Metano (CH4) è un gas incolore, inodore con una geometria tetraedrica. Le sue proprietà chimiche lo rendono utile come fonte di combustibile comune, nella produzione di gas idrogeno per fertilizzanti ed esplosivi e nella sintesi di sostanze chimiche preziose. Tuttavia, il metano è anche un potente gas serra.
Formula e struttura del metano
Il metano ha la formula chimica di CH4 e un peso molecolare di 16,043 g/mol. La molecola di metano è tetraedrica, con l'atomo di carbonio al centro e i quattro atomi di idrogeno agli angoli del tetraedro. Ogni legame C-H è equivalente e ogni legame è separato da un angolo di 109,5°.
Proprietà fisiche del metano
Più leggero dell'aria, il gas metano ha una densità di 0,657 g/L a 25 °C e 1 pressione atmosferica. Si trasforma in un liquido al di sotto di -162 °C e in un solido al di sotto di -182,5 °C. Il metano è poco solubile in acqua, con una solubilità di 22,7 mg/L, ma è solubile in vari solventi organici quali:
- etanolo
- etere dietilico
- acetone
- benzene
Proprietà chimiche
Alcune delle reazioni chimiche più importanti che coinvolgono il metano sono la combustione e l'alogenazione.
La combustione di metano rilascia notevoli calore (891 kJ/mol). È una reazione di ossidazione a più fasi e può essere riassunta dall'equazione come segue:
Una molecola di metano gassoso reagisce con due molecole di gas ossigeno in condizioni di combustione per formare una molecola di gas anidride carbonica, due molecole di vapore acqueo ed energia.
Rilasciando solo anidride carbonica e acqua, il metano è il combustibile fossile più pulito e costituisce la maggior parte del gas naturale. Sebbene il metano sia relativamente stabile, può essere esplosivo quando il suo contenuto è compreso tra il 5 e il 14% nell'aria ed è stata la causa di molti disastri nelle miniere.
Sebbene impegnativo su scala industriale, il metano può essere parzialmente ossidato a metanolo dall'enzima metano monoossigenasi. È interessante notare che è stato scoperto che un gruppo di batteri N-DAMO adotta l'ossidazione anaerobica del metano con nitrito come ossidante.
Il metano può anche reagire con l'alogeno in condizioni radicaliche come segue:
Il radicale cloro viene prima generato da un iniziatore radicalico come such luce ultravioletta. Questo radicale cloro estrae un atomo di idrogeno dal metano per formare un idrogeno cloro e un radicale metile. Il radicale metile poi reagisce con una molecola di cloro (Cl2), con conseguente clorometano e un radicale cloro, che passa attraverso un altro ciclo di reazione a meno che non venga interrotto da un altro radicale.
Usi del metano
Gli usi industriali del metano sono molteplici, grazie alle sue versatili proprietà chimiche. È un'importante fonte di idrogeno e carbonio per vari materiali organici.
Il metano è il componente principale del gas naturale, che è una comune fonte di carburante. È ampiamente utilizzato per alimentare case, turbine, automobili e altre cose. Il metano può anche essere liquefatto per facilità di stoccaggio o trasporto. Quando combinato con ossigeno liquido, il metano liquido raffinato può servire come fonte di source carburante per i razzi.
Il gas naturale viene anche utilizzato per produrre gas idrogeno su scala industriale poiché il metano può reagire con il vapore ad alte temperature (da 700 a 1.100 °C) per produrre monossido di carbonio e gas idrogeno in presenza di a catalizzatore. L'idrogeno viene quindi utilizzato per la produzione di ammoniaca, precursore di fertilizzanti ed esplosivi. Come buona fonte di carbonio, il metano viene anche utilizzato per sintetizzare cloroformio, tetracloruro di carbonio, nitrometano e metanolo. Il nerofumo generato dalla combustione incompleta del metano è un agente rinforzante per la gomma negli pneumatici.
Il metano come gas serra
In un sistema sostenibile, il metano rilasciato nell'atmosfera viene assorbito dai serbatoi naturali di metano come il suolo e dal processo di ossidazione del metano nella troposfera.
Tuttavia, l'aumento delle emissioni di metano negli ultimi decenni ha contribuito all'effetto serra. Nonostante la sua piccola concentrazione, il metano riscalda il pianeta 86 volte tanto quanto l'anidride carbonica, un altro gas serra. Si spera che gli sforzi per controllare le emissioni di metano possano rallentare l'effetto serra prima che sia troppo tardi.