Metano – produzione, proprietà e utilizzo

Metano: caratteristiche generali

Il metano è il composto più semplice della serie omologa degli idrocarburi alifatici. La formula molecolare del metano è _CH4 . La sua molecola è composta da un atomo di carbonio e quattro atomi di idrogeno. Tutti i legami tra gli atomi nella molecola di metano sono covalenti (legami sigma). È stato dimostrato sperimentalmente che hanno la stessa lunghezza ed energia. Gli angoli tra i legami sono uguali a 109°28′. La molecola del metano ha la forma di un tetraedro regolare. Di conseguenza, l’atomo di carbonio adotta l’ibridazione sp ³ .

Preparazione e proprietà

Il metano è abbastanza comune in natura e la sua fonte principale è il gas naturale. I depositi di questo combustibile fossile si trovano spesso in profondità nel sottosuolo o sul fondo dei mari e degli oceani, da dove viene estratto. Il prodotto ottenuto da tali fonti è spesso chiamato gas organico, cioè gas generato dalla trasformazione della materia organica, ad alta temperatura e pressione. Il metano si trova anche nel grisù che accompagna i letti di carbone, nonché nel gas paludoso rilasciato durante la decomposizione dei residui vegetali. In quest’ultimo caso il gas è il prodotto di una serie di processi di decadimento delle sostanze organiche. Quantità significative di metano si accumulano sotto il fondale oceanico sotto forma di clatrati di metano, dove il metano gassoso è intrappolato all’interno di una sorta di "gabbia" formata da molecole d’acqua. In condizioni di laboratorio, il metano si ottiene in diversi modi. Uno di questi è la sintesi diretta da carbonio e idrogeno ad alta temperatura (500°C) . I laboratori spesso utilizzano la reazione del carburo di alluminio con l’acqua per produrre molecole di metano e idrossido di alluminio. Quando si effettua la reazione è necessario ricordare che il metano è una sostanza gassosa, quindi se si vuole raccogliere il prodotto risultante è necessario predisporre un apposito sistema per catturare i prodotti gassosi. Un altro metodo di laboratorio consiste nel riscaldare una miscela di acetato di sodio e idrossido di sodio a una temperatura elevata (decarbossilazione). Le proprietà fisiche e chimiche del metano:

• Gas inodore e incolore a temperatura ambiente.
• Altamente infiammabile. Brucia con una fiamma blu.
• Le singole molecole di metano sono molto stabili, tuttavia la sua miscela con aria o ossigeno è esplosiva (contenuto di metano dal 5%al ​​14%circa in volume).
• Il gas è resistente agli agenti chimici.
• La sua densità è inferiore a quella dell’aria.
• È insolubile in acqua.
• Ben solubile in solventi organici.
• Non è tossico.

Il metano subisce una serie di importanti reazioni chimiche . Le più importanti includono le reazioni di combustione . Con un’alimentazione d’aria illimitata, avviene la combustione completa del metano. La reazione si traduce in anidride carbonica e acqua. Questo tipo di combustione è la più sicura ed efficiente. Quando l’apporto di ossigeno è limitato, avviene la combustione incompleta del metano. A seconda della quantità di ossigeno fornito, i prodotti di tale combustione includono monossido di carbonio velenoso (II) e acqua oppure carbonio e acqua. Il metano non reagisce con il bromo e l’acido permanganico. Ciò spiega la mancanza di cambiamento nel colore della soluzione di acqua bromo e permanganato di potassio (VII). Tuttavia, reagisce con il cloro in modo relativamente semplice. Le reazioni degli alcani con gli alogeni sono altamente esotermiche. Le reazioni tra metano e cloro sono radicali. È importante sottolineare che la clorurazione di questo alcano più semplice non avviene al buio (di solito viene avviata dalla luce). Affinché la reazione possa avvenire, l’intero sistema dovrebbe essere riscaldato ad una temperatura superiore a 250°C . La clorazione del metano avviene quando una molecola di cloro si scompone in due radicali, che poi reagiscono con l’altro substrato e portano alla formazione di radicali metilici e acido cloridrico. La reazione di clorurazione non si ferma allo stadio di monoclorurazione. I radicali che si formano interagiscono con le molecole di cloro o i radicali del cloro. Una molecola che non subisce ulteriore clorurazione è il tetracloruro di carbonio dove tutti gli atomi di idrogeno sono sostituiti da atomi di cloro. La miscela finale infatti contiene tutti i suddetti derivati.

Principali applicazioni del metano nel settore

Una delle principali applicazioni del metano è il suo utilizzo come fonte di energia . L’energia è ottenuta bruciando combustibili contenenti questo composto. Il gas naturale è un esempio di tale combustibile. Il suo contenuto di metano supera il 90%. Una volta estratto, va quasi direttamente ai consumatori privati ​​e al settore industriale. La combustione del metano viene utilizzata anche nelle turbine a gas per generare elettricità e calore. Può essere utilizzato anche per riscaldare le case. Il metano viene utilizzato per la propulsione dei veicoli a motore . Come carburante, è commercializzato con il nome di CNG (gas naturale compresso) o GNL (gas naturale liquefatto) . La sua combustione nelle automobili è molto più efficiente rispetto al diesel o alla benzina. Ovviamente, l’ industria chimica è un grande utilizzatore di metano. Un’applicazione chimica è la produzione di idrogeno in un processo chiamato steam reforming. Pertanto, il crescente interesse per l’idrogeno come carburante del futuro comporta un crescente interesse anche per il metano. Altri processi chimici che utilizzano il metano includono la produzione di metanolo , gas di carbone o plastica . Anche il metano è indirettamente coinvolto nella produzione di pneumatici. La fuliggine prodotta dalla combustione incompleta del gas è uno degli ingredienti utilizzati per rinforzare la gomma utilizzata per realizzare i pneumatici delle auto. La stessa fuliggine può essere utilizzata nella produzione di vernici e inchiostri da stampa .

Metano come gas serra

Tra i gas e le emissioni che incidono maggiormente sul riscaldamento globale, l’anidride carbonica è al primo posto. È un tipo di inquinante che persiste nell’atmosfera per molto tempo, fino a diverse migliaia di anni. Tuttavia, il metano rappresenta una minaccia ancora più pericolosa per il clima . In quanto inquinante, è presente "solo" per circa 10-15 anni, molto meno dell’anidride carbonica, ma il suo impatto sull’effetto serra è molto maggiore.

Clatrati di metano

Un esempio interessante di depositi di metano che potrebbero potenzialmente costituire una preziosa fonte della sostanza sono i cosiddetti clatrati di metano. Considerando la loro struttura chimica, potresti spesso sentirli chiamare idrato di metano, idrometano o ghiaccio di metano. I clatrati di metano sono una combinazione di molecole d’acqua e molecole di metano. L’acqua in questo caso forma una struttura a gabbia all’interno della quale è intrappolato il metano. Non ci sono legami chimici tra loro. I clatrati sono caratterizzati da una struttura cristallina e si formano sotto una maggiore pressione. Fisicamente sembrano solidi bianchi. Sono inodore e al tatto assomigliano al polistirolo . Più comunemente si trovano clatrati di metano costituiti da 46 molecole d’acqua che circondano due "gabbie" piccole e sei medie. Il metano è intrappolato al loro interno. I clatrati di metano non sono ancora una fonte di energia completamente esplorata. Proprio per la possibilità di estrarre da essi quantità significative di metano per scopi di produzione di energia, suscitano un notevole interesse. La materia prima risultante può essere un’ottima alternativa alle fonti convenzionali di idrocarburi , tuttavia, una conoscenza insufficiente sull’estrazione del metano dai clatrati rappresenta un grande rischio per l’ambiente, che può essere una conseguenza del rilascio incontrollato di metano nell’atmosfera.

Biometano

Il biometano è definito come un gas ottenuto dal biogas. Il biogas, invece, è un gas ottenuto dalla biomassa. Si forma attraverso la trasformazione della materia organica, compresi rifiuti vegetali e animali, discariche o impianti di trattamento delle acque reflue. Il metano rappresenta solitamente circa il 55 %del biogas. Il biogas viene solitamente utilizzato direttamente, mentre la sua purificazione in biometano puro viene effettuata solo in situazioni eccezionali. Il biometano si presenta in due stati della materia: gassoso e liquido. Si forma durante la fermentazione del metano dei rifiuti biologici. La quasi totalità del biometano così ottenuto è destinato alla produzione di energia. Molte aziende e impianti produttivi utilizzano il biogas e il biometano in esso contenuto per alimentare le apparecchiature che ormai spesso utilizzano energia proveniente dal gas naturale. Anche se si tratta di una fonte di energia rinnovabile, la combustione del biometano comporta emissioni significative di anidride carbonica, che è un gas serra. Leggi anche: etano , propano , butano .