Metana
Metana adalah hidrokarbon paling sederhana yang berbentuk gas dengan rumus kimia CH. Metana murni tidak berbau, tetapi jika digunakan untuk keperluan komersial, biasanya ditambahkan sedikit bau belerang untuk mendeteksi kebocoran yang mungkin terjadi.
Sebagai komponen utama gas alam, metana adalah sumber bahan bakar utama. Pembakaran satu molekul metana dengan oksigen akan melepaskan satu molekul (karbondioksida) dan dua molekul HO (air):
Metana adalah salah satu gas rumah kaca. Konsentrasi metana di atmosfer pada tahun 1998, dinyatakan dalam fraksi mol, adalah 1745 nmol/mol (bagian per miliar), naik dari 700 nmol/mol pada tahun 1750. Pada tahun 2008, kandungan gas metana di atmosfer sudah meningkat kembali menjadi 1800 nmol/mol.
Metana adalah molekul tetrahedral dengan empat ikatan C-H yang ekuivalen. Struktur elektroniknya dapat dijelaskan dengan 4 ikatan orbital molekul yang dihasilkan dari orbital valensi C dan H yang saling melengkapi. Energi orbital molekul yang kecil dihasilkan dari orbital 2s pada atom karbon yang saling berpasangan dengan orbital 1s dari 4 atom hidrogen.
Pada suhu ruangan dan tekanan standar, metana adalah gas yang tidak berwarna darn tidak berbau. Bau dari metana (yang sengaja dibuat demi alasan keamanan) dihasilkan dari penambahan odoran seperti metanathiol atau etanathiol. Metana mempunyai titik didih 161 °C (257.8 °F) pada tekanan 1 atmosfer. Sebagai gas, metana hanya mudah terbakar bila
konsentrasinya mencapai 5-15% di udara. Metana yang berbentuk cair tidak akan terbakar kecuali diberi tekanan tinggi (4-5 atmosfer).
Reaksi-reaksi utama pada metana adalah pembakaran, pembentukan ulang uap menjadi syngas, dan halogenasi. Secara umum, reaksi metana sulit dikontrol. Oksidasi sebagian menjadi metanol, misalnya, merupakan reaksi yang agak sulit untuk dilakukan karena reaksi kimia yang terjadi tetap membentuk karbon dioksida dan air meskipun
jumlah oksigen yang tersedia tidak mencukupi. Enzim metana monooksigenase dapat digunakan untuk memproduksi metanol dari metana, tetapi karena jumlahnya yang terbatas maka tidak dapat digunakan dalam reaksi skala industri.
Seperti hidrokarbon lainnya, metana adalah asam yang sangat lemah. Nilai pKa-nya pada DMSO diperkirakan 56. Metana tidak dapat dideprotonasi dalam larutan, tetapi konjugat basanya dengan metillitium sudah diketahui. Protonasi dari metana dapat dibuat dengan cara mereaksikannya dengan asam super sehingga menghasilkan CH, terkadang disebut ion metanium.
Pada reaksi pembakaran metana, ada beberapa tahap yang dilewati. Hasil awal yang didapat adalah formaldehida (HCHO atau). Oksidasi formaldehid akan menghasilkan radikal formil (HCO), yang nantinya akan menghasilkan karbon monoksida (CO):
Akhirnya, CO akan teroksidasi dan membentuk sambil melepaskan panas. Reaksi ini berlangsung lebih lambat daripada tahapan yang lainnya, biasanya membutuhkan waktu beberapa milisekon.
Metana bereaksi dengan halogen maka reaksi kimianya adalah: dimana X adalah atom halogen: fluorin (F), klorin (Cl), bromin (Br), atau iodin (I). Mekanisme untuk proses ini dinamakan halogenasi radikal bebas. Reaksi dimulai dengan radikal Cl menempel pada metana untuk menghasilkan CH, keduanya bergabung dan membentuk metil klorida (CHCl). Reaksi lainnya akan
menghasilkan diklorometana (CHCl), kloroform (CHCl), dan karbon tetraklorida (CCl). Energi yang diperlukan untuk reaksi ini dapat melalui radiasi ultraviolet atau pemanasan.
Metana digunakan dalam proses industri kimia dan dapat diangkut sebagai cairan yang dibekukan (gas alam cair, atau LNG). Ketika dalam bentuk cairan yang dibekukan, metana akan lebih berat daripada udara karena gas metana yang didinginkan akan mempunyai massa jenis yang lebih besar,. Metana yang berada pada suhu ruangan biasa akan lebih ringan daripada udara. Gas alam, yang sebagian besar adalah metana, biasanya didistribusikan melalui jalur pipa.
Metana adalah salah satu bahan bakar yang penting dalam pembangkitan listrik, dengan cara membakarnya dalam gas turbin atau pemanas uap. Jika dibandingkan dengan bahan bakar fosil lainnya, pembakaran metana menghasilkan gas karbon dioksida yang lebih sedikit untuk setiap satuan panas yang dihasilkan. Panas pembakaran yang dihasilkan metana adalah 891 kJ/mol. Jumlah panas ini
lebih sedikit dibandingkan dengan bahan bakar hidrokarbon lainnya, tetapi jika dilihat rasio antara panas yang dihasilkan dengan massa molekul metana (16 g/mol), maka metana akan menghasilkan panas per satuan massa (55.7 kJ/mol) yang lebih besar daripada hidrokarbon lainnya. Di banyak kota, metana dialirkan melalui pipa ke rumah-rumah dan digunakan untuk pemanas rumah dan
kebutuhan memasak. Metana yang dialirkan di rumah ini biasanya dikenal dengan gas alam. Gas alam mempunyai kandungan energi 39 megajoule per meter kubik, atau 1000 BTU per kaki kubik standar.
Metana dalam bentuk gas alam terkompresi digunakan sebagai bahan bakar kendaraan dan telah terbukti juga sebagai bahan bakar yang lebih ramah lingkungan daripada bahan bakar fosil lain macam bensin dan diesel.
Di alam, metana diproduksi oleh alam dalam proses yang disebut metanogenesis. Proses yang memiliki beberapa tahap ini digunakan oleh beberapa mikroorganisme sebagai sumber energi. Reaksi bersihnya adalah: Tahapan akhir dari proses ini dikatalis oleh enzim metil-koenzim M reduktase. Metanogenesis merupakan salah satu bentuk respirasi anaerob yang digunakan oleh organisme yang menempati tempat pembuangan akhir, hewan pemamah biak, dan rayap.
Metana dapat diproduksi dengan hidrogenasi karbon dioksida dalam proses Sabatier. Metana juga merupakan hasil sampaing hidrogenasi karbon monoksida dalam proses Fischer-Tropsch. Teknologi ini dipakai dalam skala industri untuk memproduksi molekul yang rantainya lebih panjang dari metana.
Metana ditemukan dan diisolasi oleh Alessandro Volta antara tahun 1776 dan 1778 ketika ia mempelajar gas rawa dari Danau Maggiore. Metana merupakan komponen utama pada gas alam, sekitar 87% dari volume. Saat ini, metana dihasilkan dari ekstraksi di ladang gas alam. Gas alam pada level dangkal (tekanan rendah) dibentuk oleh dekomposisi anaerob beberapa substansi organik dan membentuk metana dari
dalam, jauh dari permukaan bumi. Secara umum, sedimen ini terkubur jauh di dalam dan karena mengalami suhu dan tekanan tinggi, maka terbentuk gas alam.
Metana biasanya diangkur melalui jalur pipa dalam bentuk gas alam atau juga dengan pengangkut LNG bila dibawa dalam bentuk cair, hanya beberapa negara saja yang mengangkutnya memakai truk.
Selain ladang gas, metode alternatif untuk mendapatkan metana adalah melalui biogas yang dihasilkan oleh fermentasi substansi organik, misalnya pupuk kandang, limbah cair, tempat pembuangan sampah, pada kondisi anaerob (tanpa oksigen). Penanaman padi juga menghasilkan metana dalam jumlah besar selama pertumbuhannya. Metana hidrat/klarat merupakan salah satu sumber masa depan metana
yang potensial. Saat ini, hewan ternak adalah penyumbang 16% emisi metana dunia ke atmosfer. Beberapa penelitian telah menemukan beberapa cara untuk mengurangi metana yang dihasilkan oleh hewan pemamah biak.
Sebuah studi yang paling baru pada tahun 2009 menyebutkan bahwa 51% emisi gas rumah kaca global dihasilkan oleh siklus hidup dan rantai pengiriman produk ternak, termasuk semua daging, susu dan produk samping lainnya, dan proses pengangkutan mereka.
Metana terbentuk dekat permukaan bumi, terutama karena aktivitas mikroorganisme yang melakukan proses metanogenesis. Gas ini kemudian terbawa ke stratosfer oleh udara yang naik di iklim tropis. Konsentrasi metana di udara sebenarnya sudah dapat dikontrol secara alami-tapi karena banyak aktivitas manusia yang menghasilkan metana maka sekarang membuat gas ini menjadi salah satu gas rumah
kaca, penyebab pemanasan global. Secara alami, metana bereaksi dengan radikal hidroksil. Metana memiliki waktu "hidup" sekitar 10 tahun, baru setelah itu akan hilang dengan berubah menjadi karbon dioksida dan air.