Methane

El metano (pronunciado /meˈtano/ en español) es un compuesto químico con la fórmula CH₄: un átomo de carbono unido a cuatro átomos de hidrógeno. Pertenece a los hidruros del grupo 14, es el alcano más simple y constituye la mayor parte del gas natural. Debido a su abundancia en la Tierra, el metano es un combustible económicamente atractivo, pero su almacenamiento y captura son complicados, ya que permanece en estado gaseoso en condiciones estándar de temperatura y presión. En nuestra atmósfera, el metano es transparente a la luz visible, pero atrapa la radiación infrarroja, funcionando como un gas de efecto invernadero. Es un hidrocarburo orgánico y uno de los compuestos orgánicos más simples.

El metano se encuentra de forma natural tanto bajo tierra como bajo el lecho marino, formado mediante procesos geológicos y biológicos. El mayor depósito de metano se encuentra bajo el lecho marino en forma de clatratos de metano. Cuando llega a la superficie y entra en el aire, se denomina metano atmosférico. También se ha encontrado metano en otros planetas, como Marte, lo que es significativo para la investigación en astrobiología.

Estructuralmente, el metano es una molécula tetraédrica con cuatro enlaces C–H idénticos. Su estructura electrónica implica dos orbitales moleculares de enlace provenientes de la superposición de los orbitales de valencia del carbono y el hidrógeno. El orbital de menor energía proviene del orbital 2s del carbono superpuesto con la combinación en fase de los cuatro orbitales 1s del hidrógeno; por encima de este, hay un orbital triplemente degenerado que se superpone con varias combinaciones lineales de los orbitales 1s del hidrógeno. Este enlace "tres sobre uno" coincide con las mediciones espectroscópicas de fotoelectrones.

A temperatura y presión estándar, el metano es inodoro, incoloro y transparente. Absorbe luz visible, especialmente en el extremo rojo, debido a bandas de armónicos, pero esto solo es notable en trayectorias de luz muy largas, lo que da a Urano y Neptuno sus colores azul o azul verdoso cuando la luz atraviesa atmósferas ricas en metano y se dispersa. El olor familiar del gas natural doméstico proviene de odorantes añadidos, generalmente mezclas que contienen tert-butilmercaptano, por seguridad. El metano hierve a −161,5 °C bajo una atmósfera de presión. Como gas, es inflamable en el aire en concentraciones entre el 5,4 % y el 17 % a presión estándar.

El metano sólido existe en varias formas, de las cuales se conocen nueve. Al enfriar metano a presión normal se produce metano I, que cristaliza en un sistema cúbico (grupo espacial Fm3m). En esta forma, los átomos de hidrógeno no están fijos en su lugar: las moléculas de metano pueden rotar libremente, lo que lo convierte en un cristal plástico.

Las principales reacciones químicas del metano son la combustión, el reformado con vapor para producir gas de síntesis y la halogenación. Estas reacciones son generalmente difíciles de controlar. Al igual que otros hidrocarburos, el metano es un ácido extremadamente débil, con un pKa en DMSO estimado en 56. No puede desprotonarse en solución, pero su base conjugada existe en formas como el metillitio. Se han observado varios iones positivos derivados del metano, principalmente como especies inestables en mezclas gaseosas a baja presión, incluidos el catión metilo (CH₃⁺), el catión metano (CH₄⁺) y el metano protonado (CH₅⁺). Algunos se han detectado en el espacio exterior. El metanio también puede producirse en soluciones diluidas a partir de metano con superácidos. Se han estudiado teóricamente cationes de mayor carga como CH₆²⁺ y CH₇³⁺, y se cree que son estables. A pesar de la fuerza de sus enlaces C–H, existe un gran interés en catalizadores que activen estos enlaces en el metano y otros alcanos inferiores.

El calor de combustión del metano es de 55,5 MJ/kg. La combustión sigue una reacción de múltiples pasos: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O (ΔcH = −891 kJ/mol en condiciones estándar; −802 kJ/mol si se forma vapor de agua). La química de cuatro pasos de Peters es un modelo simplificado para la combustión del metano. La oxidación parcial a metanol es llevada a cabo por ciertas enzimas, como la metano monooxigenasa. Algunas bacterias oxidan el metano usando nitrito como oxidante en ausencia de oxígeno, un proceso llamado oxidación anaeróbica del metano. La oxidación a escala industrial nunca ha tenido éxito comercial, incluso con oxígeno limitado. Se han demostrado sistemas catalíticos homogéneos y heterogéneos, pero ninguno es económico; generalmente generan productos protegidos para evitar la sobreoxidación, como el sistema Catalytica, las zeolitas de cobre y las zeolitas de hierro que estabilizan sitios activos de alfa-oxígeno.

En las condiciones adecuadas, el metano reacciona con radicales halógenos: •X + CH₄ → HX + •CH₃, luego •CH₃ + X₂ → CH₃X + •X, donde X es flúor, cloro, bromo o yodo. Esta halogenación por radicales libres se desencadena por luz UV o iniciadores de radicales como peróxidos, produciendo un átomo de halógeno. Sigue una reacción en cadena de dos pasos: el átomo de halógeno extrae un hidrógeno del metano, formando un haluro de hidrógeno y un radical metilo (•CH₃), que luego reacciona con una molécula de halógeno para crear un halometano y un nuevo átomo de halógeno. Reacciones similares pueden reemplazar átomos de hidrógeno adicionales, produciendo dihalometano, trihalometano y tetrahalometano según las condiciones.