Il metano è il più semplice dagli alcani ovvero di quegli idrocarburi saturi che hanno formula generale CnH2n+2.
È costituito da un solo atomo di carbonio che è ibridato sp3 e ha formula CH4 e struttura tetraedrica con angoli di legame di 109.4°.
Storia
Grandi studiosi come il chimico francese Antoine Lavoisier, il chimico inglese Joseph Priestley e lo scienziato statunitense Benjamin Franklin avevano osservato che in anse stagnanti di fiumi avvicinando una fiamma alla superficie si accendevano delle fiammelle azzurrine e avevano ritenuto che fosse imputabile a esalazioni di “aria infiammabile” di origine minerale.
Nel 1776 il chimico e fisico italiano Alessandro Volta nei pressi di un canneto presso l'isolino Partegora smuovendo il fondo con l‘aiuto di un bastone vide salire a galla delle bolle di gas che raccolse in una bottiglia. Scoprì che questo gas poteva essere incendiato e dedusse che il gas a cui diede il nome di gas delle paludi si formava nella decomposizione di sostanze animali e vegetali.
Proprietà
A temperatura ambiente è un gas inodore e incolore, scarsamente solubile in acqua essendo apolare.
È un gas naturale formatosi nel corso di ere geologiche da resti di organismi rimasti sepolti sul fondo di mari e laghi.
Poiché il metano viene largamente usato come combustibile costituisce una importante valutazione il valore del suo potere calorifico ovvero la quantità di calore che viene rilasciata dalla combustione completa di 1 m3 di gas a 0°C e a pressione atmosferica.
Il potere calorifico inferiore del metano, ovvero il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore acqueo durante la combustione è di 8570 kcal/m3
Sintesi
Stante l'abbondanza del gas naturale di cui il metano costituisce circa il 90% si preferisce attingere alle risorse naturali piuttosto che ottenerlo per via sintetica.
Può essere ottenuto attraverso:
- La reazione di Sabatier in cui viene fatto reagire idrogeno con biossido di carbonio a una temperatura di circa 300°C e a elevata pressione in presenza di nichel che agisce da catalizzatore secondo la reazione esotermica:
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
- La metanazione del monossido di carbonio che avviene in presenza di catalizzatori quali rutenio, cobalto, nichel e ferro secondo la reazione esotermica:
CO + 3 H2 → CH4 + H2O
Reazioni
Il metano dà le seguenti reazioni:
- combustione completa:
CH4 + O2 → CO2 + 2 H2O
- combustione incompleta:
2 CH4 + 3 O2 → 3 CO + 4 H2O
- alogenazione per via radicalica
La reazione di sostituzione radicalica procede tramite una fase di iniziazione in cui tramite scissione omolitica dell'alogeno X2 che è catalizzata dalla luce si ottengono due atomi di alogeno particolarmente reattivi.
Nella fase di propagazione avviene la formazione di CH3·:
CH4 + X· → HX + CH3·
Il radicale CH3· reagisce con X2 per dare un alogenuro alchilico:
CH3· + X2 → X· + CH3X
La terminazione avviene con l'accoppiamento di due radicali:
X· + X· → X2
CH3· + CH3· → CH3CH3
CH3· + X· → CH3X
Razioni analoghe possono avvenire sul prodotto alogenato per dare alogenuri alchilici un cui sono presenti due, tre o quattro atomi di alogeno
- con biossido di carbonio per dare monossido di carbonio e idrogeno:
CH4 + CO2 → 2 CO + 2 H2
- con ossigeno per dare monossido di carbonio e idrogeno:
2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2
- con acqua per dare monossido di carbonio e idrogeno:
CH4 + H2O → 2 CO + 3 H2
