O metano é um gás incolor e principalmente inodoro. É produzido tanto por processos naturais, como a degradação de materiais orgânicos ou atividade geotérmica, quanto por processos influenciados pelo homem, como a agricultura e as indústrias de energia. Feito de um átomo de carbono e quatro átomos de hidrogênio , o metano é o hidrocarboneto saturado mais simples. O metano constitui a maior parte do gás natural. Também atua como precursor da fabricação de muitos produtos importantes, como o metanol. O metano em nossa atmosfera atua como um gás com efeito de estufa com efeitos muito mais potentes do que o do dióxido de carbono . O nível de metano na atmosfera aumentou dramaticamente desde o início da era industrial, mas os esforços para capturar o gás e reduzir sua produção podem ajudar a restaurar o equilíbrio que existia. Este artigo irá explorar a massa molar do metano e mostrar como ele se compara a outros compostos semelhantes.
A massa molar do metano
O metano é uma substância pura. As substâncias puras incluem todos os elementos da tabela periódica, bem como todos os compostos químicos definidos. Uma substância pura deve ter exatamente a mesma composição química, até as menores partículas. Os átomos são as menores partículas dos elementos, enquanto a menor partícula de um composto é uma molécula. A massa molar de cada substância tem pura influência nas propriedades físicas e químicas da substância. A massa molar do metano é 16,04 gramas por mol.
Mas qual é a massa molar de uma substância? A massa molar é definida como a massa de um mol de uma substância pura expressa em gramas. E o que é uma toupeira? Uma toupeira é simplesmente uma unidade de medida muito parecida com uma dúzia. Um mol equivale exatamente a 6.022 × 10 23 de qualquer coisa. Você poderia ter um mol de tênis ou um mol de biscoitos, mas, na realidade, geralmente medimos átomos ou moléculas em termos de mols. Chamamos esse número gigante, aproximadamente 6.022 × 10 23 , de número de Avogadro ou constante de Avogadro. Esta constante, batizada em homenagem ao cientista italiano Amadeo Avogadro, é a mesma em todas as situações para todas as substâncias puras e é essencial para a compreensão da química e de como o mundo funciona.
Massa molar vs. massa atômica
Determinamos a massa molar de um elemento ou consistemos em observar primeiro sua massa atômica. Você pode encontrar a massa atômica de cada elemento listado na tabela periódica, geralmente logo abaixo do símbolo químico. Os cientistas já determinaram cientificamente a massa atômica de cada elemento, levando em consideração todos os isótopos conhecidos do elemento. A média desses isótopos, ponderada pela sua proporção encontrada na natureza, é igual à massa atômica desse elemento.
Cada elemento possui um número fixo de prótons. Esse número é igual ao número atômico do elemento. Cada isótopo de um elemento possui um número variável de nêutrons. Cada próton ou nêutron individual tem o valor de uma unidade de massa atômica, enquanto a massa de qualquer número de elétrons é tão pequena que pode ser desconsiderada. Portanto, a massa atômica de qualquer isótopo é igual ao número de prótons que ele possui mais o número de nêutrons.
Um exemplo de como funcionam os isótopos
Podemos usar o carbono como um exemplo perfeito de como funcionam os isótopos porque ele possui apenas três isótopos diferentes: carbono-12, carbono-13 e carbono-14. O isótopo carbono-12 tem seis prótons e seis nêutrons. Portanto, sua massa atômica é igual a 12. O carbono-13 tem seis prótons e sete nêutrons, o que resulta em uma massa atômica de 13. Enquanto isso, o carbono-14, um isótopo de carbono radioativo usado na datação de materiais orgânicos , tem seis prótons e oito nêutrons. Isso lhe dá uma massa atômica de 14. Fazer uma média desses três números nos dá 13, mas isso é muito maior do que a massa atômica calculada do carbono, que é 12.011 unidades de massa atômica. Veja, os isótopos de carbono-12 superam em muito o número de carbono-13 e carbono-14 na natureza. Portanto, a massa atômica deve inclinar-se a favor do carbono-12, tendo em conta a sua maior representação.
Calculando a massa molar do metano
Como você aprendeu, a massa molar de um elemento é simplesmente igual à sua massa atômica, expressa em termos de gramas por mol. A massa de um mol de átomos de um elemento é igual à massa atômica desse elemento, mas em gramas.
Este mesmo conceito se aplica aos compostos, exceto que cada molécula de um composto contém dois ou mais átomos de elementos iguais ou diferentes. Para encontrar uma massa atômica de um composto, devemos somar as massas atômicas de todos os átomos da molécula. O total é igual à massa atômica do composto.
O metano, CH 4 , tem cinco átomos em cada molécula. Possui um átomo de carbono rodeado por cinco átomos de hidrogênio. Portanto, um mol de moléculas de metano possui um mol de átomos de carbono e quatro mols de átomos de hidrogênio. Para encontrar a massa de um mol de carbono, basta converter a massa atômica de carbono em gramas. Um mol de carbono tem massa de 12,01 gramas. E cada mol de hidrogênio tem massa de 1.008 gramas. Adicionar a massa dos cinco átomos deste composto dá um total de 16,04 gramas como massa molar do metano.
Cálculo da massa molar do metano |
Equação química para metano: C + 4O → CH 4 |
1 mol de carbono + 4 mols de hidrogênio → um mol de metano |
12.011 gramas C/mol + 4(1.008 gramas H/mol) → 16,04 gramas CH 4 /mol |
Estrutura Atômica do Metano
O metano é um composto orgânico chamado hidrocarboneto. Como todos os hidrocarbonetos, consistem em apenas dois tipos de átomos, carbono e hidrogênio. O metano contém apenas um átomo de carbono e é o menor dos alcanos, um grupo de hidrocarbonetos lineares com apenas ligações simples. Outros tipos de hidrocarbonetos incluem alcenos, com ligações duplas, alcinos, com ligações triplas, e arenos, que formam anéis.
O carbono é um elemento do Grupo 14 na tabela periódica com quatro elétrons em seus orbitais externos. Ele precisa de um total de 8 elétrons em sua camada externa para atingir uma configuração altamente estável. O carbono pode formar ligações simples, duplas e até triplas com outros átomos para atingir a configuração desejada.
No metano, o carbono forma ligações covalentes com quatro átomos de hidrogênio. Os átomos de hidrogênio circundam o átomo de carbono e cada um compartilha seu único elétron com o carbono. Nesse combinado compartilhado, o átomo de carbono ganha quatro elétrons extras. Cada um dos quatro átomos de hidrogênio também ganha um elétron extra de carbono. Isso dá a cada um deles a configuração desejada de dois elétrons. Nem o átomo de carbono nem os átomos de hidrogênio conseguem manter todos os elétrons o tempo todo. Os elétrons se movem pelo espaço compartilhado das conexões tão rapidamente que é praticamente impossível identificá-los a qualquer momento. Domine sua parcela de tempo com os elétrons em zoom satisfazendo todos os átomos da molécula.
Configuração de metano
Os átomos do metano se organizaram de uma maneira muito particular. O átomo de carbono forma o centro da molécula e os átomos de hidrogênio se ligam ao seu redor. Cada átomo de carbono pode formar no máximo quatro ligações simples, ou uma combinação de ligações simples e duplas ou triplas. Os átomos de carbono que possuem apenas o número máximo de ligações simples são chamados de saturados.
Quando quatro átomos de hidrogênio se ligam a um átomo de carbono para formar metano, os átomos de hidrogênio se espalham o mais longe possível um do outro. A molécula assume a forma de um tetraedro ou de uma figura com quatro pontos equidistantes entre si. O ângulo de ligação entre os átomos de hidrogênio é igual a 109,5 graus.
Substituindo um Hidrogênio
Em alcanos de cadeia mais longos, um ou mais átomos de hidrogênio em uma molécula de metano podem ser substituídos por outro átomo ou molécula. Duas moléculas de metano podem se ligar entre si para formar uma molécula de etano. Cada um perde um único átomo de hidrogênio e forma uma ligação covalente com outra molécula de carbono. Ambos os carbonos das moléculas originais de metano retêm os outros três átomos de hidrogênio, de modo que uma nova molécula de etano tem dois átomos de carbono e seis átomos de hidrogênio.
CH 4 + CH 4 → C 2 H 6 + H 2
Quando três moléculas de metano se unem para formar propano, o átomo de carbono não forma ligações covalentes simples com ambos os outros carbonos para formar uma cadeia. O carbono do meio retém dois de seus átomos de hidrogênio, totalizando quatro ligações simples. Os carbonos em cada extensão mantêm três de seus hidrogênios, dando a cada um deles também quatro ligações simples.
CH 4 + CH 4 + CH 4 → C 3 H 8 + 2H 2
O carbono forma cadeias longas e saturadas exatamente assim, com os átomos de carbono nas extremidades ligadas a três hidrogênios e os do meio ligados a dois hidrogênios. Todos esses hidrocarbonetos contendo apenas hidrogênio e carbono com apenas ligações simples são chamados de alcanos. Às vezes, um ou mais hidrogênios podem ser substituídos por outros elementos ou moléculas, ou mesmo por outras cadeias de carbono saturadas. Eles podem produzir compostos complexos e ramificados com uma ampla variedade de propriedades físicas. Mas todas essas estruturas começam com um simples bloco de construção que conhecemos como metano.
Metano na Natureza
O metano, na natureza, é produzido em maior quantidade pela degradação de materiais orgânicos em zonas úmidas. Também vem de fontes submarinas, incluindo aquelas próximas às bordas das placas tectônicas, de vulcões e até mesmo de cupins. Os processos digestivos dos ruminantes que ocorrem naturalmente também são moderados para o nível de metano na atmosfera, mas não tanto quanto o que vem da agricultura. Antes das revoluções agrícolas e industriais, o equilíbrio do metano produzido por processos naturais e do metano consumido pelas reações na atmosfera e não só se equilibrava entre si. Infelizmente, esse não é o caso.
Metano produzido pela atividade humana
De acordo com a Agência de Proteção Ambiental , o metano produzido pelas atividades humanas desequilibrou completamente o equilíbrio desse composto no meio ambiente. Este metano antropogénico é responsável por cerca de 20% dos gases com efeito de estufa na nossa atmosfera, um nível inferior ao do dióxido de carbono. Mas o efeito do metano como agente de retenção de calor é mais de 25 vezes superior ao do dióxido de carbono, tornando-o um problema ainda mais sério.
De acordo com os dados mais recentes da EPA , os processos agrícolas representam cerca de 33% do metano produzido pelas atividades humanas nos Estados Unidos. Isto inclui a criação de animais ruminantes, como gado, e a gestão do seu estrume. Outros 35% provêm da produção, armazenamento, distribuição e utilização de gás natural, produtos petrolíferos e carvão.
Os resíduos que enviamos para aterros também criam grandes quantidades de metano, até 15% do total produzido pelos Estados Unidos. O tratamento de nossas águas residuais também contribui para o metano total em nossa atmosfera.
Usos comuns do metano
O principal uso do metano é como fonte de combustível. É o principal componente do gás natural, usado para aquecer casas, movimentar carros e muito mais. O metano também atua como precursor da fabricação de muitos outros produtos.
Quando um dos átomos de hidrogênio do metano é substituído por uma hidroxila, ou grupo OH , o produto tem a fórmula CH 3 OH e é chamado de metanol. O metanol é um combustível útil e de queima mais limpa e um precursor de muitos produtos industriais.
O metano líquido encontrou uso como combustível preferido para foguetes modernos . A queima de forma é mais limpa que o querosene e é muito mais fácil de manusear que o hidrogênio.
O metano também pode ser convertido em gás hidrogênio por meio de alguns processos diferentes. O hidrogênio tem diversos usos, mas um dos mais importantes na indústria envolve uma formação de amônia.
Outros Hidrocarbonetos
O metano, com seu único carbono e quatro átomos de hidrogênio, é o hidrocarboneto mais simples. Podemos ver como o metano se compara a vários hidrocarbonetos semelhantes. Todos os compostos abaixo incluem apenas átomos de carbono totalmente saturados com ligações simples, conhecidos como alcanos. Isso significa que os átomos de hidrogênio na cadeia contêm tantos átomos de hidrogênio quanto possível.
Olhe atentamente e você verá alguns padrões. Naturalmente, a massa molar do metano é menor de todos os hidrocarbonetos. Quanto mais átomos de carbono esses compostos contiverem, maior será a massa molar. Além disso, com esses hidrocarbonetos lineares saturados, o número de átomos de hidrogênio aumenta em dois com cada aumento de um átomo de carbono.
Nome do Composto | Fórmula química | Massa molar | Usos interessantes |
---|---|---|---|
Metano | Capítulo 4 | 16,04g/mol | Combustível versátil e multifuncional |
Etano | C2H6 _ _ _ | 30,07g/mol | Precursor da fabricação de plástico |
Propano | C3H8 _ _ _ | 44,10g/mol | Aquecimento doméstico, cozinha, etc. |
Butano | C4H10 _ _ _ | 58,12g/mol | Combustível para isqueiros e aquecedores internos |
Pentano | C 5 H 12 | 72,15g/mol | Fabricação de poliestireno |
Hexano | C 6 H 14 | 86,18g/mol | Indústria alimentar, extração de óleos |
Heptano | C 7 H 16 | 100,21g/mol | Solvente de laboratório não polar |
Octano | C 8 H 18 | 114,23g/mol | Componente da gasolina |
Dodecano | C 12 H 26 | 170,37g/mol | Solvente industrial, combustível de aviação possível |
Conclusão
Como você aprendeu, o metano é um composto orgânico importante que ocorre naturalmente em nosso mundo. O metano é o principal componente do gás natural, um dos combustíveis mais importantes que utilizamos para tudo, desde aquecer as nossas casas, aquecer a nossa água, cozinhar os nossos alimentos e abastecer alguns dos nossos carros. O metano atua como precursor de muitos outros produtos importantes. Infelizmente, o metano é também um dos piores gases com efeito de estufa, com um efeito até 25 vezes superior ao do dióxido de carbono. As emissões de metano nos Estados Unidos diminuíram ao longo dos últimos 30 anos, mas muito mais devem ser feitas para restaurar o equilíbrio e reduzir os efeitos deste poderoso gás com efeito de estufa em nosso planeta.
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