Metano

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Metano
General

Nombre sistemático		 metano
nombres tradicionales metano, grisú
química fórmula Canal 4
Rata. fórmula Canal 4
Propiedades físicas
Masa molar 16,04 g/ mol
Densidad

gas (0 °C) 0,714 (condiciones normales) kg/m³ [1]

(25 °C) 0,7168 kg/m³; 0,6682 kg/m³ en condiciones estándar según GOST 2939-63;
líquido (−164,6 °C) 415 kg/m³ [2]
Propiedades termales
La temperatura
 •  fusión -182,49°C
 •  hirviendo -161.58°C
 • descomposición por encima de +1000°C
 •  parpadea 85,1 K, -188 °C
 •  encendido espontáneo +537.8°C
Límites explosivos 4.4-17.0%
Punto crítico  
 • la temperatura 190,56 K, -82,6 °C
entalpía
 •  educación −74 520 J/mol [3]
 •  combustión

35,9 MJ/m³

50,2 MJ/kg [1]

803,2 kJ/mol
Calor específico de vaporización 460,6 J/mol (a 760 mm Hg) [4]
Propiedades químicas
Solubilidad
 • en agua 0,02 g/kg [5]
Clasificación
registro número CAS 74-82-8
PubChem 297
registro Número EINECS 200-812-7
SONRISAS   C
InChI   InChI=1S/CH4/h1H4VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N
RTECS PA1490000
CHEBI 16183
un numero 1971
ChemSpider 291
La seguridad
Concentración límite 7000mg/m³
LD 50 13450-36780 mg/kg
Toxicidad Clase de peligro según GOST 12.1.007: 4.º
Iconos del BCE
NFPA 704 Diamante de cuatro colores NFPA 704 cuatro 0 0
Los datos se basan en condiciones estándar (25 °C, 100 kPa) a menos que se indique lo contrario.
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Metano ( lat.  metano ; gas de pantano ), CH 4 - el hidrocarburo saturado  más simple en composición , en condiciones normales, un gas incoloro , inodoro e insípido.

Ligeramente soluble en agua, casi el doble de ligero que el aire.

El metano no es tóxico , pero en una alta concentración en el aire tiene un débil efecto narcótico (MPC 7000 mg/m 3 ) [6] . Hay pruebas de que la exposición crónica a bajas concentraciones de metano en el aire afecta negativamente al sistema nervioso central [7] . El efecto narcótico del metano CH 4 se debilita por su baja solubilidad en agua y sangre y por su inercia química . Clase de toxicidad - cuarto [8] .

Cuando se usan en la vida cotidiana, los odorantes (generalmente tioles ) generalmente se agregan al metano (gas natural), sustancias volátiles con un "olor a gas" específico para que una persona note una fuga de gas de emergencia por el olor a tiempo. En la producción industrial, las fugas se reparan mediante sensores y, en muchos casos, el metano para laboratorios y producción industrial se suministra sin la adición de odorantes.

Acumulándose en interiores en una mezcla con aire, el metano se vuelve explosivo en su concentración de 4,4% a 17% [9] . La concentración más explosiva en una mezcla con aire es del 9,5% en volumen. En las minas de carbón , se libera de las vetas de carbón, lo que a veces provoca explosiones, cuyas consecuencias pueden ser catastróficas.

El metano es el tercer gas de efecto invernadero más importante en la atmósfera terrestre (después del vapor de agua y el dióxido de carbono , su contribución al efecto invernadero se estima en un 4-9%) [10] [11] .

Historia

En noviembre de 1776, el físico italiano Alessandro Volta descubrió metano en los pantanos del lago Maggiore , en la frontera entre Italia y Suiza. Se inspiró para estudiar el gas de los pantanos en el artículo de Benjamin Franklin sobre el "aire combustible". Volta recolectó el gas emitido desde el fondo del pantano y aisló metano puro en 1778. También demostró la ignición del gas a partir de una chispa eléctrica.

Sir Humphry Davy en 1813 estudió el grisú y demostró que es una mezcla de metano con pequeñas cantidades de nitrógeno N 2 y dióxido de carbono CO 2  , es decir, que es cualitativamente idéntico en composición al gas de pantano.

El nombre moderno "metano" en 1866 fue dado al gas por el químico alemán August Wilhelm von Hoffmann [12] [13] , se deriva de la palabra " metanol ".

Estar en la naturaleza

El componente principal del gas natural ( 77-99 %), los gases de petróleo asociados (31-90 %), los gases de mina y de pantano (de ahí los otros nombres para el metano: pantano o grisú). En condiciones anaeróbicas (en pantanos, suelos encharcados, intestinos de rumiantes ) , se forma biogénicamente como resultado de la actividad vital de ciertos microorganismos.

Grandes reservas de metano se concentran en hidratos de metano en el fondo de los mares y en la zona de permafrost [10] [11] .

También se ha encontrado metano en otros planetas, incluido Marte , con implicaciones para la investigación en astrobiología [14] . Según datos modernos, el metano está presente en concentraciones significativas en las atmósferas de los planetas gigantes del sistema solar [15] .

Presumiblemente, en la superficie de Titán a bajas temperaturas (−180 ° C) hay lagos y ríos enteros de una mezcla líquida de metano-etano [16] . La proporción de hielo de metano también es grande en la superficie de Sedna. .

En la industria

Se forma durante la coquización del carbón , hidrogenación del carbón, hidrogenólisis de hidrocarburos en reacciones de reformado catalítico.

Clasificación por origen

Conseguir

Es posible obtener metano debido a la reacción de Sabatier , debido a la interacción del dióxido de carbono y el hidrógeno en presencia de un catalizador a temperatura y presión elevadas:

∆H = −165,0 kJ/mol

Preparado en el laboratorio calentando cal sodada (una mezcla de hidróxidos de sodio e hidróxido de calcio ) o hidróxido de sodio anhidro con ácido acético glacial :

.

La ausencia de agua es importante para esta reacción, por lo que se utiliza hidróxido de sodio ya que es menos higroscópico .

Es posible obtener metano fusionando acetato de sodio con hidróxido de sodio [17] :

.

También para la producción de metano en laboratorio, se utiliza la hidrólisis del carburo de aluminio :

,

o algunos compuestos organometálicos (como el bromuro de metilmagnesio ).

La producción biológica de metano es posible, ver biogás .

Propiedades físicas

A temperatura ambiente y presión estándar, el metano es un gas incoloro e inodoro [18] . El olor familiar del gas natural doméstico se logra agregando específicamente una mezcla odorante que contiene terc-butiltiol al gas como medida de seguridad para detectar fugas de metano de emergencia por el olor.

El metano tiene un punto de ebullición de -164 °C a una presión de una atmósfera [19] .

Se enciende fácilmente a concentraciones de volumen en el aire de 4,4 a 17% vol. % a presión estándar. Límites de explosión (ignición) en mezclas de metano con oxígeno a presión atmosférica de 4,5 a 61 vol. %

El metano sólido a presiones muy altas existe en varias modificaciones. Se conocen nueve modificaciones de este tipo [20] .

Propiedades químicas

El metano es el primer miembro de la serie homóloga de hidrocarburos saturados (alcanos), los más resistentes al ataque químico. Al igual que otros alcanos, participa en reacciones de sustitución por radicales  : halogenación , sulfocloración , sulfoxidación, nitración y otras, pero es menos reactivo que otros alcanos.

Para el metano, la reacción con el vapor de agua es específica - la reacción de reformado con vapor, para el cual el níquel se usa como catalizador en la industria , depositado sobre óxido de aluminio (Ni / Al 2 O 3 ) a 800-900 ° C o sin el uso de un catalizador a 1400-1600 °C. El gas de síntesis resultante se puede utilizar para la posterior síntesis de metanol , hidrocarburos , ácido acético , acetaldehído y otros productos, esta es la principal forma económica de producir hidrógeno:

.

Arde en el aire con una llama azulada, mientras se libera una energía de unos 33.066 MJ por 1 m³ de metano tomado en condiciones normales . La reacción de combustión del metano en oxígeno o aire:

+ 891 kJ.

¿Entra en reacciones de sustitución con halógenos , que proceden según el mecanismo de radicales libres ( reacción de metalepsia )? por ejemplo, reacciones de cloración secuenciales a tetracloruro de carbono :

, , , .

Por encima de 1400 °C, se descompone según la reacción:

.

Se oxida a ácido fórmico a 150-200 °C y una presión de 30-90 atm. por mecanismo de cadena radical :

.

Conexiones de inclusión

El metano forma compuestos de inclusión  - hidratos de gas , ampliamente distribuidos en la naturaleza.

Aplicaciones del metano

El metano se usa como combustible para estufas , calentadores de agua , automóviles [21] [22] , turbinas, etc. El carbón activado se puede usar para almacenar metano .

Como componente principal del gas natural, el metano se utiliza para generar electricidad al quemarlo en turbinas de gas o generadores de vapor. En comparación con otros combustibles de hidrocarburos, el metano produce menos dióxido de carbono por unidad de calor liberado. El calor de combustión del metano es de unos 891 kJ/mol, inferior al de cualquier otro hidrocarburo. Sin embargo, produce más calor por unidad de masa (55,7 kJ/g) que cualquier otra sustancia orgánica debido a su contenido de hidrógeno relativamente alto, que aporta alrededor del 55 % del hidrógeno al poder calorífico [23] , pero tiene solo el 25 % del peso molecular . de metano

En muchas ciudades, el metano se suministra a los hogares para calefacción y cocina. Sin embargo, suele denominarse gas natural , cuyo contenido energético es de 39 mJ/m 3 . El gas natural licuado (GNL) es predominantemente metano (CH 4 ) que se licua para facilitar su almacenamiento y/o transporte.

El metano líquido, combinado con oxígeno líquido, se considera un combustible prometedor para cohetes [24] [25] y se utiliza en motores como RD-0162 , BE-4 [26] y Raptor . El metano tiene ventajas sobre el queroseno en que:

Esto reduce la dificultad de reutilizar misiles [26] [29] .

El metano se utiliza como materia prima en la síntesis orgánica , incluida la producción de metanol .

Acción fisiológica

El metano es el gas fisiológicamente más inocuo de la serie homóloga de hidrocarburos parafínicos . El metano no tiene un efecto fisiológico y no es tóxico (debido a la baja solubilidad del metano en agua y plasma sanguíneo y la inercia química inherente a las parafinas). Una persona puede morir en el aire con una alta concentración de metano solo por falta de oxígeno en el aire. Así, cuando el contenido de metano en el aire es del 25-30%, aparecen los primeros signos de asfixia (aumento del ritmo cardíaco, aumento del volumen respiratorio, alteración de la coordinación de los movimientos musculares finos, etc.). Las concentraciones más altas de metano en el aire causan falta de oxígeno en los humanos (dolor de cabeza, dificultad para respirar), síntomas característicos del mal de altura .

Dado que el metano es más liviano que el aire, no se acumula en estructuras subterráneas ventiladas. Por lo tanto, los casos de muerte de personas por asfixia al inhalar una mezcla de metano con aire son muy raros.

Primeros auxilios en caso de asfixia grave: retirada de la víctima de la atmósfera nociva. En ausencia de respiración, inmediatamente (antes de que llegue el médico) respiración artificial de boca a boca. En ausencia de pulso, un masaje cardíaco indirecto.

Acción crónica del metano

En personas que trabajan en minas o en industrias donde el metano y otros hidrocarburos gaseosos de parafina están presentes en el aire en pequeñas cantidades, se describen cambios notables en el sistema nervioso autónomo ( reflejo oculocárdico positivo , prueba de atropina pronunciada , hipotensión ) debido a narcóticos muy débiles. acción de estas sustancias, similar al efecto narcótico del éter dietílico .

El MPC de metano en el aire del área de trabajo es de 7000 mg/m³ [6] .

Rol biológico

Se ha demostrado que el metano endógeno es capaz de ser producido no solo por la microflora intestinal metanogénica, sino también por las células eucariotas , y que su producción aumenta significativamente cuando la hipoxia celular se provoca experimentalmente , por ejemplo, cuando las mitocondrias se alteran al envenenar el cuerpo de un animal de experimentación con azida de sodio , un conocido veneno mitocondrial. Se ha sugerido que la formación de metano por parte de las células eucariotas, en particular de los animales, puede ser una señal intracelular o intercelular de la hipoxia experimentada por las células [30] .

También se ha demostrado un aumento en la producción de metano por parte de las células animales y vegetales bajo la influencia de diversos factores de estrés, por ejemplo, la endotoxemia bacteriana o su imitación por la introducción de lipopolisacáridos bacterianos , aunque este efecto puede no observarse en todos los animales. especies (en el experimento, los investigadores lo obtuvieron en ratones, pero no lo recibieron en ratas) [31] . Es posible que la formación de metano por parte de las células animales en condiciones tan estresantes desempeñe el papel de una de las señales de estrés.

También se supone que el metano, secretado por la microflora intestinal humana y no absorbido por el cuerpo humano (no se metaboliza y se elimina parcialmente junto con los gases intestinales, se absorbe parcialmente y se elimina al respirar por los pulmones ), no es un "neutro". subproducto del metabolismo bacteriano, pero participa en la regulación de la motilidad intestinal , y su exceso puede causar no solo hinchazón, eructos , aumento de la formación de gases y dolor abdominal , sino también estreñimiento funcional [32] .

Metano y ecología

Es un gas de efecto invernadero , más fuerte a este respecto que el dióxido de carbono , debido a la presencia de profundas bandas de absorción vibracional-rotacional de sus moléculas en el espectro infrarrojo . Si el grado de impacto del dióxido de carbono en el clima se toma condicionalmente como uno, entonces la actividad de efecto invernadero del mismo volumen molar de metano será de 21 a 25 unidades [34] [35] . Sin embargo, el tiempo de vida del metano en la atmósfera es corto (de varios meses a varios años), ya que es oxidado por el oxígeno a dióxido de carbono en la troposfera bajo la acción de las descargas de rayos y en la estratosfera bajo la influencia de la radiación UV-C. del sol

Desde 1750, la concentración de metano en la atmósfera terrestre ha aumentado en aproximadamente un 150 % y representa el 20 % del forzamiento radiativo total de todos los gases de efecto invernadero mezclados globalmente y de larga duración [36] .

Notas

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  3. ↑ Smith J. M., HC Van Ness, MM Abbott Introducción a la termodinámica de ingeniería química  // J. Chem. Educ. - Sociedad Química Estadounidense , 1950. - vol. 27, edición. 10. - Pág. 789. - ISSN 0021-9584 ; 1938-1328 - doi:10.1021/ED027P584.3
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  6. ↑ 1 2 Normas higiénicas GN 2.2.5.1313-03 "Concentraciones máximas permisibles (MPC) de sustancias nocivas en el aire del área de trabajo"
  7. ↑ Kutsenko S. A.  Fundamentos de toxicología / S. A. Kutsenko. - San Petersburgo: Folio, 2004.
  8. ↑ Medición cromatográfica de gases de concentraciones másicas de hidrocarburos: metano, etano, etileno, propano, propileno, n-butano, alfa-butileno, isopentano en el aire del área de trabajo. Instrucciones metódicas. MUK 4.1.1306-03 (Aprobado por el Médico Jefe de Sanidad Pública de la Federación Rusa el 30 de marzo de 2003)  (enlace inaccesible)
  9. ↑ GOST R 52136-2003 . Consultado el 8 de febrero de 2012. Archivado desde el original el 18 de mayo de 2015.
  10. ↑ 1 2 Natalya Rzhevskaya Warmth of permafrost Copia de archivo fechada el 1 de febrero de 2017 en Wayback Machine // En el mundo de la ciencia . - 2016. - Nº 12. - S. 67-73.
  11. ↑ 1 2 Leonid Yurganov. Metano sobre el Ártico  // Ciencia y vida . - 2017. - Nº 11 . - S. 24 .
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Literatura

Enlaces

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