Metano: proprietà, sintesi, reazioni

Il metano è il più semplice e il più noto degli alcani ovvero di quegli idrocarburi saturi che hanno formula generale C_nH_2n+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 del metano

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