Methane

Il metano (pronunciato METH-ayn negli Stati Uniti, MEE-thayn nel Regno Unito) è un composto chimico con formula CH₄: un atomo di carbonio legato a quattro atomi di idrogeno. Appartiene agli idruri del gruppo 14, è l'alcano più semplice e costituisce la maggior parte del gas naturale. Poiché il metano è così abbondante sulla Terra, è un combustibile economicamente interessante, ma immagazzinarlo e catturarlo è complesso, poiché rimane un gas a temperatura e pressione standard. Nella nostra atmosfera, il metano è trasparente alla luce visibile ma intrappola la radiazione infrarossa, fungendo da gas serra. È un idrocarburo organico e uno dei composti organici più semplici.

Il metano si trova naturalmente sia nel sottosuolo che sotto il fondale marino, formato da processi geologici e biologici. Il più grande giacimento di metano si trova sotto il fondale marino sotto forma di clatrati di metano. Quando raggiunge la superficie ed entra nell'aria, viene chiamato metano atmosferico. Il metano è stato trovato anche su altri pianeti, come Marte, il che è significativo per la ricerca astrobiologica.

Dal punto di vista strutturale, il metano è una molecola tetraedrica con quattro legami C–H identici. La sua struttura elettronica coinvolge due orbitali molecolari di legame derivanti dalla sovrapposizione degli orbitali di valenza del carbonio e dell'idrogeno. L'orbitale a energia più bassa proviene dall'orbitale 2s del carbonio che si sovrappone alla combinazione in fase dei quattro orbitali 1s dell'idrogeno; al di sopra di esso si trova un orbitale triplamente degenere che si sovrappone a varie combinazioni lineari degli orbitali 1s dell'idrogeno. Questo legame "tre su uno" corrisponde alle misurazioni spettroscopiche fotoelettroniche.

A temperatura e pressione standard, il metano è inodore, incolore e trasparente. Assorbe la luce visibile, specialmente all'estremità rossa, a causa delle bande di overtone, ma ciò è evidente solo su percorsi luminosi molto lunghi, il che conferisce a Urano e Nettuno il loro colore blu o blu-verdastro quando la luce attraversa atmosfere ricche di metano e si diffonde. L'odore familiare del gas naturale domestico proviene da odoranti aggiunti, tipicamente miscele contenenti tert-butilmercaptano, per motivi di sicurezza. Il metano bolle a −161,5 °C sotto una atmosfera di pressione. Come gas, è infiammabile nell'aria a concentrazioni comprese tra il 5,4% e il 17% a pressione standard.

Il metano solido esiste in diverse forme, di cui nove sono note. Raffreddando il metano a pressione normale si produce il metano I, che cristallizza in un sistema cubico (gruppo spaziale Fm3m). In questa forma, gli atomi di idrogeno non sono fissi: le molecole di metano possono ruotare liberamente, rendendolo un cristallo plastico.

Le principali reazioni chimiche del metano sono la combustione, il reforming a vapore per produrre syngas e l'alogenazione. Queste reazioni sono generalmente difficili da controllare. Come altri idrocarburi, il metano è un acido estremamente debole, con un pKa in DMSO stimato a 56. Non può essere deprotonato in soluzione, ma la sua base coniugata esiste in forme come il metillitio. Diversi ioni positivi derivati dal metano sono stati osservati, per lo più come specie instabili in miscele gassose a bassa pressione, tra cui il catione metile (CH₃⁺), il catione metano (CH₄⁺) e il metano protonato (CH₅⁺). Alcuni sono stati rilevati nello spazio esterno. Il metanio può anche essere prodotto in soluzioni diluite a partire dal metano con superacidi. Cationi a carica più elevata come CH₆²⁺ e CH₇³⁺ sono stati studiati teoricamente e si ritiene siano stabili. Nonostante la forza dei suoi legami C–H, c'è un forte interesse per i catalizzatori che attivano questi legami nel metano e in altri alcani inferiori.

Il calore di combustione del metano è 55,5 MJ/kg. La combustione segue una reazione a più fasi: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O (ΔcH = −891 kJ/mol in condizioni standard; −802 kJ/mol se si forma vapore acqueo). La chimica in quattro fasi di Peters è un modello semplificato per la combustione del metano. L'ossidazione parziale a metanolo è effettuata da alcuni enzimi, come la metano monoossigenasi. Alcuni batteri ossidano il metano usando il nitrito come ossidante in assenza di ossigeno, un processo chiamato ossidazione anaerobica del metano. L'ossidazione su scala industriale non ha mai avuto successo commerciale, nemmeno con ossigeno limitato. Sono stati dimostrati sistemi catalitici omogenei ed eterogenei, ma nessuno è economico; tipicamente generano prodotti protetti per evitare la sovraossidazione, come il sistema Catalytica, le zeoliti di rame e le zeoliti di ferro che stabilizzano i siti attivi dell'alfa-ossigeno.

Nelle giuste condizioni, il metano reagisce con i radicali alogeni: •X + CH₄ → HX + •CH₃, poi •CH₃ + X₂ → CH₃X + •X, dove X è fluoro, cloro, bromo o iodio. Questa alogenazione radicalica è innescata dalla luce UV o da iniziatori radicalici come i perossidi, producendo un atomo di alogeno. Segue una reazione a catena in due fasi: l'atomo di alogeno strappa un idrogeno dal metano, formando un alogenuro di idrogeno e un radicale metile (•CH₃), che poi reagisce con una molecola di alogeno per creare un alometano e un nuovo atomo di alogeno. Reazioni simili possono sostituire ulteriori atomi di idrogeno, producendo di-alometano, tri-alometano e tetra-alometano a seconda delle condizioni.