メタン

メタン
いくつかの測定値が追加されたメタンの立体骨格式
いくつかの測定値が追加されたメタンの立体骨格式
メタンの球棒モデル
メタンの球棒モデル
メタンの宇宙充填モデル
メタンの宇宙充填モデル
  炭素、C
  水素、H
名前
推奨IUPAC名
メタン[ 1 ]
IUPAC体系名
カルバン（決して推奨されない[ 1 ]）
その他の名前
  • 四水素化炭素
  • キャブレター付き水素
  • 炭化水素
  • マーシュガス
  • メチルヒドリド
  • 天然ガス
識別子
3Dモデル（JSmol）
1718732
チェビ
チェムブル
ケムスパイダー
ECHA 情報カード100.000.739
EC番号
  • 200-812-7
59
ケッグ
メッシュメタン
RTECS番号
  • PA1490000
ユニイ
国連番号1971
  • InChI=1S/CH4/h1H4 チェックはい
    キー: VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N チェックはい
  • C
プロパティ
C H 4
モル質量16.043  g·mol −1
外観 無色の気体
臭い無臭
密度
  • 0.657 kg/m 3（ガス、25 °C、1 atm）
  • 0.717 kg/m 3（気体、0 °C、1 atm）[ 2 ]
  • 422.8 g/L（液体、-162℃）[ 3 ]
融点−182.456 °C (−296.421 °F; 90.694 K) [ 3 ]
沸点−161.49 °C (−258.68 °F; 111.66 K) [ 6 ]
臨界点（T、P） 190.56 K (-82.59 °C; -116.66 °F), 4.5992 MPa (45.391 atm)
22.7 mg/L [ 4 ]
溶解度エタノール、ジエチルエーテル、ベンゼン、トルエン、メタノール、アセトンに溶け、水には溶けない
ログP1.09
14 nmol/(Pa·kg)
共役酸メタニウム
共役塩基メチルアニオン
磁化率（χ）
−17.4 × 10 −6 cm 3 /モル[ 5 ]
構造
T d
炭素原子 上の四面体
0 日
熱化学[ 7 ]
熱容量（℃）
35.7 J/(K·mol)
標準モルエントロピー（S⦵298 ）​
186.3 J/(K·mol)
標準生成エンタルピー（Δ f H ⦵ 298）
−74.6 kJ/モル
−50.5 kJ/モル
標準燃焼エンタルピー（Δ c H ⦵ 298）
−891 kJ/モル
危険性[ 8 ]
GHSラベル：
GHS02: 可燃性
危険
H220
P210
NFPA 704（ファイアダイヤモンド）
NFPA 704 4色ダイヤモンドHealth 2: Intense or continued but not chronic exposure could cause temporary incapacitation or possible residual injury. E.g. chloroformFlammability 4: Will rapidly or completely vaporize at normal atmospheric pressure and temperature, or is readily dispersed in air and will burn readily. Flash point below 23 °C (73 °F). E.g. propaneInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazard SA: Simple asphyxiant gas. E.g. nitrogen, helium
2
4
0
南アフリカ
引火点−188℃（−306.4℉、85.1K）
537℃（999℉; 810K）
爆発限界4.4～17%
関連化合物
関連アルカン
関連化合物
補足データページ
メタン（データページ）
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）における材料のものです。
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メタン（米: / ˈ m ɛ θ eɪ n / METH -ayn、英: / ˈ m iː θ eɪ n / MEE -thayn）は、化学式CH 4（1つの炭素原子が4つの水素原子に結合した）の化合物である。14族の水素化物であり、最も単純なアルカンで、天然ガスの主成分である。メタンは地球上に豊富に存在するため、経済的に魅力的な燃料となっているが、常温常圧では気体であるため、捕捉と貯蔵は困難である。地球の大気中ではメタンは可視光は透明だが赤外線を吸収するため、温室効果ガスとして作用する。メタンは有機炭化水素であり、最も単純な有機化合物の1つである。

自然発生するメタンは地下と海底の両方に存在し、地質学的プロセスと生物学的プロセスの両方によって生成されます。メタンの最大貯蔵庫は海底下にあり、メタンクラスレートの形で存在します。メタンが地表や大気に到達すると、大気メタンとして知られています。[ 10 ]

地球の大気中のメタン濃度は1750年以降約160%増加しており、その圧倒的な割合は人間の活動によるものです。 [ 11 ] 2021年の気候変動に関する政府間パネルの報告書によると、人間の活動は長寿命で地球全体で混合されるすべての温室効果ガスからの総放射強制力の20%を占めています。[ 12 ]メタン排出量を大幅に、急速かつ持続的に削減することで、短期的な温暖化を抑制し、地球の地表オゾン層を減少させることで大気質を改善できる可能性があります。[ 13 ]

メタンはまた、火星を含む他の惑星でも検出されており、宇宙生物学研究に影響を与えている。[ 14 ]

特性と結合

メタン分子中の水素と炭素が共有結合している。

メタンは4つの等価なC–H結合を持つ四面体分子である。その電子構造は、 CとHの価電子軌道の重なりから生じる4つの結合分子軌道（MO）によって記述される。最もエネルギーの低いMOは、炭素の2s軌道と4つの水素原子の1s軌道の同位相結合の重なりから生じる。このエネルギーレベルより上では、炭素の2p軌道と水素の1s軌道の様々な線形結合の重なりを含む、三重に縮退したMO群が存在する。結果として生じる「3対1」の結合構造は、光電子分光測定と一致する。

メタンは常温常圧下では無臭、無色、透明の気体です。[ 15 ]メタンは倍音帯の影響で可視光、特にスペクトルの赤色端を吸収しますが、その効果は光路が非常に長い場合にのみ顕著になります。天王星と海王星は、メタンを含む大気を通過した後、散乱されて青や青緑色を呈します。[ 16 ]

家庭で使用されている天然ガスの馴染みのある香りは、安全対策として、通常はtert-ブチルチオールを含む混合ガスである付臭剤を加えることで実現されています。メタンの沸点は 1気圧で-161.5 ℃です。[ 3 ]気体の場合、標準気圧の空気中では、濃度範囲（5.4%～17%）で可燃性を示します。

固体メタンにはいくつかの形態があり、そのうち9種類が知られている。[ 17 ]メタンを常圧で冷却すると、メタンIが生成される。この物質は立方晶系（空間群Fm 3 m）で結晶化する。メタンIでは水素原子の位置が固定されておらず、メタン分子は自由に回転する。したがって、メタンIは塑性結晶である。[ 18 ]

化学反応

メタンの主な化学反応は、燃焼、水蒸気改質による合成ガスの生成、そしてハロゲン化です。一般的に、メタン反応の制御は困難です。

選択酸化

メタンを部分酸化して、より簡便な液体燃料であるメタノール（C H 3 O H ）に変換することは、酸素供給が不十分な場合でも反応が二酸化炭素と水にまで進行するため困難である。メタンモノオキシゲナーゼという酵素はメタンからメタノールを生成するが、工業規模の反応には使用できない。[ 19 ]均一触媒システムと不均一触媒システムがいくつか開発されているが、いずれも重大な欠点がある。これらは通常、過酸化から保護された保護生成物を生成することで機能する。例としては、Catalyticaシステム、銅ゼオライト、α酸素活性部位を安定化させる鉄ゼオライトなどがある。[ 20 ]

あるグループの細菌は、酸素の存在しない状態で亜硝酸塩を酸化剤としてメタン酸化を触媒し、いわゆるメタンの嫌気性酸化を引き起こす。[ 21 ]

酸塩基反応

他の炭化水素と同様に、メタンは極めて弱い酸である。DMSO中のpKaは56と推定される。[ 22 ]メタンは溶液中では脱プロトン化されないが、共役塩基としてメチルリチウムなどの形で知られている。

メタン由来の様々な陽イオンが観測されており、そのほとんどは低圧混合ガス中の不安定な種として観測されている。これにはメテニウムまたはメチルカチオンCHが含まれる。+3、メタンカチオンCH+4、およびメタニウムまたはプロトン化メタンCH+5これらのいくつかは宇宙空間でも検出されています。メタニウムは、メタンと超酸から希釈溶液として生成することもできます。CHなどの高電荷の陽イオン2歳以上6およびCH3歳以上7は理論的に研究されており、安定していると推測されている。[ 23 ]

C–H結合の強さにもかかわらず、メタン（および他の低番号アルカン）のC–H結合活性化を促進する触媒に大きな関心が寄せられている。[ 24 ]

燃焼

手に炎を持っている若い女性
メタンの泡は濡れた手に当たっても怪我をすることなく燃えます。

メタンの燃焼熱は55.5MJ/kgである。[ 25 ]メタンの燃焼は以下のように要約される多段階反応である。

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2H 2 O
Δ H = −802 kJ / mol、標準状態（水蒸気の場合、Δ H = −891 kJ / mol、液体の水の場合）

ピーターズの 4 段階化学は、メタンの燃焼を説明する体系的に簡略化された 4 段階の化学です。

メタンラジカル反応

適切な条件下では、メタンはハロゲンラジカルと次のように反応します。

•X + CH 4 → HX + •CH 3
•CH 3 + X 2 → CH 3 X + •X

ここで、Xはハロゲン：フッ素（F）、塩素（Cl）、臭素（Br）、またはヨウ素（I）である。このプロセスのメカニズムは、フリーラジカルハロゲン化と呼ばれている。これは、紫外線または他のラジカル開始剤（過酸化物など）がハロゲン原子を生成するときに開始される。2段階の連鎖反応が起こり、ハロゲン原子がメタン分子から水素原子を引き抜き、ハロゲン化水素分子とメチルラジカル（•CH 3）が形成される。次に、メチルラジカルはハロゲン分子と反応してハロメタン分子を形成し、新しいハロゲン原子が副産物として生成される。[ 26 ]同様の反応がハロゲン化生成物でも起こり、反応条件とハロゲンとメタンの比率に応じて、追加の水素原子がハロゲン原子に置き換えられ、ジハロメタン、トリハロメタン、そして最終的にはテトラハロメタン構造となる。

この反応は、塩素と反応してクロロメタンを経てジクロロメタンとクロロホルムを生成するために一般的に用いられます。四塩化炭素は、過剰の塩素で生成できます。

用途

メタンは冷蔵液体（液化天然ガス、LNG）として輸送されることがあります。冷蔵液体コンテナからの漏洩は、冷えたガスの密度が高いため、最初は空気より重くなりますが、常温では空気より軽いです。ガスパイプラインは大量の天然ガスを輸送しており、その主成分はメタンです。

燃料

メタンはオーブン、住宅、給湯器、窯、自動車、[ 27 ] [ 28 ]ロケット、タービンなど の燃料として使用されます。

天然ガスの主成分であるメタンは、ガスタービンや蒸気発生器で燃料として燃焼させることで発電に重要です。他の炭化水素燃料と比較すると、メタンは放出される熱量あたりの二酸化炭素排出量が少ないです。メタンの燃焼熱は約 891 kJ/mol で、他のどの炭化水素よりも低いですが、燃焼熱 (891 kJ/mol) と分子量 (16.0 g/mol、そのうち 12.0 g/mol が炭素) の比率を見ると、最も単純な炭化水素であるメタンが他の複雑な炭化水素よりも質量単位あたりの熱量 (55.7 kJ/g) が多いことがわかります。人口密度の高い多くの地域では、メタンは暖房、調理、工業用途で家庭や企業にパイプで送られています。この文脈ではメタンは一般に天然ガスと呼ばれ、1立方メートルあたり39メガジュール、または標準立方フィートあたり1,000 BTUのエネルギー含有量があると考えられています。液化天然ガス（LNG）は、主にメタンを液体に変換して、保管や輸送を容易にしたものです。

ロケット推進剤

精製された液体メタンとLNGはロケット燃料として使用され、[ 29 ]液体酸素と組み合わせてTQ-12、BE-4、ラプター、YF-215、イオンエンジンなどで使用されます。[ 30 ]メタンとLNGの類似性から、このようなエンジンは一般的にメタロックスという用語でグループ化されています。

液体ロケット推進剤として、メタン/液体酸素の組み合わせは、灯油/液体酸素の組み合わせ、またはケロロックスに比べて、排気分子が小さくなるため、エンジン部品へのコークス化やすすの堆積が減少するという利点がある。メタンは、沸点と密度が高く、水素脆化がないため、水素よりも貯蔵しやすい。[ 31 ] [ 32 ]また、排気の分子量が低いことで、推進に利用できる運動エネルギーの形の熱エネルギーの割合が増加し、ロケットの比推力が増加する。液体水素と比較すると、メタンの比エネルギーは低いが、この欠点はメタンの密度と温度範囲が広いことで相殺され、同じ燃料質量に対してより小型で軽いタンクが可能になる。液体メタンの温度範囲（91〜112 K）は、液体酸素（54〜90 K）とほぼ同等である。この燃料は現在、朱雀2号、バルカン号、ニューグレン号などの運用中の打ち上げ機や、スターシップ号、ニュートロン号、テランR号、ノヴァ号、長征9号などの開発中の打ち上げ機で使用されています。[ 33 ]

化学原料

天然ガスは主にメタンから構成されており、工業規模で水素ガスを生産するために利用されています。水蒸気メタン改質法（SMR）、または単に水蒸気改質法は、商業用バルク水素ガスを生産する標準的な工業方法です。世界中で年間5,000万トン以上（2013年）が主に天然ガスのSMRから生産されています。[ 34 ]この水素の多くは石油精製所、化学製品の製造、食品加工に使用されています。また、アンモニアの工業合成にも大量の水素が使用されています。

高温（700～1100℃）で金属触媒（ニッケル）の存在下で、蒸気はメタンと反応して「水性ガス」または「合成ガス」と呼ばれるCOとH 2の混合物を生成します。

CH 4 + H 2 O ⇌ CO + 3 H 2

この反応は強い吸熱反応（消費熱量、ΔH r = 206 kJ/mol）である。COと水との反応により、水性ガス転化反応を経て追加の水素が得られる。

CO + H 2 O ⇌ CO 2 + H 2

この反応は弱発熱反応です（熱を発生します、Δ H r = −41 kJ/mol）。

メタンもクロロメタンの生成においてフリーラジカル塩素化を受けるが、メタノールがより典型的な前駆体である。[ 35 ]

水素はメタンの直接分解（メタン熱分解とも呼ばれる）によっても生成することができ、水蒸気改質とは異なり、温室効果ガス（GHG）を排出しない。反応に必要な熱も、集光した太陽光、再生可能電力、または生成された水素の一部を燃焼させることなどにより、GHGを排出せずに済む。メタンがバイオガス由来であれば、このプロセスは炭素吸収源となり得る。メタンの結合を切断して水素ガスと固体炭素を生成するには、1200℃を超える温度が必要である。[ 36 ]適切な触媒を使用することで、反応温度は選択した触媒に応じて550～900℃に下げることができる。担持・非担持金属触媒、炭素質触媒、金属炭素触媒など、数十種類の触媒が試験されている。[ 37 ]

この反応は、以下の反応式に示すように、中程度の吸熱反応である。[ 38 ]

CH 4 (g) → C(s) + 2 H 2 (g)
（ΔH ° = 74.8 kJ/mol）

冷媒

冷媒としてのメタンは、ASHRAE指定R-50です。

世代

世界のメタン収支（2017年）。自然発生源と吸収源（緑）、人為的発生源（オレンジ）、そして自然発生源と人為的発生源の混合（「バイオマスとバイオ燃料の燃焼」を示すオレンジと緑の網掛け部分）を示しています。

メタンは地質学的、生物学的、または工業的なルートを通じて生成されます。

地質学的ルート

メタンの非生物的発生源は、これまでに20か国以上といくつかの深海地域で発見されています。

地質学的メタン生成の2つの主な経路は、(i)有機（熱生成、またはサーモジェニック）と(ii)無機（非生物的）である。[ 14 ]サーモジェニックメタンは、深部の堆積層で高温高圧下で有機物が分解することによって発生する。堆積盆地のメタンのほとんどはサーモジェニックであるため、サーモジェニックメタンは天然ガスの最も重要な供給源である。サーモジェニックメタンの成分は、典型的には、（以前の時代からの）遺物であると考えられている。一般的に、サーモジェニックメタン（深部で）の生成は、有機物の分解、または有機合成によって起こり得る。どちらの方法も微生物（メタン生成）が関与する可能性があるが、無機的に起こることもある。関連するプロセスでは、微生物の有無にかかわらず、メタンを消費することもある。

深部（結晶質岩盤）におけるメタンのより重要な発生源は非生物的である。非生物的とは、生物活動によらず、マグマプロセス、あるいは蛇紋岩化作用のような低温・低圧下で起こる水と岩石の反応によって、無機化合物からメタンが生成されることを意味する。[ 39 ] [ 40 ]

生物学的経路

地球上のメタンのほとんどは生物起源であり、メタン生成によって生成されます。[ 41 ] [ 42 ]メタン生成は嫌気呼吸の一種で、古細菌ドメインの一部のメンバーによってのみ行われることが知られています。 [ 43 ]メタン生成菌は、埋立地や土壌、[ 44 ]反芻動物（牛など）、[ 45 ]シロアリの腸内、海底や湖底の 無酸素堆積物に存在します。

これらの微生物は、この多段階のプロセスを利用してエネルギーを得ています。メタン生成の正味反応は次のようになります。

CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O

このプロセスの最終段階は、メチルコエンザイムM還元 酵素（MCR）によって触媒される。[ 46 ]

オーストラリアの羊の呼気メタン生成試験（2001年）、CSIRO
この画像は、反芻動物、具体的には羊が加水分解、酸生成、酢酸生成、メタン生成の 4 段階でメタンを生成する様子を表しています。

湿地

湿地は大気中へのメタン放出の最大の自然発生源であり[ 47 ] 、大気中のメタンの約20～30%を占めています[ 48 ] 。気候変動による気温上昇と降雨パターンの変化により、湿地からのメタン放出量が増加しています。この現象は湿地メタンフィードバックと呼ばれています[ 49 ]。

稲作は、水田の長期にわたる湛水により、世界の総メタン排出量の12％も排出している。[ 50 ]

反芻動物

牛などの反芻動物はメタンをげっぷで排出し、米国の年間大気中メタン排出量の約22％を占めている。[ 51 ]ある調査によると、畜産業全体（主に牛、鶏、豚）は人為的メタン排出量の37％を排出していると報告されている。[ 52 ] 2013年の調査では、家畜が人為的メタンの44％、人為的温室効果ガス排出量の約15％を占めていると推定されている。[ 53 ]家畜のメタン生成を減らすため、医療や食事の調整​​など多くの取り組みが行われている。[ 54 ] [ 55 ]また、ガスを捕捉して燃焼エネルギーを利用する取り組みも行われている。[ 56 ]

海底堆積物

海底下の大部分は、堆積物の最初の数センチメートル以内で好気性微生物によって酸素が除去されるため、無酸素状態です。酸素が豊富な海底の下では、メタン生成菌がメタンを生成します。メタンは他の生物によって使用されるか、ガスハイドレートに閉じ込められます。[ 43 ]メタンをエネルギー源として利用するこれらの他の生物は、メタン栄養菌（「メタンを食べる」）として知られており、深部で生成されたメタンが海面に到達することがほとんどない主な理由です。[ 43 ]古細菌と細菌のコンソーシアムは、メタン嫌気性酸化（AOM）を介してメタンを酸化することがわかっています。これを担う生物は、嫌気性メタン栄養古細菌（ANME）と硫酸還元細菌（SRB）です。[ 57 ]

産業ルート

この図は、メタンを持続的に生産する方法を示しています。参照：電気分解、サバティエ反応

天然ガス中に安価に豊富に存在することから、メタンは工業的に生産するインセンティブがほとんどありません。メタンは、サバティエ法によって二酸化炭素を水素化することで生成できます。また、メタンよりも長鎖の分子を生成するために大規模に実施されているフィッシャー・トロプシュ法における一酸化炭素の水素化の副産物でもあります。

大規模な石炭メタンガス化の一例として、グレートプレーンズ・シンフューエルズ社が1984年にノースダコタ州ビューラで操業を開始したプラントが挙げられる。このプラントは、豊富な地域資源である低品位褐炭の開発を目的としている。褐炭は、その重量、灰分含有量、低発熱量、そして貯蔵・輸送中の自然発火性のために、輸送が困難な資源である。世界中に同様のプラントが数多く存在するが、そのほとんどはガソリン、ディーゼル、あるいは他のプロセスの原料として使用される長鎖アルカンの生産を目的としている。

メタン生成技術は、電気分解によって水から水素を生成するために電力を使用し、サバティエ反応を使用して水素と二酸化炭素を結合してメタンを生成する技術です。

実験室合成

メタンは、メチルリチウム、またはメチルマグネシウムクロリドなどのメチルグリニャール試薬のプロトン化によって生成できます。また、無水酢酸ナトリウムと乾燥水酸化ナトリウムを混合し、300℃以上に加熱することでも生成できます（副産物として炭酸ナトリウムが発生します）。実際には、純粋なメタンの要件は、標準的なガス供給業者から入手できる鋼製ガスボンベで容易に満たすことができます。

発生

メタンは天然ガスの主成分であり、体積比で約 87% を占める。メタンの主な発生源は天然ガス田と呼ばれる地質学的鉱床からの抽出であり、炭層ガス抽出が主要な発生源となっている（炭層メタン抽出は石炭鉱床からメタンを抽出する方法であり、炭層メタン増進回収は採掘できない炭層からメタンを回収する方法である）。メタンは他の炭化水素燃料と関連しており、ヘリウムや窒素を伴うこともある。メタンは、地表下の深部からの有機物および再処理されたメタンの嫌気性分解によって、浅いレベル（低圧）で生成される。一般に、天然ガスを生成する堆積物は、石油を含む堆積物よりも深く、高温で埋まっている。

メタンは通常、天然ガスの形で パイプラインで大量に輸送されるか、液化天然ガス（LNG）船で輸送されますが、トラックで輸送する国はごくわずかです。

大気中のメタンと気候変動

先進全球大気ガス観測計画（AGAGE ）によって世界中の観測所の下層大気（対流圏）で測定されたメタン（CH 4 ）。存在量は、汚染のない月平均モル分率（ppb）で示されています。

メタンは重要な温室効果ガスであり、産業革命以降の地球温暖化の約30％の原因となっています。[ 58 ]

メタンの地球温暖化係数（GWP）は、二酸化炭素（ 1 ）と比較して、100年間で29.8 ± 11、20年間で82.5 ± 25.8です。[ 59 ]これは、例えばメタン1トンの漏洩は、82.5トンの二酸化炭素の排出に相当することを意味します。メタンを燃焼させて二酸化炭素を生成することは、メタンを大気中に放出するだけの場合と比較して、温室効果ガスの影響を軽減します。

世界のメタン排出源

メタンが大気中で徐々に二酸化炭素（と水）に変換されるので、これらの値には、これらの時間スケールでメタンから生成される二酸化炭素による気候強制力が含まれます。

現在、世界の年間メタン排出量は約5億8000万トンです[ 60 ]。そのうち40%は自然発生源に由来し、残りの60%は人為的排出として知られる人間の活動に由来しています。最大の人為的排出源は農業で、排出量の約4分の1を占めています。これに次いでエネルギー部門が続き、石炭、石油、天然ガス、バイオ燃料からの排出が含まれます[ 61 ] 。

世界の大気中のメタン濃度は、氷河期（一般的に氷河期と呼ばれる）には300～400 nmol/mol、温暖な間氷期には600～700 nmol/molの範囲で推移してきました。2012年のNASAのウェブサイトでは、北極のメタンの重要な発生源として海洋が挙げられていましたが[ 62 ]、近年の研究では、メタン濃度の上昇は人間の活動によって引き起こされているとされています[ 11 ] 。

大気中のメタン濃度の世界的モニタリングは1980年代に始まった。[ 11 ]地球の大気中のメタン濃度は、18世紀半ばの産業革命以前のレベルから160％増加している。[ 11 ] 2013年には、大気中のメタンは、すべての長寿命で地球全体で混合された温室効果ガスからの総放射強制力の20％を占めた。 [ 63 ] 2011年から2019年の間に、大気中のメタンの年間平均増加量は1866 ppbだった。[ 12 ] 2015年から2019年にかけて、大気中のメタンレベルの急激な上昇が記録された。[ 64 ] [ 65 ]

2019年の大気中のメタン濃度は、過去80万年間で最も高くなりました。IPCCの第6次評価報告書（AR6）では、「1750年以降、CO2（47%）とCH4 （156%）の濃度増加は、少なくとも過去80万年間の氷河期と間氷期の間の数千年単位の自然変動をはるかに上回り、N2O （23 % ）の増加は、これらとほぼ同程度である（非常に高い確信度）」と述べられています。[ 12 ] [ a ] [ 66 ]

2020年2月には、化石燃料産業からの漏えい排出物とガスの放出が大幅に過小評価されている可能性があると報告されました。 [ 67 ] [ 68 ]最大の年間増加は2021年に発生し、その圧倒的な割合は人間の活動によるものでした。[ 11 ]

気候変動は、自然生態系におけるメタン生成を増加させることで大気中のメタン濃度を上昇させ、気候変動のフィードバックを形成する可能性がある。[ 43 ] [ 69 ]メタン排出量の増加のもう一つの説明は、大気からメタンを除去する化学反応の減速である可能性がある。[ 70 ]

2021年に開始された「世界メタン誓約」には100カ国以上が署名し、2030年までにメタン排出量を30%削減することを約束している。 [ 71 ]これにより、2050年までに世界平均の気温上昇を0.2℃に抑えることができる可能性があるが、この目標を達成するためには、より高いコミットメントを求める声もある。[ 72 ]国際エネルギー機関の2022年報告書では、「メタン削減のための最も費用対効果の高い機会はエネルギー部門、特に石油・ガス事業にある」と述べられている。[ 73 ]

クラスレート

メタン クラスレート（メタンハイドレートとも呼ばれる）は、単一のメタン分子を閉じ込める水分子の固体ケージです。メタン クラスレートの重要な貯留層は、高圧（1～100 MPa、下限はより低い温度が必要）および低温（15 °C未満、上限はより高い圧力が必要）にあるガス クラスレート安定帯内の北極の永久凍土と大陸棚に沿って海底下で発見されています。 [ 74 ]メタン クラスレートは、生物起源メタン、熱起源メタン、またはその両方の混合物から生成されます。これらの堆積物は、メタン燃料の潜在的な供給源であると同時に、地球温暖化の潜在的な原因でもあります。[ 75 ] [ 76 ]ガス クラスレートに貯蔵されている炭素の世界質量はまだ不確かで、12,500 Gt炭素と高く、500 Gt炭素と低く推定されています。[ 49 ]この推定値は時間の経過とともに減少しており、最新の推定値は約 1800 Gt の炭素です。[ 77 ]この不確実性の大部分は、メタンの発生源と吸収源、および地球規模でのメタン クラスレートの分布に関する知識のギャップによるものです。たとえば、メタンの発生源は比較的最近、北極の超低速拡大海嶺で発見されました。 [ 48 ]一部の気候モデルでは、今日の海底からのメタン放出レジームは、約 5550 万年前の暁新世-始新世温暖化極大期( PETM ) の期間のものと潜在的に類似していることが示唆されていますが、クラスレート分解によるメタンが現在大気に到達していることを示すデータはありません。[ 77 ]永久凍土と海底のメタン クラスレートからの北極のメタンの放出は、地球温暖化の潜在的な結果であり、さらなる原因です。これはクラスレートガン仮説として知られています。[ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] 2016年のデータは、北極の永久凍土が予想よりも早く溶けていることを示している。[ 82 ]

公共の安全と環境

世界のメタン排出量に対処するためのさまざまな排出削減政策の可能性を示す国際エネルギー機関のグラフ。

メタンは「空気の質を悪化させ、人間の健康、農業生産量、生態系の生産性に悪影響を及ぼす」[ 83 ] 。

2015年から2016年にかけてカリフォルニア州アリソキャニオンで発生したメタンガス漏れは、アメリカ史上最悪の環境被害だと考えられている。[ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]また、メキシコ湾のディープウォーターホライズンの漏れよりも環境に悪影響を与えたとも言われている。 [ 87 ]

2023年5月、ガーディアン紙はトルクメニスタンが世界で最もメタンを排出している国であると非難する記事を掲載した。Kayrrosの研究者が収集したデータによると、トルクメニスタンの2つの大規模な化石燃料油田から、2022年だけでそれぞれ260万トンと180万トンのメタンが漏出しており、二酸化炭素換算で3億6600万トンが大気中に放出された。これは英国の年間二酸化炭素排出量を上回る。[ 88 ]

地球外メタン

星間物質

メタンは太陽系の多くの場所に豊富に存在し、潜在的に他の太陽系の天体の表面で採取できる可能性があり（特に、火星[ 89 ]やタイタンで見つかった現地の物質からのメタン生成を利用して）、帰路の燃料として供給できる可能性がある。[ 29 ] [ 90 ]

メタンの陰イオンである負メタンも星間空間に存在することが知られている。[ 91 ]その形成メカニズムは完全には解明されていない。

火星

メタンは太陽系のすべての惑星とほとんどの大型衛星で検出されています。火星を除くと、メタンは非生物的プロセスに由来すると考えられています。[ 92 ] [ 93 ]

火星のメタン（CH 4 ） - 潜在的な発生源と吸収源

火星探査車キュリオシティは、火星大気中のメタン濃度の季節変動を記録しました。この変動は火星の夏の終わりに0.6ppbでピークに達しました。[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ] [ 97 ] [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]

メタンが将来の火星ミッションのロケット推進剤として提案されているのは、火星の資源をその場で利用して合成できる可能性があるためである。[ 102 ]サバティエのメタン化反応を応用して、混合触媒床と逆水性ガス転化反応を単一の反応器で使用すれば、火星の土壌中の水と火星の大気中の二酸化炭素を利用して、火星で入手可能な原料からメタンと酸素を生産することができるかもしれない。[ 89 ]

メタンは、水、二酸化炭素、そして火星でよく見られる鉱物オリビンを含む、蛇紋岩化作用[ b ]と呼ばれる非生物学的プロセスによって生成される可能性があります。 [ 103 ]

タイタン

タイタン湖（2017年9月11日）

土星最大の衛星タイタンでは、メタンが大量に検出されています。メタンはタイタンの大気の大部分を占め、またタイタン表面には液体の形で存在しています。タイタンの広大な炭化水素湖の大部分はメタンでできており、そのうち2番目に大きい炭化水素湖はほぼ純粋なメタンで構成されていると考えられています。[ 104 ]

タイタンには液体メタンの安定した湖が存在し、また、タイタンの表面は化学的に非常に活性で有機化合物に富んでいることから、科学者たちはタイタンの湖の中に生命が存在する可能性、地球上の生命が水の代わりに溶媒としてメタンを使用している可能性[ 105 ] 、そして大気中の水素を使ってアセチレンでエネルギーを得ている可能性[ 106 ]を考慮するようになりました。

歴史

アレッサンドロ・ボルタ

メタンの発見はイタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタによるものとされており、彼はメタンの可燃限界や腐敗した有機物からの起源など、多くの特性を明らかにしました。[ 107 ]

ボルタの発端は、友人のカルロ・ジュゼッペ・カンピ神父が沼地に可燃性の空気が存在するという報告をしたことだった。 1776年11月、イタリアとスイスにまたがるマッジョーレ湖への釣り旅行中、近くの沼地に泡があることに気づき、調査を決意した。ボルタは沼地から立ち上るガスを採取し、そのガスが可燃性であることを実証した。[ 107 ] [ 108 ]

ボルタは、可燃性空気に関する同様の観察が、ベンジャミン・フランクリンの手紙など、科学文献にも以前から存在していたと指摘している。[ 109 ]

1812年に92人が亡く​​なったフェリング鉱山事故の後、ハンフリー・デイビー卿は、恐れられていた可燃性ガスは実際には主にメタンであることを明らかにした。 [ 110 ]

「メタン」という名称は、1866年にドイツの化学者アウグスト・ヴィルヘルム・フォン・ホフマンによって造られました。[ 111 ] [ 112 ]この名称はメタノールから派生したものです。

語源

語源的には、メタンという語は、アルカン族に属する物質を表す化学接尾辞「-ane 」と、ドイツ語のMethyl （1840年）に由来する、あるいはフランス語のméthyleに直接由来する。méthyleはフランス語のméthylène（英語のmethyleneに相当）から派生した語で、 méthylèneの語源は、1834年にジャン＝バティスト・デュマとウジェーヌ・ペリゴによって、ギリシャ語のμέθυ méthy（ワイン）（英語のmeadに関連）とὕλη hýlē （木材を意味する）から造語された。このラジカルは、木材の蒸留によって初めて単離されたアルコールであるメタノールで初めて検出されたため、この名が付けられた。化学接尾辞-aneは、同位化学接尾辞-ineに由来し、-ineはラテン語の女性接尾辞-inaに由来し、抽象を表すために使用される。 「-ane」、「 -ene」、「-one 」などの配位は、 1866年にドイツの化学者アウグスト・ヴィルヘルム・フォン・ホフマンによって提案されました。[ 113 ]

略語

略語CH 4 -Cはメタン1質量に含まれる炭素の質量を意味し、メタンの質量は常にCH 4 -Cの質量の1.33倍です。[ 114 ] [ 115 ] CH 4 -Cはメタンと炭素の比を意味することもあり、質量比は1.33です。[ 116 ]大気スケールのメタンは、通常テラグラム（Tg CH 4）または百万メートルトン（MMT CH 4）で測定され、どちらも同じことを意味します。[ 117 ]ナノモル（nmol、10億分の1モル）、モル（mol）、キログラム、グラムなどの他の標準単位も使用されます。

安全性

メタンは窒息性ガスであり、毒性はなく、主な健康被害は高濃度になると酸素との置換により窒息死に至る可能性があることです。空気中の濃度が5%でも全身毒性は検出されていません。

メタンは常温では非常に可燃性の高いガスです。[ 118 ]空気と混合すると爆発性混合物を形成する可能性があります。メタンガス爆発は多くの鉱山事故の死者を出した原因となっています。 [ 119 ] 2010年4月5日、ウェストバージニア州のアッパー・ビッグ・ブランチ炭鉱でメタンガス爆発が発生し、29人が死亡しました。 [ 120 ]天然ガスの事故による漏洩は、過去にジェット火災事故を引き起こした事故があるため、安全工学の分野でも大きな注目を集めています。[ 121 ] [ 122 ]

参照

説明ノート

  1. ^ 2013年に気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の科学者らは、大気中のメタン濃度が「産業革命以前の水準を約150％超えており、これは少なくとも過去80万年間で前例のない水準である」と警告した。
  2. ^蛇紋岩化反応は数多く存在します。オリビンはフォルステライトとファイアライトの固溶体であり、その一般式は(Fe,Mg) 2 SiO 4です。オリビンからメタンを生成する反応は、フォルステライト + ファイアライト + 水 + 炭酸 → 蛇紋岩 + 磁鉄鉱 + メタンと表すことができます。（平衡状態では）
    18 Mg 2 SiO 4 + 6 Fe 2 SiO 4 + 26 H 2 O + CO 2 → 12 Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4 + 4 Fe 3 O 4 + CH 4

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引用元

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