Methaan

De twee belangrijkste routes voor geologische methaanproductie zijn:

1. organisch (thermisch gegenereerd, of thermogeen) . Thermogeen methaan komt voor door het uiteenvallen van organische materie bij hoge temperaturen en hoge druk in diepe sedimentaire lagen. Het meeste methaan in sedimentatiebekkens is thermogeen; daarom is thermogeen methaan de belangrijkste bron van aardgas.
2. anorganisch of abiotisch, dit betekent dat methaan wordt gevormd uit anorganische verbindingen, zonder biologische activiteit, hetzij door magmatische processen of via water-rots-reacties die optreden bij lage temperaturen en drukken, zoals bij de vorming van serpentiniet.

Methaan ontstaat onder andere bij afbraak van organische stoffen door bacteriën onder anaerobe (zuurstofloze) omstandigheden. Anaerobe omstandigheden komen veelal in moerasbodems voor. Ook in zuurstofarme grond wordt onder andere door de afbraak van dode plantenwortels methaan gevormd. Ook bij bosbranden kan methaan ontstaan door verhitting van organische stof.

Herkauwers, maar vooral runderen, leveren met hun boeren en winden een grote bijdrage aan de wereldwijde uitstoot van methaangassen. Juist een hoog aandeel ruwvoer zorgt voor deze methaanproductie in de pens door middel van fermentatie door de bacteriën. De veeteelt zou zelfs bijna 40% van de menselijke uitstoot van methaan vertegenwoordigen.[3] Mits aanpassingen van de samenstelling van krachtvoer zijn er mogelijkheden om dit te verminderen, alsmede met uitgekiend graslandbeheer.[4][5] Ook het gericht kruisen van rassen zou helpen.[3] In de omgeving van rundveehouderijen is dan ook een verhoogde concentratie van methaan aanwezig. Er zijn gevallen bekend waarin stallen in brand vlogen door een verhoogde concentratie methaan.[6]

Het grootste deel van de diepere zeebodem is anoxisch omdat zuurstof wordt onttrokken door aërobe micro-organismen in de bovenste paar centimeters van het sediment. In de zeebodem produceren methanogenen methaan dat door andere organismen wordt gebruikt, of in gashydraten wordt opgesloten. Deze andere organismen die methaan voor energie gebruiken, staan bekend als methanotrofen (methaaneters), en zijn de belangrijkste reden waarom weinig methaan uit de zeebodem het zeeoppervlak bereikt.

Methaan wordt geproduceerd door hydrogenering van kooldioxide in een Sabatierreactie. Methaan is ook een bijproduct van de hydrogenering van koolmonoxide in het Fischer-Tropsch proces. Voor praktische toepassingen wordt methaangas ook verkocht in stalen cilinders. (overnemen tekst Uit anaerobe vergisting van biologische afvalstoffen wordt methaan gewonnen voor productie van groene stroom of warmtekrachtkoppeling.

Bij de productie, verwerking en transport van fossiele energiebronnen (olie, aardgas, steenkool) komt methaangas vrij. En bij de fracking van schaliegas en schalieolie zou de uitstoot nog groter zijn.[7] Het aandeel van de fossiele industrie in de methaanuitstoot zou volgens onderzoek uit 2020 in het verleden sterk onderschat zijn geweest.[8]

Een methaanmolecule bestaat uit een centraal koolstofatoom met daarom vier waterstofatomen, gerangschikt volgens een symmetrische tetraëder. Deze symmetrie bepaalt in belangrijke mate de eigenschappen van methaan. Zo leidt de symmetrie ertoe dat methaan strikt apolair is, waardoor het gasvormig en weinig reactief is onder standaard omstandigheden.

Deze symmetrie kan theoretisch worden voorspeld met MO-theorie, en is ook experimenteel aangetoond met onder andere röntgendiffractie en UV/VIS-spectroscopie. Deze ontdekkingen hebben geleid tot de vorming van het hybridisatiemodel. Het koolstofatoom in methaan is sp³-gehybridiseerd. Dientengevolge zijn de koolstof-waterstofbindingen in methaan zeer sterk en verloopt bijvoorbeeld de deprotonering bijzonder moeizaam (de pK_a van methaan ligt namelijk boven de 50).

Methaan is net als alle alkanen weinig reactief. Eigenlijk reageert het alleen met sterke oxidatoren zoals zuurstof(verbranding) of de halogenen. Een andere belangrijke reactie is stoomreforming.

De verbranding is als volgt:[9] (vormingsenthalpie Δ_fH^o = −891 kJ · mol⁻¹)

${\displaystyle {\ce {CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}}}$

Als er niet genoeg zuurstof is, zal de verbranding onvolledig zijn en ontstaat ook koolstofmonoxide (CO):

${\displaystyle {\ce {2 CH4 + 3 O2 -> 2 CO + 4 H2O}}}$

Of ook cokes:

${\displaystyle {\ce {CH4 + O2 -> C + 2H2O}}}$

Chloormethanen worden gemaakt door radicalaire reactie met chloorgas:[10]

${\displaystyle {\ce {CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl}}}$ (chloormethaan)

${\displaystyle {\ce {CH3Cl + Cl2 -> CH2Cl2 + HCl}}}$ (dichloormethaan)

${\displaystyle {\ce {CH2Cl2 + Cl2 -> CHCl3 + HCl}}}$ (chloroform)

${\displaystyle {\ce {CHCl3 + Cl2 -> CCl4 + HCl}}}$ (tetrachloormethaan)

Methaan bevat de hoogste H/C verhouding van alle koolwaterstoffen, en daarom wordt methaan vaak gebruikt om waterstof te produceren. Hierbij worden methaan (doorgaans aardgas) en stoom onder verhoogde druk en temperatuur over een metalen katalysator geleid:

${\displaystyle {\ce {CH4{}+2H2O->[{\text{katalysator}}]CO2{}+4H2}}}$

Deze reactie wordt vooral toegepast in het Haber-Boschproces, waarbij grote hoeveelheden waterstof nodig zijn voor de productie van ammoniak, en bij vergassing van biomassa om synthesegas te produceren.