Metà

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Metà
Methane Methane Methane
General
Nom sistemàtic Metà
Altres noms Gas dels pantans
Fórmula molecular CH4
Nomenclatura SMILES C
Massa molar 16,0425 g/mol
Aspecte gas incolor
Nombre CAS [74-82-8]
Propietats
Densitat i fase 0,717 kg/m3, gas 
Solubilitat en aigua 3,5 mg/100 ml (17 °C)
Punt de fusió −182,5 °C (90,6 K, -296,5 °F)
Punt d'ebullició −161,6 °C (111,55 K, -258,88 °F)
Punt triple 90,7 K, 0,117 bar
Punt crític 190,5 K (−82,6 °C)
at 4,6 MPa (45 atm)
Estructura
Geometria
de coordinació
tetraèdric
Grup de simetria Td
Moment dipolar Cero
Perills
Classificació UE Extremadament inflamable (F+)
NFPA 704
NFPA 704.svg
4
1
 
 
Frases R R12
Frases S S2 S9 S16 S33
Punt d'inflamabilitat −188 °C
Temp. autoignició 537 °C
Temperatura màxima
de combustió
2148 °C
Límit d'explosió 5–15%
Compostos relacionats
Alcans relacionats Età
Propà
Compostos relacionats Metanol
Clorometà
Àcid fòrmic
Formaldehid
Hibrids relacionats Silà

El metà és l'hidrocarbur alcà més senzill possible. La seva fórmula química és:

CH4

o també:

    H
    |
H - C - H
    |
    H

Cadascun dels àtoms d'hidrogen s'uneix al carboni per mitjà d'un enllaç covalent. És una substància no polar que es presenta en forma de gas a temperatures i pressions ordinàries. És incolor i no gaire soluble en aigua en la seva fase líquida.

A la natura es produeix com a producte final de la descomposició anaeròbica de la matèria orgànica. Molts microorganismes anaeròbics el generen utilitzant el CO2 com a acceptor final d'electrons.

Constitueix fins al 97% del gas natural. A les mines de carbó se l'anomena grisú i és molt perillós, ja que és fàcilment inflamable i explosiu.

El metà és un gas hivernacle relativament potent que contribueix a l'escalfament global del planeta Terra, ja que té un potencial d'escalfament global potencial de 23.[1] Això significa que en una mitjana de temps de 100 anys cada kg de CH4 escalfa la Terra 23 vegades més que la mateixa massa de CO2, tanmateix hi ha aproximadament 220 vegades més diòxid de carboni a l'atmosfera de la Terra que metà per la qual cosa el metà contribueix de manera menys important a l'efecte hivernacle.

Propietats[modifica | modifica el codi]

El metà és el component majoritari del gas natural, aproximadament un 97% en volum a temperatura ambient i pressió estàndard, el metà és un gas incolor i inodor. Com a mesura de seguretat s'hi afegeix un odorant, habitualment metanotiol o etanotiol. el metà té un punt d'ebullició de -161,5°C a una atmosfera i un punt de fusió de -183°C. Com a gas és només inflamable en un estret interval de concentracions a l'aire (5-15%). El metà líquid no és combustible.

Riscos potencials sobre la salut[modifica | modifica el codi]

El metà no és tòxic. El seu principal perill per a la salut són les cremades que pot provocar si entra en ignició. És altament inflamable i pot formar barreges explosives amb l'aire. El metà reacciona violentament amb oxidants, halògens i alguns compostos halogenats. El metà és també un asfixiant i pot desplaçar l'oxigen en un espai tancat. L'asfixia pot sobrevindré si la concentració d'oxigen es reduïda per sota el 19,5 % per desplaçament. Les concentracions a les quals es formen les barreges explosives o inflamables són molt més petites que les concentracions a les quals el risc d'asfíxia és significatiu. Si hi ha estructures construïdes al damunt o a prop d'abocadors, el meta després pot penetrar a l'interior dels edificis i exposar els ocupants a nivells significatius de metà. Alguns edificis tenen sistemes per sota els seus fonaments per capturar aquest gas i expulsar-lo de l'edifici. Un exemple d'aquest tipus de sistema es troba en l'edifici Dakin, Brisbane, Califòrnia.

Reaccions[modifica | modifica el codi]

Les principals reaccions del metà són: combustió, reformació amb vapor (steam reforming) per donar gas de síntesi (syngas), i halogenació. En general, les reaccions del metà són dificultoses de controlar. Per exemple, l'oxidació parcials fins a metanol es difícil d'aconseguir; la reacció normalment segueix fins a donar diòxid de carboni i aigua.

Combustió[modifica | modifica el codi]

En la combustió del metà hi ha involucrats una sèrie de passos: Es creu que el metà reacciona en primer lloc amb l'oxigen per formar formaldehid (HCHO or H2CO). Tot seguit el formaldehid es descompon en el radical formil, el qual a continuació dóna monòxid de carboni i hidrogen. Aquest procés és conegut en el seu conjunt com piròlisi oxidativa.

CH4 + O2 → CO + H2 + H2O

Seguint la pirolisis oxidativa, l'H2 s'oxida formant H2O, reomplint les espècies actives i desprenent calor. Aquest procés és molt ràpid, sent la seva durada habitual inferior a un milisegon.

2H2 + O2 →2H2O

Finalment el CO s'oxida, formant CO2 i alliberant més calor. Aquest procés és generalment més lent que la resta de passos, i requereix uns quants milisegons per produir-se.

2CO + O2 →2CO2

Reformació[modifica | modifica el codi]

La força de l'enllaç covalent carboni-hidrogen es troba entre els més forts de tots els hidrocarburs, i per tant el seu ús com a matèria primera és limitat. Malgrat l'alta energia d'activació per trencar l'enllaç C-H, el metà es encara el principal material de partida per fabricar hidrogen mitjançant reformació amb vapor. La recerca de catalitzadors que puguin facilitar l'activació de l'enllaç C-H en el metà i altres alcans lleugers és una àrea d'investigació de gran importància industrial.

Halogenació[modifica | modifica el codi]

El metà reacciona amb els halogens sota condicions adequades. La reacció té lloc de la següent manera.

CH4 + X2 → CH3X + HX

A on X és un halogen: fluor(F), Clor (Cl), Brom (Br) i a vegades Iode (I). El mecanisme d'aquesta reacció és el d'halogenació per radicals lliures.

Usos[modifica | modifica el codi]

Combustible[modifica | modifica el codi]

Per a més informació de l'ús del metà com a combustible, consulteu: gas natural.

El metà és important per a la generació elèctrica, ja que s'empra com a combustible en les turbines de gas o en els generadors de vapor. Si bé el seu calor de combustió, d'uns 802 kJ/mol, és el més petit de tots els hidrocarburs, si es divideix per la seva massa molecular (16 g/mol) es troba que el metà, el més simple dels hidrocarburs, produeix més quantitat de calor per unitat de massa que altres hidrocarburs més complexos. En moltes ciutats, el metà es transporta en canonades fins a les cases per a ser emprat com a combustible per a la calefacció i per cuinar. En aquest context se l'anomena gas natural.

Usos industrials[modifica | modifica el codi]

El metà és emprat en processos químics industrials i pot ser transportat com a líquid refrigerat (gas natural liquat, or GNL ). Mentre que les fuites d'un contenidor refrigerat són inicialment més pesants que l'aire a causa de l'alta densitat del gas fred, a temperatura ambient el gas és més lleuger que l'aire. Els gasoductes transporten grans quantitats de gas natural, del qual el metà és el principal component. A la indústria química, el metà és la matèria primera elegida per a la producció d'hidrogen, metanol, àcid acètic i anhidre acètic. Quan s'empra per a produir qualsevol d'aquests productes químics, el metà es transforma primer en gas de síntesi, una barreja de monòxid de carboni i hidrogen, mitjançant reformació per vapor. En aquest procés, el metà i el vapor reaccionen amb l'ajuda d'un catalitzador de níquel a altes temperatures (700 -1100 °C)

CH4 + H2O → CO + 3H2

La proporció de monòxid de carboni enfront de l'hidrogen pot ser ajustada mitjançant la reacció de desplaçament de gas d'aigua al valor desitjat.

CO + H2O → CO2 + H2

Altres productes químics menys importants derivats del metà inclouen l'acetilè obtingut fent passar metà a través d'un arc elèctric, i els clorometans (clorometà, diclorometà, cloroform, y tetraclorur de carboni), produïts per mitjà de la recció del metà amb gas de clor. Tanmateix, l'ús d'aquests productes està disminuint, l'acetilè essent reemplaçat per substituts més econòmics i els clorometans degut a motius de salut i mediambientals.

Fonts[modifica | modifica el codi]

La major font de metà és la seva extracció dels dipòsits geològics coneguts com a camps de gas natural. Es troba associat a altres hidrocarburs combustibles i a vegades acompanyat per heli i nitrogen. El gas, especialment el situat en formacions poc profundes (baixa pressió), es forma per la putrefacció anaeròbica de la matèria orgànica i la resta es creu que prové de la lenta desgasificació del materials primordials situats a les parts més profundes del planeta. En termes generals, els dipòsits de gas es generen en sediments enterrats a major profunditat i més altes temperatures que els que donen lloc al petroli. També es pot extreure metà dels dipòsits de carbó (CMB són les seves sigles en anglès) mitjançant la perforació de pous en les capes de carbó, bombant a continuació l'aigua de la veta per produir una despressurització la qual cosa permet la desabsorció del metà i la seva pujada pel pou fins a la superfície. Amb aquesta tècnica es produeix el 7 % del gas natural dels Estats Units, si bé pot haver-hi problemes mediambientals degut a la baixada del nivell dels aqüífers i a la presència de contaminants en l'aigua extreta. Els hidrats de metà, o clatrats (combinacions de gel i metà en el fons marí) són una futura font potencial de metà, si bé fins ara no existeix cap explotació comercial de la mateixa.

A més dels camps de gas natural una forma alternativa per obtenir metà és mitjançant el biogàs generat per la fermentació de la matèria orgànica que es troba en els fems, en els llots de les aigües residuals, en la brossa domestica, o qualsevol altra matèria primera biodegradable, sota condicions anaeròbiques. El metà també es pot obtenir industrialment emprant com a matèries primeres l'hidrogen (el qual es pot obtenir mitjançant electròlisi) i el diòxid de carboni mitjançant el procés Sabatier.

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

Metà a l'atmosfera de la Terra[modifica | modifica el codi]

Gràfic concentració metà

El metà és un gas d'hivernacle molt important a l'atmosfera de la Terra amb un potencial d'escalfament de 23 sobre un període de 100 anys. Això implica que l'emissió d'una tona de meta tindrà 23 vegades l'impacte de l'emissió d'una tona de diòxid de carboni durant els següents cent anys. El metà té un gran efecte per un breu període (aproximadament 10 anys), mentre que el diòxid de carboni té un petit efecte per un període perllongat (sobre els 100 anys). Degut a aquesta diferència en l'efecte i el període, el potencial d'escalfament global del metà en un termini de 20 anys és de 63. La concentració de metà s'ha incrementat un 150 % des de 1750 i es responsable del 20 % del forçant radiatiu total de tots els gasos hivernacles de llarga vida i distribució global.[2] La concentració mitjana de metà en la superfície de la terra l'any 1998 era de 1.745 ppmm.[3] La seva concentració és més alta a l'hemisferi nord perquè la majoria de les fonts (naturals i antropogèniques) són més grans en aquell hemisferi. Les concentracions varien estacionalment amb un mínim a finals de l'estiu.

El metà es forma prop de la superfície, i és transportat a l'estratosfera per l'aire ascendent dels tròpics. L'augment incontrolat de metà a l'atmosfera de la Terra és controlat naturalment —encara que la influència humana pot interferir en aquesta regulació — per la reacció del metà amb el radical hidroxil, una molècula formada per la reacció de l'oxigen atòmic amb l'aigua.

Al principi de la història de la Terra — aproximadament fa 3.500 milions d'anys— hi havia 1.000 vegades més metà a l'atmosfera que en l'actualitat. El metà primordial va ésser alliberat per l'activitat volcànica. Va ser durant aquesta època quan va aparèixer la vida a la Terra. Entre les primeres formes de vida es trobaven bacteris metanògenes que mitjançant l'hidrogen i el diòxid de carboni generaven metà i aigua.

L'oxigen no va ser un component majoritari de l'atmosfera fins que els organismes fotosintètics aparegueren més tard en la història de la Terra. Sense oxigen el meta podia romandre a l'atmosfera més temps i a més altres concentracions que en les actuals condicions.


Emissions de metà[modifica | modifica el codi]

Houweling i cols. (1999) donen els següents valors per a les emissions de metà (Tg/a: teragrams per any):[3]

Concentracions mitjanes de metà globals (NOAA)
Origen Emissió CH4
Massa (Tg/a) Tipus (%/a) Total (%/a)
Emissions naturals
Aiguamolls (incl. arrossars) 225 83 37
Tèrmits 20 7 3
Oceà 15 6 3
Hidrats 10 4 2
Total Natural 270 100 45
Emissions antropogèniques
Energia 110 33 18
Abocadors 40 12 7
Ruminants (boví) 115 35 19
Tractament de deixalles 25 8 4
Crema de Biomassa 40 12 7
Total Antropogènic 330 100 55
Embornals
Sòls -30 -5 -5
OH Troposfèric -510 -88 -85
Pèrdua estratosfèrica -40 -7 -7
Embornal Total -580 -100 -97
Emissions + Embornals
Desequilibri (tendència) +20 ~2.78 Tg/ppmm +7.19 ppmm/a

Gairebé la meitat de l'emissió total és deguda a l'activitat humana.[2] Les plantes (p. ex. els boscs) han sigut recentment identificades com una important font de metà. Un article recent ha calculat unes emissions anuals de 62-236 milions de tones i que aquesta nova font pot tenir implicacions importants.[4][5] Tanmateix, els autors també senyalen que els seus descobriments són preliminars respecte a la importància exacta d'aquesta emissió de metà.[6] Les mesures a llarg termini del metà per la NOAA mostren que l'augment de metà a l'atmosfera ha disminuït de manera dràstica, després de gairebé triplicar-se des de l'època preindustrial.[7] Es creu que aquesta reducció es deu a la disminució de les emissions industrials i a la sequera en les zones d'aiguamolls.

Alliberament sobtat dels clatrats de metà[modifica | modifica el codi]

A altes pressions com les que es troben al fons de l'oceà, el metà forma un clatrat sòlid amb l'aigua, conegut com a hidrat de metà. La quantitat de metà que es troba atrapada amb aquesta forma en els sediments oceànics és desconeguda però possiblement sigui molt gran, de l'ordre del bilió de tones. La hipòtesi del "fusell de clatrats" és una teoria que suggereix que si l'escalfament global produeix un augment de la temperatura suficient d'aquests dipòsits, tot aquest metà es podria alliberar sobtadament a l'atmosfera. Com que el metà es vint-i-tres vegades més potent (per al mateix pes, en un període de 100 anys) que el diòxid de carboni com a gas hivernacle, s'amplificaria de manera immensa l'efecte hivernacle, escalfant la Terra fins a nivells imprecedents. Aquesta teoria serviria també per explicar la causa d'esdeveniments de ràpid escalfament global en el passat llunyà de la Terra, com el màxim tèrmic del Paleocè-Eocè de fa 55 milions d'anys.

Emissió de metà des de torberes[modifica | modifica el codi]

Encara que menys dramàtiques que les dels clatrats, però ja produint-se, és un augment en les emissions de metà per part de les torberes mentre el pergelisòl es fon. Encara que els registres del pergelisòl són limitats, en anys recents (1999 i 2001) s'han batut els rècords de desgel al pergelisòl a Alaska i Sibèria. Les mesures recents a Sibèria també mostren que el metà alliberat és cinc vegades més gran que les estimacions prèvies.[8]

Mecanismes d'eliminació[modifica | modifica el codi]

El principal mecanisme d'eliminació de metà de l'atmosfera és mitjançant la reacció amb el radical hidroxil, el qual es forma pel bombardeig dels raigs còsmics sobre les molècules de vapor d'aigua.

CH4 + ·OH → ·CH3 + H2O

Aquesta reacció a la troposfera dona al metà una vida de 9,6 anys. Dos embornals més són el sòl (160 anys de vida) i la pèrdua estratosfèrica per la reacció amb les espècies químiques ·OH, Cl i O(¹D) a l'estratosfera (120 anys vida), donant lloc a una vida neta de 8,4 anys.[3]

El metà a Mart[modifica | modifica el codi]

La presència demostrada de metà a Mart constitueix encara un misteri i és un possible signe de vida a Mart. La variació estacional d'aquest gas en l'atmosfera marciana suggereix que hi ha una font activa d'origen geològic o biològic.

Syrtis Major és una de les regions del planeta roig on s'origina el metà.

El metà a Mart es va descobrir l'any 2003 i apareix en l'atmosfera marciana en una proporció de 10 parts per 1000 milions dins una atmosfera que en un 95% és de diòxid de carboni.

La sonda europea Mars Express va confirmar la presència permanent de metà que donada la degradació fotoquímica que pateix només es pot explicar si hi ha una font renovable d'aquest gas.

L'origen del metà marcià pot ser geològic (volcànic, però tanmateix no hi ha evidències de volcans superficials) o biològic. En aquest segon cas haurien de ser microbis anaerobis que potser podrien viure sota la superfície en una possible aigua líquida.

Segons va publicar la revista Science el gener de 2009, s'han emprat detectors d'infrarojos des de telescopis terrestres i s'ha pogut observar l'evolució del metà al llarg de tres anys marcians (equivalents a 7 anys terrestres) i s'ha vist que el metà mostra variacions en el temps i acumulació en certes regions.

Concretament s'ha vist que la font principal contenia 19.000 tones amb una emissió per segon de 600 grams.

La vida mitjana del metà a Mart és molt curta, de quatre anys terrestres, i potser el degraden oxidants presents en la pols flotant.

Una hipòtesi apunta a la presència de microbis sota el gel marcià, on la radiació podria produir hidrogen a partir d'aigua líquida i el CO2 proporcionar el carboni per a fer el metà.

El proper rover marcià, MSL, estarà equipat amb sistemes per a mesurar metà i determinar quin isòtop de carboni conté. En cas de tractar-se de carboni-12, seria biològic.

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. IPCC Third Assessment Report
  2. 2,0 2,1 «Technical summary». Climate Change 2001. United Nations Environment Programme.
  3. 3,0 3,1 3,2 «Trace Gases: Current Observations, Trends, and Budgets». Climate Change 2001. United Nations Environment Programme.
  4. «Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions». Nature, 2006-01-12. [Consulta: 2006-09-07].
  5. «Plants revealed as methane source». BBC, 2006-01-11. [Consulta: 2006-09-07].
  6. «Global warming - the blame is not with the plants». eurekalert.org, 2006-01-18. [Consulta: 2006-09-06].
  7. SCIENTISTS PINPOINT CAUSE OF SLOWING METHANE EMISSIONS
  8. «Methane bubbles climate trouble». BBC, 2006-09-07. [Consulta: 2006-09-07].


 

Alcans

Metà
CH4

|
 

Età
C2H6

|
 

Propà
C3H8

|
 

Butà
C4H10

|
 

Pentà
C5H12

|
 

Hexà
C6H14

Heptà
C7H16

|
 

Octà
C8H18

|
 

Nonà
C9H20

|
 

Decà
C10H22

|
 

Undecà
C11H24

|
 

Dodecà
C12H26