מתאן

מתאן
שם סיסטמטי	Methane
שמות נוספים	גז טבעי, מתיל הידריד Carbane Marsh Gas
כתיב כימי	CH₄
מסה מולרית	16.04 גרם/מול
מראה	גז שקוף, חסר ריח
מספר CAS	74-82-8
צפיפות	0.717 קילוגרם למטר מעוקב, 422.36 קילוגרם למטר מעוקב
מצב צבירה	גז
מסיסות	22.7 מ"ג לליטר
ממסים	אתנול, מתנול, בנזן, די-אתיל אתר
טמפרטורת היתוך	182.5- °C ; -90.65 K
טמפרטורת רתיחה	161.49- °C ; -111.66 K
נקודת הבזק	188- °C ; -85.15 K
נקודת התלקחות	537 °C ; 810.15 K
אנתלפיית התהוות סטנדרטית	−74,520 ג'ול למול
אנטרופיה מולרית תקנית	186.3±0.1 ג'ול למול־קלווין
NFPA 704	4 ‏ 2 0

המונח "גז מתאן" מפנה לכאן. לערך העוסק בקבוצות ספורט ברומניה, ראו גז מתאן מדיאש.

מתאן (שם מדעי: Methane, מכונה גם גז הביצות) הוא תרכובת אורגנית פחמימנית רוויה במלואה, המופיעה בטבע כגז דליק, חסר צבע וריח. מתאן הוא האלקאן הפשוט ביותר, וכן התרכובת האורגנית הפשוטה ביותר; נוסחתו CH₄.

על פי מודל VSEPR הצורה הגאומטרית של המתאן היא טטראהדרית.

המתאן הוא מרכיב עיקרי (מעל 70% בנפח) של גז טבעי, ולכן נחשב לדלק חשוב. בעירת מולקולה אחת של מתאן יוצרת מולקולה אחת של פחמן דו-חמצני (CO₂) ושתי מולקולות מים:

$CH_{4(g)}+2O_{2(g)}\rightarrow CO_{2(g)}+2H_{2}O_{(g)}\qquad \Delta H=-890KJoul/mol$

האנרגיה המשתחררת בתהליך שריפה בלתי מבוקר, שבו המים משתחררים במצב גזי, היא כ-50 מיליון ג'ול לקילוגרם מתאן.

המתאן הוא גז חממה חזק בטווח הקצר; על פני 20 שנה, מתאן יוצר אפקט חממה גבוה פי 84 מאשר פחמן דו-חמצני באותה מסה, אך זמן החיים שלו באטמוספירה קצר יותר מאשר של הפד"ח. ריכוז המתאן הממוצע באטמוספירה עלה בעידן התעשייתי עד קרוב ל-2 חלקים למיליון, כמעט פי 4 מהריכוז היציב על פני כ-800 אלף שנה (לפי נתונים פלאו-קלימטולוגיים), אך ריכוז זה עדיין נמוך משמעותית מריכוז גזי החממה האחרים, ולכן המתאן אינו נחשב לגורם העיקרי להתחממות כדור הארץ כיום.

מתאן בכדור הארץ

רוב המתאן הקיים כיום בכדור הארץ נוצר כתוצאה מריקבון של חומרים אורגניים בתנאים אנאירוביים (תנאים של חוסר חמצן). לתהליך זה (הנקרא מתאנוגנזה) אחראיים חלק מהחיידקים הקדומים. הללו מפרקים את החומר האורגני במעמקי האדמה; פירוק זה, אשר מתרחש מזה מיליוני שנים, הוא זה שהביא להיווצרות מרבצי הגז הטבעי. החיידקים המייצרים מתאן כחלק מתהליך הפקת האנרגיה בתאיהם נקראים מתאנוגניים. לעומתם, חיידקים מתאנוטרופיים, צורכים מתאן ומשתמשים בו להפקת אנרגיה בתאיהם. בין שני סוגי החיידקים אין כל קשר.

מקור מרכזי לפליטת מתאן לאטמוספירה (שהיא אחד הגורמים לאפקט החממה) הוא גידול בעלי חיים בחקלאות המודרנית. יונקים מעלי גרה מסוגלים לאכול מזון צמחי ולפרק ביעילות את התאית בעזרת החיידקים הקדומים במערכת העיכול שלהם; בתהליך העיכול נוצר מתאן אשר נפלט דרך הפה (בדומה לגיהוק). כמות המתאן המיוצרת על ידי מעלי גירה מהווה כנראה עשרות אחוזים מפליטת המתאן העולמית, אך היא משתנה ממין למין ותלויה בפרמטרים כגון תזונה, גיל ומשקל, ולכן קשה להעריך את הכמות הנפלטת בכל מדינה. פליטת נוספת של מתאן מתרחשת כתוצאה מפירוק אנאירובי של צואת בהמות, בעיקר בשדות אורז המוצפים במים^[1].

מתאן נמצא בכמויות גדולות באטמוספירות של כוכבי הלכת הגדולים, המכונים גם ענקי הגזים: צדק, שבתאי, אורנוס ונפטון. בנוסף, על פני טיטאן, אחד מירחי שבתאי, מתקיים מתאן במצב נוזלי, אשר יוצר מערכת אקלימית הכוללת עננים, משקעים ונהרות, בדומה למים על פני כדור הארץ^[2].

נגזרות המתאן המצויות בשביטים ובאסטרואידים^[3] מעידות על היותו של המתאן חלק מחומרי המוצא של מערכת השמש^[4]. המתאן היה נפוץ גם באטמוספירה הראשונית של כדור הארץ אך הומר כמעט לחלוטין לפחמן דו-חמצני ולתרכובות אורגניות כבדות יותר.

מקורות עיקריים לפליטת המתאן לאטמוספירה

תעשיית הנפט והגז: תעשיות הדלקים הן פולטות עיקריות של מתאן לאטמפוספירה ופולטות כשליש משיעור פלטות המתאן האנושיות העולמי.
הטמנת פסולת וטיפול בשפכים: מתאן נוצר במטמנות פסולת וטיהור שפכים בעקבות פירוק של פסולת אורגנית בתנאים אנאירוביים (ללא חמצן) ובמעמקי מזבלות.
פעילות חקלאית: במגזר החקלאי מתאן נוצר ממספר תהליכים: מתהליכי עיכול של בעלי חיים, בעיקר מעלי גרה; מפירוק אנאירובי של צואת בעלי חיים וכתוצאה מגידול אורז בשטחים מוצפים. המקור הטבעי העיקרי לגז המתאן הוא פעילות חיידקים בקרקעית שטחי הביצות הנרחבים שבאזורים הטרופיים והסובטרופיים של כדור-הארץ. לכן המתאן מכונה גם "גז הביצות". החיידקים המתאנוגניים שבביצות אלה מפרקים תרכובות אורגניות - שרידי בעלי-חיים וצמחים השוקעים במים ופולטים 120–200 מיליון טון גז מתאן בשנה. מקור משמעותי נוסף, הקשור בפעילות האדם, הוא שדות האורז הנרחבים שבמזרח אסיה, שהמתאנוגנים שבקרקעיתם פולטים 70–120 מיליון טון מתאן בשנה.
כמות קטנה יחסית של מתאן נפלטת בעקבות פעילות געשית.
באדמות קפאת-עד קיימים ריכוזים גדולים של הגז. כאשר קיפאת העד מתחממת ומפשירה עקב ההתחממות הגלובאלית, היא משחררת כמויות גדולות של הגז, דבר המוביל למעגל משוב חיובי של התחממות נוספת עקב אפקט החממה שתורם המתאן, והפשרה נוספת של קיפאת העד.

הקטנת פליטת מתאן הקשורה בפעילות האדם

כדי להפחית את פליטת המתאן הנובעת מפעילות האדם, וכך להקטין את אפקט החממה ואת זיהום האוויר, ננקטים הצעדים האלה:

במזרח אסיה מנסים להגדיל את יבול האורז ליחידת שטח. בדרך זו יתאפשר להקטין את שטחי הגידול ואת פליטת המתאן המתרחשת בהם.
באוניברסיטת הוהנהיים (Hohenheim) בשטוטגרט שבגרמניה מפתחת קבוצת המחקר של ויניפרד דרוקנר (Drochner) "גלולות" המיועדות ליונקים צמחוניים, המכונות bolus. בשילוב עם תפריט מיוחד, יפחיתו גלולות אלו את כמות המתאן שפולטים עדרי הבקר והצאן הגדלים והולכים, ויאפשרו למטבוליזם שלהם לנצל חלק מהאנרגיה שהייתה מתבזבזת עם המתאן הנפלט. בכוונת החוקרים לשנות את הרכב אוכלוסיית המיקרואורגניזמים במערכת העיכול - להפחית את כמות החיידקים הפולטים מימן, ובעקבותיהם את הארכאונים המתאנוגנים, ולהגדיל את כמות החיידקים המייצרים סוכרים וחומרים זמינים אחרים.