メタン（独: Methan^{[† 1]}、英: methane^{[† 2]}）は最も単純な構造の炭化水素で、1個の炭素原子に4個の水素原子が結合した分子である。分子式は CH₄。和名は沼気（しょうき）。CAS登録番号は [74-82-8]。カルバン (carbane) という組織名が提唱されたことがあるが、IUPAC命名法では非推奨である。

構造

分子は炭素が中心に位置する正四面体構造をとる。炭素‐水素間のすべてがσ結合で結合しておりπ結合が存在しないため、sp³混成軌道を取り、結合角は109ﾟである。

物性

常温、常圧で無色、無臭の気体。ヒトに対する毒性はない。融点は −183 ℃、沸点は −162 ℃。空気に対する比重は 0.555。

光などの刺激によって励起されハロゲン元素と反応し、水素原子がハロゲン原子に置換される。この反応は激しい発熱反応である。例えば塩素との混合気体を常温中で直射日光に曝すだけで発火する。

製法

メタンは天然ガスから得られるほか、一酸化炭素と水素を反応させることで工業的に大量に生産されている為（記事 C1化学に詳しい）、実験室においてもガスボンベで供給されることが普通であるが、実験室で発生させる方法がいくつか知られている。

• 炭化アルミニウムに室温で水を反応させて加水分解する。

${\displaystyle {\ce {Al4C3\ +12H2O->3CH4\ +4Al(OH)3}}}$

なお、この反応は不純物のため強烈な臭いを伴う。

• 酢酸塩を強塩基の存在下に強熱して脱炭酸させる。
  • 例えば酢酸ナトリウムとソーダ石灰 Ca(OH)₂・NaOH を混合し強く熱して脱炭酸させる。生成した二酸化炭素は炭酸ナトリウムとして捕捉され、メタンがガスとして発生する。

${\displaystyle {\ce {CH3COONa\ +NaOH->CH4\ +Na2CO3}}}$

• メタン菌による嫌気発酵。
  • いわゆるバイオガスの製法。強い嫌気度を要求する。なお、自然界で発生するメタンの殆どはメタン菌により合成されている。

${\displaystyle {\ce {4H2\ +HCO3^{-}\ +H^{+}->CH4\ +3H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {CH3COO^{-}\ +H2O->CH4\ +HCO3^{-}}}}$

反応

メタンを完全燃焼させると、1molの二酸化炭素と2molの水になる。

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

一方、メタンの不完全燃焼の場合、一酸化炭素が発生し、水も生成する。

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

用途

大きな用途の1つは燃料用のガスとしてであり都市ガスなどに使用されている。もう一つはC1化学プロセスに使用する原料としてである。また、メタンは高温の水蒸気との反応で一酸化炭素と水素の混合気（合成ガス）を生じ、この混合気そのもの、あるいは単離した一酸化炭素や水素を各種化学プロセスの原料として使用する。

${\displaystyle {\ce {CH4\ +H2O->CO\ +3H2}}}$

置換基

メタンが置換基となる場合、メチル基（1価）、メチレン基（2価）、メチン基（3価）と呼ばれる。

メチル基 (methyl group)

メタンから水素が1個取れたアルキル基がメチル基 (CH₃−) である。項目: メチル基を参照。

メチレン基 (methylene group)

メタンから水素が2個取れたアルケン基がメチレン基 (−CH₂−) である。

原子価の相手は同一原子でも（X=CH₂ のような構造）、異なっていても（X−CH₂−Y のような構造）良い。前者の場合には、メチリデン基 (methylidene group) とも呼ばれる。

メチン基 (methine group, methyne group)

メタンから水素が3個取れたアルキン基がメチン基 (−CH<) である。

ただし原子価の相手が同一原子である HC≡X のような構造を持つ場合には、メチリジン基 (methylidyne group) とも呼ばれる。

C1化学

炭素数1の化合物には化学工業において原料として重要な化合物が多く存在する。これらの多くがメタンから直接誘導される。これらの工業的な合成法については C1化学に詳しい。

以下に代表的なものを挙げる。

• アルコール
  • メタノール CH₃OH
• アルデヒド
  • ホルムアルデヒド（酸化メチレン） HCHO
• カルボン酸
  • ギ酸 HCOOH
• ニトリル
  • シアン化水素 HCN
• メタンのハロゲン化物
  • フルオロメタン（フロン）類
    • フルオロメタン（フッ化メチル） CH₃F
    • ジフルオロメタン（フッ化メチレン） CH₂F₂
    • トリフルオロメタン（フルオロホルム） CHF₃
    • テトラフルオロメタン（四フッ化炭素） CF₄
  • クロロメタン類
    • クロロメタン（塩化メチル） CH₃Cl
    • ジクロロメタン（塩化メチレン） CH₂Cl₂
    • トリクロロメタン（クロロホルム） CHCl₃
    • テトラクロロメタン（四塩化炭素） CCl₄
  • ブロモメタン類
    • ブロモメタン（臭化メチル） CH₃Br
    • ジブロモメタン（臭化メチレン） CH₂Br₂
    • トリブロモメタン（ブロモホルム） CHBr₃
    • テトラブロモメタン（四臭化炭素） CBr₄
  • ヨードメタン類
    • ヨードメタン（ヨウ化メチル） CH₃I
    • ジヨードメタン（ヨウ化メチレン） CH₂I₂
    • トリヨードメタン（ヨードホルム） CHI₃
    • テトラヨードメタン（四ヨウ化炭素） CI₄
  • トリハロメタン — 任意のハロゲン原子が三置換したメタン化合物の総称。前述のフルオロホルム、クロロホルム、ブロモホルム、ヨードホルムを含む。

天体

太陽系最大の惑星である木星は、その大量の大気に0.1%のメタンを含む。天王星や海王星もその大気に2%程度のメタンを含み、これらの星が青く見えるのはメタンの吸収による効果によると考えられている。土星の衛星であるタイタンはその大気に2%程度のメタンを含むだけでなく、地表に液体メタンの雨が降り、液体メタンの海や川もあることが分かっている。また火星の大気もメタンを痕跡量含む。

このようにメタンは宇宙ではありふれた物質であり、生物の存在しない惑星にも存在する。土星の衛星タイタンでは太陽系で唯一、大気中で活発な有機物の高分子化が発生していることがカッシーニ (探査機)により確認され、メタンが生物由来でないことが強く推測される。

資源

メタンは、油田やガス田から採掘されエネルギー源として有用な天然ガスの主成分である。20世紀末以降の代替エネルギーとしてバイオガスやメタンハイドレートが新エネルギーとして注目されている。

起源

産出するガスは起源によって同位体比と C1/(C2 + C3)（C1:メタン、C2:エタン、C3:プロパン）で求められる炭化水素比、含有する微量ガス比が異なり、組成を分析することで起源を知る事が可能である^[2]。天然のメタンを構成する炭素 ¹²C と ¹³C の同位体比は、98.9 : 1.1 とされ、起源有機物の同位体比、原油の熟成度、微生物分解の要因によって決定される^[2][3]。また微量ガスは、ヘリウムの同位体比(³He/⁴He)、窒素(N)・アルゴン(Ar)比^[4]など分析することで詳細に判別することが出来るとされている。

メタンハイドレート

メタンは排他的経済水域や大陸棚といった海底や地上の永久凍土層内にメタンハイドレートという形で多量に存在する。メタンは火山ガスでマグマからも生成されるため、メタンハイドレートは環太平洋火山帯に多く分布する。

2004年7-8月、新潟県上越市沖で初めてメタンハイドレートの天然結晶の採取に成功^[5]、2008年3月、カナダ北西部のボーフォート海沿岸陸上地域にて永久凍土の地下1,100mから連続生産に成功。2013年3月12日には、愛知県と三重県の沖合で海底からのメタンガスの採取に成功した。

バイオガス

メタンは火山活動で生成される以外にもメタン産生菌の活動などにより放出されるため自然界に広く存在し、特に沼地などに多く存在する。和名の沼気はこれが語源。大気中には平均 0.00022% 含有されている。このメタン産生菌を用いて生ごみを発酵させてメタンを得て、資源として利用することも実用化されつつある。実際にバイオガスの供給事業も始まっており^[6]、国内のバイオガス化市場規模は最大約2,300億円と推計されている。シロアリに共生する体内微生物によってもメタンが生成され、その量は、地球上で発生している全メタンの5〜15%と推定される^[7]。

温室効果ガス

メタンは強力な温室効果ガスでもあり、同量の二酸化炭素の21〜72倍の温室効果をもたらすとされている^[8][9]。

産業革命以来、人工的な温暖化ガスの排出量が急激に増加しており、温暖化が加速度的に進行していることが国際的な社会問題となっている。火山ガスであるメタンは、世界最大の火山帯である日本列島および近海から常に大量に放出され続けていることに加え、気温が上昇すれば海底や永久凍土中のメタンハイドレートが放出されることも懸念されるため、日本は積極的にメタンやメタンハイドレートを開発し、燃焼させるべきだとする意見もある。

また、牛など、草食動物のげっぷにはメタンが含まれ、その糞からもメタンが発生するため、牛が増えるとメタンガスも増えて温室効果を助長するという説が広まり、大量の牛肉を使用・廃棄しているハンバーガー販売企業がバッシングされる事態も発生した。人口の10倍以上の家畜を抱える酪農国のニュージーランドでは、羊や牛のげっぷを抑制するという温暖化対策を進めようとしたが、農民の反対を受けている^[10]。

脚注

注釈

出典

関連項目