Ciertos compuestos orgánicos sólo contienen dos elementos,
hidrogeno y carbono, por lo que se conocen como hidrocarburos. Partiendo de su
estructura, se dividen en dos clases principales: alifáticos y aromáticos.
Los
primeros se subdividen en familias: alcanos, alquenos, alquinos y sus análogos
cíclicos (ciclo alcanos, etc.)La fuente natural de hidrocarburos es el petróleo
que es un líquido oleosobituminoso de origen natural compuesto por diferentes
sustancias orgánicas. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie
terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria
química.
El petróleo y sus derivados se emplean para fabricar medicinas,
fertilizantes, productos alimenticios, objetos de plástico, materiales de
construcción, pinturas o textiles y para generar electricidad.
Los alcanos tienen la fórmula general, n=1, 2, 3,…La
principal características de los alcanos es que sólo presentan enlace
covalentes sencillos. Los alcanos se conocen como hidrocarburos saturados
porque tienen el máximo número de átomos de hidrogeno que puede unirse con la
cantidad de átomos de carbonos presentes; se nombran con la terminación -ano.
El alcano más sencillo es el metano.
Metano (CH4), tiene un átomo de carbono, cuyas 4 valencias se
saturan con 4 átomos de hidrogeno
Propiedades físicas:
Las moléculas de metano, en sí, son no polares, ya que las
polaridades de los enlaces carbono-hidrogeno individuales se anulan.
La atracción entre moléculas es limitada a las fuerzas de
Van-der Waals, en consecuencia el metano es un gas a temperaturas ordinarias.
El punto de fusión del metano es de -183°C y su punto de fusión de -161,5°C. El
metano es incoloro y, en estado sólido, menos denso que el agua (densidad
relativa 0,4); es apenas soluble en agua, pero muy soluble en líquidos
orgánicos, como la gasolina, éter y alcohol.
Propiedades químicas
Son bastantes inertes debido a la elevada estabilidad de los
enlaces C-C y C-H y a su baja polaridad. No se ven afectados por ácidos o bases
fuertes ni por oxidantes como el permanganato. Sin embargo la combustión es muy
exotérmica aunque tiene una elevada energía de activación. Las reacciones más
características de los alcanos son las de sustitución.
Combustión del metano:
La llama del metano es de color azul, debido a que la
combustión con exceso de oxigeno es en general completa. El metano se oxida a
CO2 y H2O pero si la combustión es incompleta se forma CO, H2O y un residuo
carbonoso, llamado negro de humo.CH4 + 2O 2 CO2 + 2 H2O + calor (213 Kcal/mol)
El metano (del griego methy vino, y el sufijo -ano) es el
hidrocarburo alcano más sencillo, cuya fórmula química es CH4.
Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido al carbono por
medio de un enlace covalente. Es una sustancia no polar que se presenta en
forma de gas a temperaturas y presiones ordinarias. Es incoloro, inodoro e
insoluble en agua.
En la naturaleza se produce como producto final de la
putrefacción anaeróbica de las plantas. Este proceso natural se puede
aprovechar para producir biogás. Muchos microorganismos anaeróbicos lo generan
utilizando el CO2 como aceptor final de electrones.
Constituye
hasta el 97% del gas natural. En las minas de carbón se le llama grisú y es muy
peligroso ya que es fácilmente inflamable y explosivo. No obstante en las
últimas décadas ha cobrado importancia la explotación comercial del gas metano
de carbón, como fuente de energía.
El metano es un gas de efecto invernadero relativamente
potente que contribuye al calentamiento global del planetaTierra ya que tiene
un potencial de calentamiento global de 23.3 Esto significa que en una media de
tiempo de 100 años cada kg de CH4 calienta la Tierra 23 veces más que la misma
masa de CO2, sin embargo hay aproximadamente 220 veces más dióxido de carbono
en la atmósfera de la Tierra que metano por lo que el metano contribuye de
manera menos importante al efecto invernadero.
Propiedades
El metano es el componente mayoritario del gas natural,
aproximadamente un 97% en volumen a temperatura ambiente y presión estándar,
por lo que se deduce que en condiciones estándar de 0 °C y una atmósfera de
presión tiene un comportamiento de gas ideal y el volumen se determina en
función del componente mayoritario de la mezcla, lo que quiere decir que en un
recipiente de un metro cúbico al 100% de mezcla habrá 0.97 metros cúbicos de
gas natural; el metano es un gas incoloro e inodoro. Como medida de seguridad
se añade un odorífero, habitualmente metanotiol oetanotiol. El metano tiene un
punto de ebullición de -161,5 °C a una atmósfera y un punto de fusión de -183
°C. Como el gas es sólo inflamable en un estrecho intervalo de concentración en
el aire (5-15%). El metano líquido no es combustible.
Riesgos potenciales sobre la salud
El metano no es tóxico. Su principal peligro para la salud
son las quemaduras que puede provocar si entra en ignición. Es altamente
inflamable y puede formar mezclas explosivas con el aire. El metano reacciona
violentamente con oxidantes, halógenos y algunos compuestos halogenados. El
metano también es asfixiante y puede desplazar al oxígeno en un espacio
cerrado. La asfixia puede sobrevenir si la concentración de oxígeno se reduce
por debajo del 19,5% por desplazamiento. Las concentraciones a las cuales se
forman las barreras explosivas o inflamables son mucho más pequeñas que las
concentraciones en las que el riesgo de asfixia es significativo. Si hay
estructuras construidas sobre o cerca de vertederos, el metano desprendido
puede penetrar en el interior de los edificios y exponer a los ocupantes a
niveles significativos de metano. Algunos edificios tienen sistemas por debajo
de sus cimientos para capturar este gas y expulsarlo del edificio. Un ejemplo
de este tipo de sistema se encuentra en el edificio Dakin, enBrisbane,
California.
Reacciones
Las principales reacciones del metano son: combustión,
reformación con vapor (steam reforming) para dar gas de síntesis (syngas), y
halogenación. En general, las reacciones del metano son difíciles de controlar.
Por ejemplo, la oxidación parcial para llegar a metanol es difícil de
conseguir; la reacción normalmente prosigue hasta dar dióxido de carbono y
agua.
- Combustión
En la combustión del metano hay involucrados una serie de
pasos:
Se cree que el metano reacciona en primer lugar con el
oxígeno para formar formaldehído (HCHO o H2CO). Acto seguido el formaldehído se
descompone en el radical formil, que a continuación da dióxido de carbono e
hidrógeno. Este proceso es conocido en su conjunto como pirólisis oxidativa.
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Siguiendo la pirolisis oxidativa, el H2 se oxida formando
H2O, desprendiendo calor. Este proceso es muy rápido, siendo su duración
habitual inferior a un milisegundo.
2H2+ O2→ 2H2O
Finalmente el CO se oxida, formando CO2 y liberando más
calor. Este proceso generalmente es más lento que el resto de pasos, y requiere
unos cuantos milisegundos para producirse.
- Reformación
El enlace covalente carbono-hidrógeno se encuentra entre los
más fuertes de todos los hidrocarburos, y por tanto su uso como materia prima
es limitado. A pesar de la alta energía de activación necesaria para romper el
enlace CH, el metano es todavía el principal material de partida para fabricar
hidrógeno mediante reformación con vapor. La búsqueda de catalizadores que
puedan facilitar la activación del enlace CH en el metano y otros alcanos
ligeros es un área de investigación de gran importancia industrial.
- Halogenación
El metano reacciona con los halógenos bajo las condiciones
adecuadas. La reacción tiene lugar de la siguiente manera.
CH4+ X2|→ CH3X + HX
En donde X es un halógeno: flúor (F), Cloro (Cl), Bromo (Br)
y a veces Yodo (I). El mecanismo de esta reacción es el de halogenación por
radicales libres.
Usos
- Combustible
El metano es importante para la generación eléctrica ya que
se emplea como combustible en las turbinas de gas o en generadores de vapor.
Si bien su calor de combustión, de unos 802 kJ/mol, es el
menor de todos los hidrocarburos, si se divide por su masa molecular (16 g/mol)
se encuentra que el metano, el más simple de los hidrocarburos , produce más
cantidad de calor por unidad de masa que otros hidrocarburos más complejos. En
muchas ciudades, el metano se transporta en tuberías hasta las casas para ser
empleado como combustible para la calefacción y para cocinar. En este contexto
se le llama gas natural. En Colombia así como en otros países emergentes, el
gas natural es empleado como combustible alterno por algunos vehículos de
transporte.
En el siguiente diagrama se muestra el proceso de
aprovechamiento del gas metano.
Fuentes
Los
orígenes principales de metano son:
• Descomposición de los residuos
orgánicos por bacterias.
• Fuentes naturales (pantanos): 23%.
• Extracción de combustibles fósiles:
20% (el metano tradicionalmente se quemaba y emitía directamente. Hoy día se
intenta almacenar en lo posible para reaprovecharlo formando el llamado gas
natural).
• Los procesos en la digestión y
defecación de animales. 17%. (Especialmente del ganado).
• Las bacterias en plantaciones de
arroz: 12%.
• Digestión anaeróbica de la biomasa.
• Materia viva vegetal: (Se ha
descubierto que plantas y árboles emiten grandes cantidades de gas metano).
La
concentración de este gas en la atmósfera se ha incrementado de 0,8 a 1,7 ppm,
pero se teme que lo haga mucho más a medida que se libere, al aumentar la
temperatura de los océanos, el que se encuentra almacenado en el fondo del
Ártico.
- Fuentes naturales
El
60% de las emisiones en todo el mundo es de origen antropogénico. Proceden
principalmente de actividades agrícolas y otras actividades humanas.
La
mayor fuente de metano es su extracción de los depósitos geológicos conocidos
como campos de gas natural. Se encuentra asociado a otros hidrocarburos
combustibles y a veces acompañado por helio y nitrógeno. El gas, especialmente
el situado en formaciones poco profundas (baja presión), se forma por la
descomposición anaeróbica de materia orgánica y el resto se cree que proviene
de la lenta desgasificación de los materiales primordiales situados en las
partes más profundas del planeta, tal como lo demuestra la presencia de hasta
un 7% helio en ciertos yacimientos de gas natural.
En términos generales, los
depósitos de gas se generan en sedimentos enterrados a mayor profundidad y más
altas temperaturas que los que dan lugar al petróleo.
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