Metano

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Metano
struttura
modello molecolare
Nome IUPAC
metano
Nomi alternativi
tetraidruro di carbonio
gas di palude
grisou
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare CH4
Massa molecolare (u) 16,04
Aspetto gas incolore
Numero CAS [74-82-8]
Numero EINECS 200-812-7
Proprietà chimico-fisiche
Densità (kg·m−3, in c.s.) 0,71682
Solubilità in acqua 0,024 g/l a c.n.
Temperatura di fusione −182,7 °C (90,8 K)
ΔfusH0 (kJ·mol−1) 1,1
Temperatura di ebollizione −161,4 °C (111,8 K)
ΔebH0 (kJ·mol−1) 8,17
Punto triplo 90,67 K (−182,48 °C)
1,17 × 104 Pa
Punto critico 190,6 K (−82,6 °C)
4,6 MPa
Viscosità dinamica (mPa.s a 0 °C e 100 °C) 0,0103
0,0137
Proprietà termochimiche
ΔfH0 (kJ·mol−1) −74,81[1]
ΔfG0 (kJ·mol−1) −50,72[1]
S0m(J·K−1mol−1) 186,26[1]
C0p,m(J·K−1mol−1) 35,31[1]
ΔcombH0 (kJ·mol−1) −890[1]
Indicazioni di sicurezza
Flash point −188 °C (85 K)
Limiti di esplosione 5,3 - 14% vol.
Temperatura di autoignizione 600 °C (873 K)
Simboli di rischio chimico
estremamente infiammabile gas compresso

pericolo

Frasi H 220 - 280
Consigli P 210 - 377 - 381 - 403 [2]

Il metano (detto anche impropriamente gas di città, essendo quest'ultimo una miscela di più gas) è un idrocarburo semplice (alcano) formato da un atomo di carbonio e 4 di idrogeno; la sua formula chimica è CH4, e si trova in natura sotto forma di gas.

Cenni storici[modifica | modifica sorgente]

La scoperta[modifica | modifica sorgente]

Nell'autunno del 1776 Alessandro Volta studiò un fenomeno noto anche in epoche più lontane, segnalatogli da Carlo Giuseppe Campi: in un'ansa stagnante del fiume Lambro, avvicinando una fiamma alla superficie si accendevano delle fiammelle azzurrine.

Questo fenomeno era già stato studiato separatamente da Pringle, Lavoisier, Franklin e Priestley pochi anni prima ma lo classificarono semplicemente come un'esalazione di aria infiammabile, di origine minerale.

Volta volle andare più a fondo della questione. Mentre era ospite ad Angera nella casa dell'amica Teresa Castiglioni (Angera 1750 - Como 1821), Alessandro Volta scoprì l'aria infiammabile nella palude dell'isolino Partegora, in località Bruschera (provincia di Varese). Provando a smuovere il fondo con l'aiuto di un bastone vide che risalivano delle bolle di gas e le raccolse in bottiglie. Diede a questo gas il nome di aria infiammabile di palude e scoprì che poteva essere incendiato sia per mezzo di una candela accesa sia mediante una scarica elettrica; dedusse che il gas si formava nella decomposizione di sostanze animali e vegetali[3]. Pensando immediatamente a un suo utilizzo pratico costruì dapprima una pistola elettroflogopneumatica in legno, metallo e vetro, il cui scopo sarebbe stato la trasmissione di un segnale a distanza, e in seguito realizzò una lucerna ad aria infiammabile e perfezionò l'eudiometro per la misura e l'analisi dei gas.

Per ulteriore conferma della sua tesi, si recò nel 1780 a Pietramala, sull'Appennino toscano, dove vi erano dei celebri fuochi fatui. La corretta composizione del gas fu determinata da Thomas Henry nel 1805.

Estrazione del metano in Italia[modifica | modifica sorgente]

Nel giugno del 1959 in Italia, presso Lodi, una perforazione dell'Eni, allora presieduta da Enrico Mattei, scopre il primo giacimento profondo dell'Europa occidentale.

Successivamente si iniziano i rilevamenti nel mare Adriatico, ma le prime due perforazioni dettero esito negativo, così l'Eni abbandonò l'idea preferendo destinare le risorse a perforazioni nel mar Rosso. In attesa delle autorizzazioni da parte del governo egiziano, l'Eni decise di compiere una terza trivellazione al largo di Ravenna, che diede esito positivo. Nel 1959 entrò in funzione la prima piattaforma metanifera.

Al largo di Crotone attualmente le piattaforme dell'Eni estraggono circa il 15% del consumo nazionale di metano, sia per uso civile sia industriale.

Proprietà chimico-fisiche[modifica | modifica sorgente]

La molecola del metano ha forma tetraedrica; l'atomo di carbonio è al centro di un tetraedro regolare ai cui vertici si trovano gli atomi di idrogeno. Gli angoli di legame sono di 109,5°

Una particolare caratteristica dei legami tra carbonio e i 4 atomi di idrogeno è che il carbonio, nel suo stato elettronico fondamentale (non eccitato), presenterebbe solamente due elettroni di valenza, e di conseguenza avrebbe la possibilità di creare solo due legami. Tuttavia il carbonio forma 4 legami con altrettanti atomi di idrogeno. Significa che durante la formazione dei legami il carbonio, che presenta 4 elettroni nel livello orbitale con numero quantico principale pari a 2, un elettrone viene eccitato (venendogli fornita energia) portando alla formazione di quattro orbitali atomici ibridi sp3 equivalenti. Gli elettroni di valenza diventano quindi quattro, e il carbonio forma 4 legami. Tutto questo è possibile perché la diminuzione di energia del sistema C H H H H che si ottiene con la formazione di 4 legami invece di due è in valore assoluto maggiore dell'aumento dell'energia necessaria a eccitare un elettrone. Di conseguenza l'energia finale del sistema con 4 legami sarà minore dell'energia del sistema con 2 legami, e pertanto più stabile.

A temperatura e pressione ambiente si presenta come gas incolore, inodore e molto infiammabile. Il metano liquido invece si ottiene raffreddando il gas ad una temperatura di –162°, sempre a pressione atmosferica.[4]

Abbondanza e disponibilità[modifica | modifica sorgente]

Nel sottosuolo[modifica | modifica sorgente]

Fiamme generate dalla perdita di gas naturale (costituito essenzialmente da metano) da una sorgente naturale.

Il metano è il risultato della decomposizione di alcune sostanze organiche in assenza di ossigeno. È quindi classificato anche come biogas. La maggior parte del metano viene ottenuta per estrazione dai suoi giacimenti sotterranei, dove spesso è abbinato ad altri idrocarburi, frutto della decomposizione di sostanze organiche sepolte in profondità in tempi preistorici.

Il metano è presente normalmente nei giacimenti di petrolio (ma esistono anche immensi giacimenti di solo metano). Il metano deriva dalle rocce madri, da cui derivano progressivamente (attraverso il cracking del kerogene) tutti gli idrocarburi (dai solidi - bitume, ai liquidi - petrolio, fino ai gassosi, quali il metano stesso).

Quando si estrae il petrolio, risale in superficie anche il metano, in media in quantità pari allo stesso petrolio. Se i giacimenti sono lontani dai luoghi di consumo o situati in mare aperto, risulta quasi impossibile usare quel metano, che pertanto viene bruciato all'uscita dei pozzi senza essere utilizzato in alcun modo, oppure viene ripompato nei giacimenti di petrolio, mediante l'uso di compressori centrifughi o alternativi, favorendo ulteriormente l'uscita del greggio grazie alla pressione.

Circa due terzi del metano estratto non viene utilizzato perché il costo del trasporto del gas naturale nei gasdotti è quattro volte superiore a quello del petrolio, perché la densità del gas è molto minore.

Nei fondali oceanici[modifica | modifica sorgente]

Si stima che esistano grandi quantità di metano in forma di clatrati di metano sui fondali oceanici.

Clatrato di metano sul fondo oceanico.

Nell'atmosfera terrestre[modifica | modifica sorgente]

Il metano è un gas serra presente nell'atmosfera terrestre in concentrazioni molto inferiori a quelle della CO2 ma con un potenziale di riscaldamento globale ben 21 volte superiore[5].

Le principali fonti di emissione di metano nell'atmosfera sono:

Dal 60% all'80% delle emissioni mondiali è di origine umana. Esse derivano principalmente da miniere di carbone, discariche, attività petrolifere , gasdotti e agricoltura.[6]

La sua concentrazione in atmosfera è aumentata da 700 ppb (parti per miliardo) nel periodo 1000-1750 a 1.750 ppb nel 2000, con un incremento del 150%[7].

Il metano è responsabile al 18% dell'incremento dell'effetto serra[8].

Media della concentrazione annuale del metano nella troposfera nel 2011 (in ppm).

È presente in concentrazione più elevata nell'emisfero boreale.

Sugli altri pianeti[modifica | modifica sorgente]

Mappa di concentrazione del metano nell'atmosfera di Marte.

La presenza di metano è stata verificata o ipotizzata in molti luoghi del sistema solare. Nella maggior parte dei casi, si ritiene che abbia origine da processi abiotici. Possibili eccezioni potrebbero essere quelle di Marte e Titano

  • Luna - ve ne sono tracce che filtrano dalla superficie.[9]
  • Marte - l'atmosfera marziana contiene del metano. Nel gennaio 2009 i ricercatori della NASA hanno osservato emissioni di metano dalla superficie in atmosfera localizzate in aree specifiche, facendo ipotizzare che possano essere legate ad attività biologiche che avvengono nel sottosuolo.[10]
  • Giove - l'atmosfera del pianeta è composta per circa lo 0,3% da metano.
  • Saturno - l'atmosfera del pianeta è composta per circa lo 0,4% da metano.
Laghi di metano liquido sulla superficie di Titano.
    • Titano - la sua atmosfera contiene circa l'1,6% di metano e migliaia di laghi di metano liquido sono stati osservati sulla superficie.[11] Negli strati superiori dell'atmosfera il metano viene convertito in molecole più complesse, tra cui l'acetilene, in un processo che produce anche idrogeno molecolare. S'è inoltre osservato che in prossimità della superficie acetilene e idrogeno tornano a formare metano: si ipotizza la presenza di un qualche catalizzatore esotico o un'ancora più esotica forma di vita metanogena.[12]
    • Encelado - la sua atmosfera contiene circa l'1,7% di metano.[13]
  • Urano - l'atmosfera del pianeta contiene circa il 2,3% di metano.
    • Ariel - si presume che il metano sia uno dei costituenti dei ghiacci superficiali di Ariel.
    • Miranda
    • Oberon - circa il 20% dei ghiacci superficiali di Oberon è composto da composti a base di carbonio affini al metano e composti azotati.
    • Titania - circa il 20% dei ghiacci superficiali di Titania è composto da composti organici affini al metano.
    • Umbriel - il metano è uno dei costituenti dei ghiacci superficiali.
  • Nettuno - l'atmosfera del pianeta contiene circa l'1,6% di metano.
    • Tritone - Tritone possiede una tenue atmosfera di azoto con tracce di metano a livello della superficie.[14][15]
  • Plutone - l'analisi spettroscopica della superficie di Plutone evidenzia la presenza di tracce di metano.[16][17]
  • Caronte - si ipotizza la presenza di metano su Caronte, ma non è ancora definitivamente confermata.[18]
  • Eris - lo spettro infrarosso rivela la presenza di ghiaccio di metano.
  • Cometa di Halley
  • Cometa Hyakutake - le osservazioni dalla Terra hanno evidenziato presenza di metano ed etano nella cometa.[19]
  • il pianeta extrasolare HD 189733b - si tratta del primo rilevamento di un composto organico su un pianeta esterno al sistema solare. La sua origine è ancora sconosciuta, dato che l'elevata temperatura superficiale del pianeta (700 °C) dovrebbe normalmente favorire lo sviluppo di monossido di carbonio.[20]
  • nubi interstellari[21]

Reattività[modifica | modifica sorgente]

Modello 3D del metano (CH4). In figura è riportata la distanza (in angstrom) tra carbonio e idrogeno, che è abbastanza corta se confrontata con i legami C-H degli altri idrocarburi.

Eccetto per la combustione, le reazioni del metano sono perlopiù condotte a pressioni e/o temperature elevate, comunque quasi sempre in presenza di catalizzatori.

L'ossidazione del metano con acido solforico e diclorobipirimidilplatino come catalizzatore, converte a 220 °C e 34 atm di pressione circa il 90% del metano in idrogenosolfato di metile; per idrolisi si riottiene il metano e l'acido solforico di partenza.[22]

Il legame covalente carbonio-idrogeno nel metano è uno dei più forti tra tutti gli idrocarburi; per questo motivo il metano è meno reattivo degli altri idrocarburi, per cui il suo uso come materia prima nell'industria chimica è limitato. La ricerca di un catalizzatore che possa facilitare l'attivazione del legame C-H nel metano e negli altri alcani leggeri è un'area di ricerca con importanti risvolti industriali.

Per rimozione di un atomo di idrogeno il metano forma il radicale metile (CH3•) mentre se gli idrogeni rimossi sono due il radicale formatosi prende il nome di metilene (•CH2•).

Combustione[modifica | modifica sorgente]

Andamento dell'entalpia di reazione associata alla combustione del metano.

Il metano è il principale componente del gas naturale, ed è un eccellente combustibile perché possiede un alto potere calorifico. Bruciando una molecola di metano in presenza di ossigeno si forma una molecola di CO2 (anidride carbonica), due molecole di H2O (acqua) e si libera una quantità di calore:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Il calore di combustione della reazione è negativo (essendo la reazione di combustione una reazione esotermica); considerando come sistema chiuso la stessa reazione di combustione del metano, il calore di reazione è pari a -891 kJ/mol.

Dalla combustione di un normal metro cubo di metano (1 Nm3 è pari a 44,61 moli) si ottengono circa 39,79 MJ (9503,86 kcal).

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

Commercializzazione[modifica | modifica sorgente]

Il metano è inodore, incolore e insapore, quindi per essere distribuito nelle reti domestiche deve essere "odorizzato" mediante un processo di lambimento di un liquido dal caratteristico "odore di gas" - spesso si tratta del tetraidrotiofene. Questo procedimento si rende indispensabile in modo da rendere avvertibile la presenza di gas nell'ambiente e diminuirne la pericolosità.

Immagini 3D della molecola[modifica | modifica sorgente]

Anaglifo
Anaglifo del metano. Per una corretta visualizzazione, indossare gli occhialini con lenti blu e rosse.
Modello 3D Cross-Eyed
Modello 3D Cross-Eyed del metano. Per una corretta visualizzazione, indossare gli occhiali adatti.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ a b c d e "Atkins S.H. - Edizione 8"
  2. ^ scheda del metano su IFA-GESTIS
  3. ^ Fonte: Angera.biz
  4. ^ Fonte: Focus
  5. ^ Global Warming Potentials
  6. ^ (EN) methanetomarkets.org
  7. ^ WMO Greenhouse Gas Bulletin. No 1: 14 March 2006
  8. ^ NOAA/ESRL Global Monitoring Division - THE NOAA ANNUAL GREENHOUSE GAS INDEX (AGGI)
  9. ^ S.A. Stern, The Lunar atmosphere: History, status, current problems, and context in Rev. Geophys., vol. 37, nº 4, 1999, pp. 453–491, Bibcode:1999RvGeo..37..453S, DOI:10.1029/1999RG900005.
  10. ^ Mars Vents Methane in What Could Be Sign of Life, Washington Post, January 16, 2009
  11. ^ HB H. B. Niemann, et al., SK Atreya, SJ Bauer, GR Carignan, JE Demick, RL Frost, D Gautier, JA Haberman e DN Harpold, The abundances of constituents of Titan’s atmosphere from the GCMS instrument on the Huygens probe in Nature, vol. 438, nº 7069, 2005, pp. 779–784, Bibcode:2005Natur.438..779N, DOI:10.1038/nature04122, PMID 16319830.
  12. ^ Chris Mckay, Have We Discovered Evidence For Life On Titan, SpaceDaily, 2010. URL consultato il 10 giugno 2010. Space.com. March 23, 2010.
  13. ^ Waite, J. H.; et al.; (2006); Cassini Ion and Neutral Mass Spectrometer: Enceladus Plume Composition and Structure, Science, Vol. 311, No. 5766, pp. 1419–1422
  14. ^ DF A L Broadfoot, S K Bertaux, J E Dessler et al., RV Yelle, Linick e Lunine, Ultraviolet Spectrometer Observations of Neptune and Triton in Science, vol. 246, nº 4936, 15 dicembre 1989, pp. 1459–1466, Bibcode:1989Sci...246.1459B, DOI:10.1126/science.246.4936.1459, PMID 17756000.
  15. ^ Ron Miller, William K. Hartmann, The Grand Tour: A Traveler's Guide to the Solar System, 3rd, Thailand, Workman Publishing, 2005, pp. 172–73, ISBN 0-7611-3547-2.
  16. ^ Tobias C. Owen, Ted L. Roush et al., Surface Ices and the Atmospheric Composition of Pluto in Science, vol. 261, nº 5122, 6 agosto 1993, pp. 745–748, Bibcode:1993Sci...261..745O, DOI:10.1126/science.261.5122.745, PMID 17757212. URL consultato il 29 marzo 2007.
  17. ^ Pluto in SolStation, 2006. URL consultato il 28 marzo 2007.
  18. ^ B B. Sicardy et al., A Bellucci, E Gendron, F Lacombe, S Lacour, J Lecacheux, E Lellouch, S Renner e S Pau, Charon’s size and an upper limit on its atmosphere from a stellar occultation in Nature, vol. 439, nº 7072, 2006, pp. 52–4, Bibcode:2006Natur.439...52S, DOI:10.1038/nature04351, PMID 16397493.
  19. ^ Mumma, M.J., Disanti, M.A., dello Russo, N., Fomenkova, M., Magee-Sauer, K., Kaminski, C.D., and D.X. Xie, Detection of Abundant Ethane and Methane, Along with Carbon Monoxide and Water, in Comet C/1996 B2 Hyakutake: Evidence for Interstellar Origin in Science, vol. 272, nº 5266, 1996, pp. 1310–4, Bibcode:1996Sci...272.1310M, DOI:10.1126/science.272.5266.1310, PMID 8650540.
  20. ^ Stephen Battersby, Organic molecules found on alien world for first time, 11 febbraio 2008. URL consultato il 12 febbraio 2008.
  21. ^ J. H. Lacy, J. S. Carr, N. J. Evans, II, F. Baas, J. M. Achtermann, J. F. Arens, Discovery of interstellar methane — Observations of gaseous and solid CH4 absorption toward young stars in molecular clouds in Astrophysical Journal, vol. 376, 1991, pp. 556–560, Bibcode:1991ApJ...376..556L, DOI:10.1086/170304.
  22. ^ Science, 280, 24 aprile 1998, 525

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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