифри показують потенціал скорочення: 35 Mt без витрат.
Метан як паливо: від газової плити до зоряних двигунів
У домі метан запалює вогонь миттєво, з теплотою 50 МДж/кг — кращою за бензин. У промисловості — основа ТЕС, де ефективність сягає 62%. Стиснений природний газ (CNG) для автобусів зменшує викиди на 25% проти дизеля.
Тренд — біометан: з відходів, чистий RNG. Ринок зросте до 56 млрд дол. до 2030. В Україні перші експорти 2025 — 17 млн м³.
Метан і клімат: невидимий дракон потепління
Метан — суперпарниковий газ: GWP 82,5 за 20 років, 29,8 за 100 (EU data). Він поглинає ІЧ-випромінювання, утримуючи тепло. Концентрація зросла з 0,7 до 1,9 ppm з індустріальної ери.
Викиди 580 Mt/рік загалом, антроп 60%. Без дій — +13% до 2030 (UNEP). Global Methane Pledge: 150 країн на -30% до 2030. Супутники як MethaneSAT фіксують “супервикиди” — 5% загальних.
У 2024 енергетика викинула 145 Mt — еквівалент 4 Gt CO2.
Безпека з метаном: вибухи, що вчать обережності
Метан вибухає при 5-15% у повітрі — “вогняний подих”. У шахтах накопичується, ігнорування коштує життів: Засідько 2007 — 101 загиблий в Україні. Сенсори та вентиляція — рятівники.
У побуті: витоки в газопроводах рідкісні, але трагічні. Порада: датчики CH4, регулярні перевірки.
Цікаві факти про метан
На Титані — озера метану, де “дощ” з нього формує річки. Марс видає спайки CH4 — натяк на мікроби чи геологію? Корови продукують 25% антроп метану, але добавки в корм зменшують на 30%.
Гідрати метану — 2 трлн тонн запасів, вдвічі більше викопних. Болотний газ лякав селян “блукаючими вогнями”. SpaceX Raptor двигуни на рідкому метані — майбутнє космосу.
Метан — 5% атмосфери Титана, роблячи його єдиним відомим “жидким” світом.
Майбутнє метану: від ворога до союзника
Біометан з агро- та сміттєвідходів — зірка переходу: Європа інвестує мільярди, Україна будує заводи. Технології уловлювання (CCUS) + реформінг у водень. Водневі турбіни на метані — міст до нуля викидів.
Супутниковий моніторинг і AI прогнозують суперикиди, скорочуючи 40% без зусиль. В Україні: від видобутку до біогазу на звалищах — шлях до зеленої енергії. Метан не зникає, але ми вчимося ним керувати, перетворюючи загрозу на ресурс.
Залишити відповідь