Methane

Metano (pronunciado "mê-tano" no Brasil, "mí-tano" em Portugal) é um composto químico com a fórmula CH₄ — um átomo de carbono ligado a quatro átomos de hidrogênio. Pertence aos hidretos do grupo 14, é o alcano mais simples e constitui a maior parte do gás natural. Por ser tão abundante na Terra, o metano é um combustível economicamente atraente, mas seu armazenamento e captura são complicados, pois permanece gasoso em temperatura e pressão padrão. Em nossa atmosfera, o metano é transparente à luz visível, mas retém radiação infravermelha, funcionando como um gás de efeito estufa. É um hidrocarboneto orgânico e um dos compostos orgânicos mais simples.

O metano ocorre naturalmente tanto no subsolo quanto sob o leito marinho, formado por processos geológicos e biológicos. O maior reservatório de metano encontra-se sob o leito marinho na forma de clatratos de metano. Quando atinge a superfície e entra no ar, é chamado de metano atmosférico. O metano também foi encontrado em outros planetas, como Marte, o que é significativo para a pesquisa em astrobiologia.

Estruturalmente, o metano é uma molécula tetraédrica com quatro ligações C–H idênticas. Sua estrutura eletrônica envolve dois orbitais moleculares ligantes provenientes da sobreposição dos orbitais de valência do carbono e do hidrogênio. O orbital de menor energia vem da sobreposição do orbital 2s do carbono com a combinação em fase dos quatro orbitais 1s do hidrogênio; acima dele, há um orbital triplamente degenerado que se sobrepõe a várias combinações lineares dos orbitais 1s do hidrogênio. Essa ligação "três-sobre-um" corresponde às medições espectroscópicas de fotoelétrons.

Em temperatura e pressão padrão, o metano é inodoro, incolor e transparente. Ele absorve luz visível, especialmente na extremidade vermelha, devido a bandas de sobretom, mas isso só é perceptível em percursos de luz muito longos — o que confere a Urano e Netuno suas cores azul ou azul-esverdeada, à medida que a luz atravessa atmosferas ricas em metano e é espalhada de volta. O cheiro familiar do gás natural doméstico vem de odorantes adicionados, geralmente misturas contendo terc-butil-tiol, por segurança. O metano ferve a −161,5 °C sob uma atmosfera de pressão. Como gás, é inflamável no ar em concentrações entre 5,4% e 17% à pressão padrão.

O metano sólido existe em várias formas, das quais nove são conhecidas. O resfriamento do metano à pressão normal produz metano I, que cristaliza em um sistema cúbico (grupo espacial Fm3m). Nessa forma, os átomos de hidrogênio não são fixos — as moléculas de metano podem girar livremente, tornando-o um cristal plástico.

As principais reações químicas do metano são combustão, reforma a vapor para gás de síntese e halogenação. Essas reações são geralmente difíceis de controlar. Como outros hidrocarbonetos, o metano é um ácido extremamente fraco, com um pKa em DMSO estimado em 56. Ele não pode ser desprotonado em solução, mas sua base conjugada existe em formas como o metil-lítio. Vários íons positivos derivados do metano foram observados, principalmente como espécies instáveis em misturas gasosas de baixa pressão, incluindo o cátion metila (CH₃⁺), o cátion metano (CH₄⁺) e o metano protonado (CH₅⁺). Alguns foram detectados no espaço sideral. O metânio também pode ser produzido em soluções diluídas a partir de metano com superácidos. Cátions de carga mais alta, como CH₆²⁺ e CH₇³⁺, foram estudados teoricamente e acredita-se que sejam estáveis. Apesar da força de suas ligações C–H, há grande interesse em catalisadores que ativam essas ligações no metano e em outros alcanos inferiores.

O calor de combustão do metano é de 55,5 MJ/kg. A combustão segue uma reação de múltiplas etapas: CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O (ΔcH = −891 kJ/mol em condições padrão; −802 kJ/mol se formar vapor de água). A química de quatro etapas de Peters é um modelo simplificado para a queima do metano. A oxidação parcial a metanol é realizada por certas enzimas, como a metano mono-oxigenase. Algumas bactérias oxidam o metano usando nitrito como oxidante na ausência de oxigênio — um processo chamado oxidação anaeróbica do metano. A oxidação em escala industrial nunca foi bem-sucedida comercialmente, mesmo com oxigênio limitado. Sistemas catalíticos homogêneos e heterogêneos foram demonstrados, mas nenhum é econômico; eles geralmente geram produtos protegidos para evitar a oxidação excessiva, como o sistema Catalytica, zeólitas de cobre e zeólitas de ferro que estabilizam sítios ativos de alfa-oxigênio.

Sob as condições certas, o metano reage com radicais de halogênio: •X + CH₄ → HX + •CH₃, depois •CH₃ + X₂ → CH₃X + •X, onde X é flúor, cloro, bromo ou iodo. Essa halogenação por radicais livres é desencadeada por luz UV ou iniciadores de radicais como peróxidos, produzindo um átomo de halogênio. Segue-se uma reação em cadeia de duas etapas: o átomo de halogênio retira um hidrogênio do metano, formando um haleto de hidrogênio e um radical metila (•CH₃), que então reage com uma molécula de halogênio para criar um halometano e um novo átomo de halogênio. Reações semelhantes podem substituir átomos de hidrogênio adicionais, produzindo di-halometano, tri-halometano e tetra-halometano, dependendo das condições.