3. Metano.doc

METANO: PREPARACIÓN Y PROPIEDADES OBJETIVOS Obtener el gas metano por descarboxilación del acetato de sodio anhídrido por calor en presencia de cal sodada y luego observar las propiedades del gas metano

Fundamento Teórico Propiedades

denominaciones

hidruro de metilo

CAS

74-82-8 Cambios de fase

Punto de fusión

90,6 K (-182,5°C)

Punto de ebullición 111,55 K (-161,6°C)

Generales Nombre

Metano Estructura de Lewis:

Punto triple

90,67 K (-182,48°C) 0,117 bar

Punto crítico

190,6 K (-82,6°C) 46 bar

ΔfusH

1,1 kJ/mol

ΔvapH

8,17 kJ/mol Propiedades del gas

Fórmula química

CH4

Peso atómico

16.04 uma

Otras

Gas del pantano;

ΔfH0gas

-74,87 kJ/mol

ΔfG0gas

-50,828 kJ/mol

S0gas

188 J/mol·K

Cm

35,69 J/mol·K

¿Qué es el metano? Debido a que se recolectó por primera vez en los pantanos, el metano llego a conocerse como gas de, los pantanos. Las termitas constituyen una fuente bastante grande para la producción del metano. Cuando estos voraces insectos consumen madera, los microorganismos que habitan en su sistema digestivo de carbono y otros compuestos. Se calcula que las termitas ¡Producen anualmente 170, 000,000 de toneladas de metano! También se produce en algunos procesos de tratamiento de desechos. A escala comercial el metano se obtiene del gas natural. El gas natural es una mezcla de metano, etano y una pequeña cantidad de propano.

Compuesto de carbono e hidrógeno, de fórmula CH4, es un hidrocarburo, el primer miembro de la serie de los alcanos. Es más ligero que el aire, incoloro, inodoro e inflamable. Se encuentra en el gas natural (entre un 75% y un 90%), como en el gas grisú de las minas de carbón, en los procesos de las refinerías de petróleo, y como producto de la descomposición de la materia en los pantanos. Es uno de los principales componentes de la atmósfera de los planetas Saturno, Urano y Neptuno. El metano puede obtenerse mediante la hidrogenación de carbono o dióxido de carbono, por la acción del agua con carburo de aluminio o también al calentar etanoato de sodio con álcali. El metano es apreciado como combustible y para producir cloruro de hidrógeno, amoníaco, etino y formaldehído. El metano es el hidrocarburo alcano más sencillo, es un gas. 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. Apenas es soluble en agua en su fase líquida. En la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción anaeróbica de las plantas, este proceso natural se puede aprovechar para producir biogás. Puede constituir hasta el 97% del gas natural. En las minas de carbón se le denomina grisú y es muy peligroso por su facilidad para inflamarse. El metano es el punto de partida de de la producción comercial de diverso productos químicos, como el hidrógeno, el monóxido de carbono y el cianido de hidrógeno. El metano constituye gran parte de la atmósfera de los grandes planetas Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. Características químicas El metano es un ejemplo de compuesto molecular, cuyas unidades básicas son grupos de átomos unidos entre sí. La molécula de metano consta de un átomo de carbono con cuatro átomos de hidrógeno unidos a él. La forma general de la molécula es un tetraedro, una figura con cuatro caras triangulares idénticas, con un átomo de hidrógeno en cada vértice y el átomo de carbono en el centro. Propiedades Generales

ΔfH0gas

-74.87 kJ/mol

Nombre

Metano

ΔfG0gas

-50.828 kJ/mol

Fórmula química

CH4

S0gas

188 J/mol·K

Peso atómico

16.04 uma

Cm

35.69 J/mol·K

Otras denominaciones

Gas del pantano; Hidruro de metilo

Seguridad

CAS number

74-82-8

Efectos agudos

Propiedades del gas

Asfixia; en algunos casos inconsciencia, ataque cardíaco o lesiones cerebrales. El compuesto se transporta como líquido criogénico. Su exposición causará obviamente la

Flash point

congelación.

Límite explosivos 5-15%

-188°C

Valores en el SI y en condiciones normales (0 ºC y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.

Temperatura de 600°C auto combustión

Fórmula molecular: su importancia fundamental En este capítulo nos hemos ocupado de la estructura del metano: el modo de juntarse los átomos para formar la molécula de metano. Antes, sin embargo, es necesario conocer de qué átomos se trata y cuántos de ellos conforman la molécula: es primordial saber que el metano es CH 4. Antes de poder asignar una fórmula estructural a un compuesto, debemos conocer su fórmula molecular. Se ha invertido mucho de este capítulo en el estudio de la sustitución del cloro por el hidrógeno en el metano, pero antes fue necesario saber que había sustitución, que cada paso de la reacción genera un producto que contiene un hidrógeno menos y un átomo de cloro más que el reactivo; debíamos saber que el CH

4

es convertido, sucesivamente, en CH 3CI, CH2CI2, CHCI3 y CCI4. Antes de poder estudiar las

reacciones de un compuesto orgánico, debemos conocer las fórmulas moleculares de los productos. Revisemos un poco lo que sabemos acerca de cómo asignar una fórmula molecular a un compuesto. Debemos realizar: (a) un análisis elemental cualitativo, para determinar que tipos de átomos contiene la molécula; (b) un análisis elemental cuantitativo, para determinar el número relativo de los distintos tipos de átomos presentes en la molécula, es decir, para establecer su fórmula empírica; (c) una determinación del peso molecular, que indica (combinado con la fórmula empírica) el verdadero número de los distintos átomos, es decir, nos da la fórmula molecular. La mayor parte de esto debería serle familiar al estudiante de cursos anteriores de química. Aplicaremos estos principios al análisis orgánico. Peso molecular. Fórmula molecular Sabemos ahora qué átomos conforman la molécula que estudiamos y en qué proporciones se encuentran, lo que se resume en la fórmula empírica. Esto no es suficiente, sin embargo; basándose solamente en su fórmula empírica, por ejemplo, el metano podría tener un carbono y cuatro hidrógenos, o dos carbonos y ocho hidrógenos, o cualquier múltiplo de CH4. Aún nos resta encontrar la fórmula molecular: que indica el número verdadero de cada clase de átomo en una molécula. Para encontrar la fórmula molecular, debemos determinar el peso molecular: hoy seguramente se haría por espectrometría de masas, la que da un valor exacto. El etano, por ejemplo, tiene la fórmula empírica

CH3: se le encuentra un peso molecular de 30, lo que indica que C 2 H6 debe ser la única fórmula molecular correcta entre todas las posibles. Características físicas La unidad de un compuesto no iónico, sea sólido, líquido o gaseoso, es la molécula. Como la molécula de metano es muy simétrica, las polaridades de los enlaces carbonos-hidrógenos individuales se anulan, de lo que resulta que la molécula en sí no es polar. La atracción entre tales moléculas no polares queda limitada a las fuerzas de Van der Wasls; para moléculas tan pequeñas, estas fuerzas atractivas deben ser muy débiles, comparadas con las intensísimas entre iones sodio y cloruro, por ejemplo. No debe ser sorprendente, por tanto, que esas fuerzas atractivas sean vencidas con facilidad por la energía térmica, de modo que la fusión y ebullición se producen a temperaturas muy bajas: p.f. -183ºC, p.e. -161.5ºC. (Compárense estos valores con los correspondientes para el cloruro de sodio: p.f. 801ºC, p.e. 1413ºC.) En consecuencia, el metano es un gas a temperatura ordinaria. El metano es incoloro y, en estado líquido, menos denso que el agua (densidad relativa 0.4); de acuerdo con la regla de que   una sustancia disuelve a otra similar  , es apenas soluble en agua, pero muy soluble en líquidos orgánicos, como gasolina, éter y alcohol. Con respecto a sus propiedades físicas, el metano fija la pauta para los demás miembros de la familia de los alcanos. Sin embargo, el ataque de los átomos de yodo al metano es un paso propagador de cadena, Y si es lento, toda la reacción debe ser lenta; en estas circunstancias, los pasos que la terminan (por ejemplo, la unión de dos átomos de yodo) pasan a ser tan importante que, de hecho, no hay cadena. Propiedades caloríficas Calorías por gramo: 12 Kcal Calorías por gramo de CO2: 4,5 Kcal Estado de transición El concepto de Eact debe ser nuestra clave para la comprensión de la reactividad química, pero para hacerla útil necesitamos un concepto adicional: el estado de transición. Probablemente una reacción química es un proceso continuo que implica una transición gradual de reactivos a productos. Sin embargo, ha resultado útil considerar la disposición de los átomos en una etapa intermediaria de la reacción, como si se tratara de una molécula real. Esta estructura intermedia se denomina estado de transición; su contenido de energía corresponde al máximo de la curva de energía Tal como

 H es la diferencia en contenido energético entre reactivos y productos, E act es la diferencia

en contenido de energía entre reactivos y estado de transición. El concepto de estado de transición es útil por esta razón: podemos analizar su estructura como si se tratara de una molécula e intentar estimar su estabilidad. Todo factor que estabiliza el estado de

transición en relación con los reactivos tiende a disminuir la energía de activación; es decir, todo factor que rebaja la cima de la colina energética más que el valle de los reactivos reduce la altura neta que debe vencer durante la reacción. En este libro, la estabilidad del estado de transición será la base - explícita o implícita - de, prácticamente, todo estudio de la reactividad. Pero el estado de transición es sólo una disposición pasajera de átomos que, por su naturaleza intrínseca encontrándose en la cima de la colina energética -, no puede ser aislado y examinado. ¿Cómo podemos llegar a saber algo acerca de su estructura? Pues bien, tomemos como ejemplo el estado de transición para la separación de hidrógeno del metano por un átomo de halógeno y vemos a qué nos conduce reflexionar un poco. Para comenzar, con seguridad podemos decir lo siguiente: el enlace carbono-hidrógeno se estira, pero no se rompe del todo, mientras que la unión hidrógeno-halógeno ha comenzado a formarse, aunque sin completarse. Esta condición puede representarse por en donde las líneas de puntos indican enlaces parcialmente rotos o formados. Ahora, ¿qué podemos decir acerca de la forma del grupo metilo en este estado de transición? En el reactivo, en el cual el grupo metilo está unido al hidrógeno, el carbono es tetraédrico (con hibridación sp 3); en el producto, en el que el metilo ha perdido el hidrógeno, el carbono es trigonal (hibridación sp 2).

En el estado de transición, con el enlace carbono hidrógeno parcialmente roto, la hibridación del carbono es intermedia entre sp3 y sp2; el metilo se ha aplanado parcialmente, aunque no del todo; los ángulos de enlace son mayores que 109.5, pero menores que 120º.

Por último, ¿dónde se encuentra el electrón impar? Se hallan sobre el cloro en los reactivos, sobre el metilo en los productos y, compartido entre ambos, en el estado de transición. (La parte correspondiente a cada átomo se representa por &-.) El grupo metilo soporta parcialmente el electrón impar que tendrá en el producto, con lo que ha adquirido, en la proporción correspondiente, algo de las características del radical libre que llegará a ser.

De este modo muy directo, hemos trazado una descripción del estado de transición, que expone la ruptura y la formación de enlaces, la disposición espacial de los átomos y la distribución de los electrones. (Este estado de transición específico es intermediario entre reactivos y productos, no sólo en la secuencia del tiempo, sino también estructuralmente. No todos los estados de transición son de estructura intermediaria: como se demuestra más adelante, reactivos y producto son tetraédricos en reactivos S N2,

mientras que su estado de transición contiene carbono pentavalente.) El metano es un tipo de gas. Existe una pequeña cantidad de metano en el aire que respiras. Una molécula de metano contiene átomos de carbono e hidrógeno. El metano es un gas invernadero. Esto significa que contribuye al calentamiento terrestre, y si hubiese exceso de este gas, nuestro planeta podría calentarse demasiado. ¿De dónde proviene el metano que se encuentra en la atmósfera terrestre? Los eructos de las vacas, La imagen muestra cuatro formas químicas ¡en primer lugar! El cultivo del arroz también libera usadas para presentar la molécula de metano. metano al aire. También hay metano que proviene En los modelos de moléculas a color, el carbono

de los basurales. Por otra parte, las termitas

aparece en gris claro y el hidrógeno en blanco.

producen grandes cantidades de metano, así como también los pantanos.

El metano puede quemarse y se utiliza como combustible. Es uno de los componentes principales del gas natural. Puede que la calefacción de tu hogar funcione con gas natural. El metano corresponde a un hidrocarburo ya que contiene átomos de hidrógeno y carbono.

Materiales de laboratorio

Tubo de vidrio Tubos de ensayo

Espátula Termómetro

Pipeta (4)

Varilla de vidrio

Mortero de procelana

Gradilla

Pro-pipeta

Tapón monoaforado

Piseta

Mechero de alcohol

Balanza Probeta de 250 ml

Mangueras de plástico, Cuba hidroneumática, Vidrio de reloj, Soporte Universal, Pinza completas y Pinza para tubo

REACTIVOS Acetato de sodio anhidro

NaOH

CaO

Solución de bromo en CCl4 solución de KMnO4 AL 1 %

PROCEDIMIENTO En un mortero de porcelana, moler finamente el acetato de sodio anhidro y la cal sodada, que se prepara pensando partes iguales de CaO y NaOH (que es de 0,13g). Se debe pesar exactamente 0.2g. de acetato de sodio y 0,250 g. De cal sodada. Montar el equipo como se muestra en la figura siguiente:

Colocar las muestras sólidas y pesadas en el tubo de ensayo y calentar con la llama de un mechero, al principio lentamente y después con mayor intensidad de manera que haya desprendimiento constante de gas metano. Finalizada la reacción, se mide el volumen de metano en el recolector, la temperatura del agua en la cuba y la altura del desnivel en cm. Para la comprobación de la producción de gas metano se realiza pruebas de ensayo.

1. A una muestra de gas metano se le agrega unas 5 gotas de solución de bromo en CCl 4 al 5%. Observar algún cambio de calor. Anotar. 2. A otra muestra agregar unas gotas de KMnO4 al 1%. ¿Observa algún cambio? Anotar. 3. En el tercer tubo de ensayo, realizar la combustión del gas metano. Anotar sus observaciones.

CÁLCULOS Para la parte experimental con la cuba hidroneumática la disminución fue de 20 cm es decir: VHúmedo = 20 cm3 En la primera comprobación no se observo ningún cambio de color, da tal modo considerado como poco reactivo: CH 4  KMnO 4   No  reacciona Calor

De color violeta “sin cambios” En el segundo tubo no se observo ningún cambio de color, da tal modo considerado como poco reactivo: CCl 4 CH 4  I 2   No,reacciona

No sufre decoloración, por lo tanto no reacciona En el tercer tubo sufre oxidación o también llamado combustión su formula es:

CH 4  O2  CO2  2H 2O Solo sufre oxidación

CUESTIONARIO 1. ¿Cuáles son las propiedades físicas del metano? Se lo puede resumir con la siguiente tabla Generales

Propiedades del gas

Nombre

Metano

ΔfH0gas

-74.87 kJ/mol

Fórmula química

CH4

ΔfG0gas

-50.828 kJ/mol

Peso atómico

16.04 uma

S0gas

188 J/mol·K

Otras denominaciones

Gas del pantano; Hidruro de metilo

Cm

35.69 J/mol·K

CAS number

74-82-8

Seguridad

Efectos agudos

Asfixia; en algunos casos inconsciencia, ataque cardíaco o lesiones cerebrales. El compuesto se transporta como líquido criogénico. Su exposición causará obviamente la congelación.

Flash point

-188°C

Temperatura de 600°C auto combustión Límite explosivos 5-15% Valores en el SI y en condiciones normales (0 ºC y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.

2. ¿Cuáles son las reacciones del metano con bromo en CCl4, con O2 del aire, con cloro? CCl 4 CH 4  Br2   CH 3 Br  HBr

CH 4  O2  CO2  H 2O CH 4  Cl 2  CH 3Cl  HCl

3. Hallar la composición centesimal del C3H6 La composición centesimal indica el porcentaje, en masa, de cada elemento que forma parte de un compuesto. Se obtiene a partir de la fórmula molecular del compuesto, ya que ésta nos indica el número de átomos de cada elemento presentes en el compuesto. Para calcular la composición centesimal de cada elemento, se aplica la siguiente expresión:

Ci 

n1  PM i  100 PM compuesto

En donde ni indica el número de átomos del elemento i considerado y PMi la masa atómica de dicho elemento. El denominador es la masa molecular del compuesto Carbono = 3 * 12 ma = 36 ma Hidrógeno = 6 * 1 ma = 6 ma Peso fórmula C3H6 = 42 ma

C carbono 

3  12  100  85,71% 42

C hidrógeno 

6 1  100  14,29% 42

4. ¿Cuál es porcentaje de carbono en un compuesto orgánico del que se sabe que 0,2 g dieron 0,275 g de CO2 por combustión?

0,275gCO2 *

12gC  0,075gC 44gCO 2

0,2g



100%

0,075g



x

x

0,075 * 100%  37,5%C 0,2

5. Hallar los isómeros del C8H18

Pero desarrollándolas en fórmulas desolladas planas:

CH 3  CH 2  CH 2  CH 2  CH 2  CH 2  CH 2  CH 3 n-octano CH 3 I 2-metil heptano CH 3  CH  CH 2  CH 2  CH 2  CH 2  CH 3 CH 3 I 3-metil heptano CH 3  CH 2  CH  CH 2  CH 2  CH 2  CH 3 CH 3 I 4-metil heptano CH 3  CH 2  CH 2  CH  CH 2  CH 2  CH 3 CH 3 I CH 3  CH  CH  CH 2  CH 2  CH 3 2,3-dimetil hexano I CH 3

CH 3 

CH 3 I CH 

CH 2 

CH  I CH 3

CH 2 

CH 3

2,4-dimetil hexano

CH 3 

CH 3 I CH 

CH 2 

CH 2 

CH  I CH 3

CH 3

2,5-dimetil hexano

CH 2 

CH 3 I CH 

CH  I CH 3

CH 2 

CH 3

3,4-dimetil hexano

CH 3 

Y existen otros isómeros más. 6. Hallar el volumen del oxígeno que se necesita para la combustión de 3 litros de metano. Hallar en dm3 el volumen de CO2 que se forma

CH 4  2O 2  CO2  2H 2O

3LCH 4 *

1molCH 4 2molO2 22,4LO2 * *  6LO2 22,4LCH 4 1molCH 4 1molO2

R = 6L.O 2 7. ¿Qué cantidad de aire en cm 3, cuya composición es 23% de O 2 en volumen, se requiere para quemar un 1 m3 de CH4 cuya presión de de 2 atmósferas a 20ºC? Se supone rendimiento de la reacción al 85,5% (Densidad del O2 1,33 g/cm3)

8. En combustión del metano, se ha obtenido 2,5kg de CO 2. Si la reacción se realizo con 90% de rendimiento. Que volumen de CH4 a 20ºC y 1 atmósfera de presión habrá combustionado.

CH 4  2O2  CO2  2H 2O 2,5Kg



90%

x



100%

x  2,78KgCO 2

2,78KgCO2 *

1molCO2 1molCH 4 16KgCH 4    1,0109KgCH 4 4KgCO2 1molCO2 1molCH 4

1,0109KgCH 4 *

010,9gCH 4 *

R *T * n V   P

1000gCH 4  010,9gCH 4 1KgCH 4

1molCH 4  63,18molCH 4 16gCH 4 0,082

atm * L * (273  20)K * 63,18mol mol * K atm

V  1517,96LCH 4 9. Qué volumen con la parte en masa del hidróxido de potasio al 20% y densidad de 1,19 g/ml se necesita para la absorción de todo el dióxido de carbono obtenido durante la combustión del propano de 112 litros de volumen (en condiciones normales)

10. Un sustancia orgánica esta constituida por C, H y O. En la combustión completa de 1 g de sustancia se forman 0,9776 g de CO2 Y 0,2001 g H2O. El peso molecular es 90. Hallar la formula molecular.

%C 

0,9776gCO2 22gC * * 100%  26,66%C 1g.sus tan cia 44gCO2

%H 

0,2001gCO2 1gH * * 100%  2,22%H 1g.sus tan cia 18gH 2O

%C  %H  %O  100% %O  100%  %C  %H %O  100  26,66  2,22 %O  71,12%

26,66gC *

1molC  2,22molC 12gC

2,22gH *

1molH  2,22molH 1gH

71,12gO *

C

1molO  4,45molO 1gO

2,22 2 1

H 

2,22 2 1

0

4,45 4 1

Fórmula Empírica = C2H2O4 n

peso..molecular 90  1 peso..fórmula..molecular 90

Fórmula Molecular = C2H2O4 11. Un recipiente tiene cierto peso de un hidrocarburo saturado de la serie de los alcanos y se le quiere cambiar por un peso igual de otro hidrocarburo de la misma serie pero que tiene dos carbonos menos que el primero, de tal manera que la temperatura no varíe en el recipiente. Para lograr este resultado, es necesario que la presión en el recipiente sea los 43/29 de la presión que había que había con el primer hidrocarburo. Cuales son las fórmulas y los nombres de estos hidrocarburos