Metanul: structură, proprietăți, reacții și utilizări

1pe scurtstratul 1 din 3 · rezumatul lecției

Pe scurt

Metanul, $C H_{4}$ , este un gaz incolor și componentul principal al gazului natural. Molecula este tetraedrică, cu patru legături C–H echivalente. Arde complet: $C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$ . Este combustibil și materie primă pentru hidrogen și gaz de sinteză. Cu $C l_{2}$ la lumină dă clorometan prin substituție.

Reacția	Ecuația	Condițiile
Clorurarea (în trepte)	CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl; CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl; CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl; CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl	lumină sau temperatură
Arderea	CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O	se degajă multă căldură
Oxidarea parțială	CH₄ + O₂ → HCHO + H₂O	oxizi de azot, circa 400–600 °C
Amonoxidarea	CH₄ + NH₃ + 3/2 O₂ → HCN + 3 H₂O	Pt, circa 1000 °C
Conversia cu vapori de apă	CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂ (gaz de sinteză)	Ni, circa 800 °C
Descompunerea termică	2 CH₄ → C₂H₂ + 3 H₂	circa 1500 °C, răcire bruscă
Descompunerea în elemente	CH₄ → C + 2 H₂	temperatură ridicată; se obține negru de fum
Obținerea în laborator	CH₃–COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃	topire, la încălzire

2în detaliustratul 2 din 3 · pentru clasă și Bacalaureat

În detaliu

Structura. Carbonul din metan este hibridizat $s p^{3}$ ; cele patru legături $σ$ C–H au lungimea de $109 pm$ și formează unghiuri de $10 9^{\circ} 2 8^{'}$ . Simetria tetraedrică face ca dipolii legăturilor să se anuleze, deci molecula este nepolară și între molecule acționează doar forțe van der Waals foarte slabe. De aceea metanul rămâne gaz până la temperaturi foarte scăzute și se lichefiază doar la $- 162^{\circ} C$ ; în stare lichidă (gaz natural lichefiat) ocupă un volum de sute de ori mai mic și se transportă pe nave.

Proprietăți fizice. Metanul este incolor, inodor și foarte puțin solubil în apă. Cu masa molară $16 g/mol$ , densitatea lui față de aer este $16/28, 9 = 0, 55$ , deci se ridică la tavan. Mirosul gazului din rețea provine din tioli adăugați ca avertizor. Un amestec cu aerul care conține aproximativ $5$ – $15%$ metan explodează; același amestec se formează în mine (grizu). Metanul se găsește în gazul natural, în gazele de mlaștină și în biogazul obținut prin fermentarea anaerobă a resturilor organice. Este și un gaz cu efect de seră, motiv pentru care scurgerile din conducte și din exploatări sunt limitate.

Chimizarea. Metanul este materie primă pentru:

gaz de sinteză: $C H_{4} + H_{2} O \to CO + 3 H_{2}$ , pe catalizator de nichel, la temperatură ridicată; din $CO$ și $H_{2}$ se prepară metanol, $CO + 2 H_{2} \to C H_{3} OH$ ;
derivați clorurați (clorometan, diclorometan, triclorometan, tetraclorometan), prin substituție la lumină;
metanal: $C H_{4} + O_{2} \to HCHO + H_{2} O$ , pe catalizator de oxizi de azot;
negru de fum, la descompunerea termică $C H_{4} \to C + 2 H_{2}$ la peste $1000^{\circ} C$ ;
hidrogenul folosit la sinteza amoniacului.

Derivații clorurați au utilizări diferite: diclorometanul, triclorometanul și tetraclorometanul sunt solvenți; triclorometanul (cloroformul) a fost folosit ca anestezic, iar tetraclorometanul este toxic și nu se mai utilizează ca solvent.

Exemplu rezolvat 1. Din $56 m^{3}$ metan (c.n.) se prepară gaz de sinteză cu randamentul $90%$ , apoi metanol din tot monoxidul de carbon.

$n (C H_{4}) = 56000/22, 4 = 2500 mol$ ; se transformă $0, 9 \cdot 2500 = 2250 mol$ .
Rezultă $2250 mol$ CO ( $63 kg$ ) și $3 \cdot 2250 = 6750 mol$ $H_{2}$ ( $13, 5 kg$ , adică $151, 2 m^{3}$ ).
Pentru $CO + 2 H_{2} \to C H_{3} OH$ sunt necesari $4500 mol$ $H_{2}$ ; rămân $2250 mol$ în exces.
Se obțin $2250 mol$ metanol, adică $2250 \cdot 32 = 72 kg$ .

Exemplu rezolvat 2. Căldura degajată la arderea unui metru cub de metan (c.n.), știind că arderea unui mol degajă aproximativ $890 kJ$ .

$1 m^{3} = 1000 L$ , deci $n = 1000/22, 4 = 44, 64 mol$ .
$Q = 44, 64 \cdot 890 \approx 39730 kJ$ , adică aproximativ $39, 7 MJ$ .

În deficit de oxigen arderea dă CO sau funingine, care nu reprezintă arderea completă.

Exemplu rezolvat 3. Cât metan este necesar pentru $24 kg$ negru de fum, prin $C H_{4} \to C + 2 H_{2}$ , cu randamentul $80%$ ?

$n (C) = 24000/12 = 2000 mol$ ; ecuația cere tot atâția moli de metan teoretic.
Cantitatea practică este $2000/0, 8 = 2500 mol$ , adică $40 kg$ sau $56 m^{3}$ (c.n.).
Hidrogenul care însoțește $2000 mol$ de carbon este $4000 mol$ , adică $8 kg$ sau $89, 6 m^{3}$ .

Exemplu rezolvat: metanul din acetat de sodiu

Ce volum de metan (c.n.) se obține din 8,2 g de acetat de sodiu, prin încălzire cu hidroxid de sodiu în exces? (Masa molară a CH₃–COONa: 82 g/mol.)

$n = \frac{8 , 2}{82} = 0, 1$ mol de acetat de sodiu.
Din CH₃–COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃ se formează 0,1 mol de metan.
$V = 0, 1 \cdot 22, 4 = 2, 24$ L.

3pentru admiterestratul 3 din 3 · pentru examene

Pentru admitere

Piroliza metanului la circa $1500^{\circ} C$ , urmată de răcire bruscă, dă acetilenă: $2C H_{4} \to C_{2} H_{2} + 3 H_{2}$ . Reacția este puternic endotermă, de aceea se lucrează la temperatură ridicată; răcirea bruscă a gazelor oprește descompunerea acetilenei în carbon și hidrogen. Acetilena este materie primă pentru clorura de vinil și pentru acetatul de vinil. Amonoxidarea dă acid cianhidric: $2C H_{4} + 2N H_{3} + 3 O_{2} \to 2HCN + 6 H_{2} O$ .

Exemplu rezolvat. Se supun pirolizei $8 m^{3}$ metan, cu conversia $75%$ . Procentul de volum al acetilenei în amestecul final:

reacționează $6 m^{3}$ și rămân $2 m^{3}$ ;
se formează $3 m^{3}$ $C_{2} H_{2}$ și $9 m^{3}$ $H_{2}$ ;
amestecul are $2 + 3 + 9 = 14 m^{3}$ , deci $C_{2} H_{2}$ reprezintă $3/14 = 21, 43%$ .

Exemplu cu gaz natural. Pentru arderea a $2 m^{3}$ gaz natural cu $95%$ metan se consumă $2 \cdot 0, 95 \cdot 2 = 3, 8 m^{3}$ oxigen, adică $3, 8/0, 2 = 19 m^{3}$ aer cu $20%$ oxigen în volum; ceilalți componenți se ignoră. La amonoxidarea a $448 L$ metan ( $20 mol$ ) cu randamentul $80%$ rezultă $16 mol$ HCN, adică $432 g$ .

Triclorometan. Din $11, 2 m^{3}$ metan (c.n.), după $C H_{4} + 3C l_{2} \to CHC l_{3} + 3HCl$ , cu randamentul $60%$ , se obțin $0, 6 \cdot 500 = 300 mol$ $CHC l_{3}$ , adică $35, 85 kg$ . Se consumă $900 mol$ clor ( $20, 16 m^{3}$ ) și se formează $900 mol$ HCl ( $32, 85 kg$ ).

Complement grupat. Alegeți afirmațiile corecte:

Piroliza metanului la circa $1500^{\circ} C$ dă acetilenă și hidrogen.
Molecula de metan este polară.
Reformarea metanului cu vapori de apă dă gaz de sinteză.
Amonoxidarea metanului dă acid cianhidric și hidrogen.

A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte. B. Numai 1 și 3 sunt corecte. C. Numai 2 și 4 sunt corecte. D. Numai 4 este corectă. E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Răspuns: B. Afirmația 1 este adevărată: $2C H_{4} \to C_{2} H_{2} + 3 H_{2}$ . Afirmația 2 este falsă: molecula tetraedrică are momentul de dipol nul, deci este nepolară. Afirmația 3 este adevărată: $C H_{4} + H_{2} O \to CO + 3 H_{2}$ . Afirmația 4 este falsă: produșii amonoxidării sunt acid cianhidric și apă, $2C H_{4} + 2N H_{3} + 3 O_{2} \to 2HCN + 6 H_{2} O$ .

Unde apare la examen

Admiterea la Medicină, UMFCD: tematica pentru 2026 include capitolul „Alcani” din manualul de clasa a X-a de la Grup Editorial Art (paginile 18–34), unde metanul este primul alcan studiat (tematica de admitere UMFCD 2026). Formatul testului este pe pagina Admitere Medicină UMFCD.
Programa de clasa a X-a numește clorurarea metanului, metanul printre combustibili și, la curriculumul diferențiat, chimizarea metanului: obținerea aldehidei formice, a acidului cianhidric, a gazului de sinteză și a acetilenei (programa de chimie, clasa a X-a, OMECI 5099/2009).
Bacalaureatul, chimie organică: programa de examen include clorurarea metanului, arderea, importanța practică a metanului și puterea calorică (programa de bacalaureat, anexa 2 la OMENCS 5070/2016).

Greșeli frecvente

Greșit: Un mol de metan consumă un mol de $O_{2}$ la ardere completă.
Corect: Consumă doi moli: $C H_{4} + 2 O_{2} \to C O_{2} + 2 H_{2} O$ .
Greșit: Gazul natural este metan pur.
Corect: Metanul este componentul principal; gazul natural conține și etan, propan, butan, azot și dioxid de carbon.
Greșit: Metanul este mai greu decât aerul și se adună pe podea.
Corect: Are masa molară $16 g/mol$ , față de $28, 9 g/mol$ la aer, deci se ridică.
Greșit: Mirosul caracteristic al gazului de la aragaz aparține metanului.
Corect: Metanul este inodor; mirosul vine din tiolii adăugați pentru detectarea scurgerilor.

în contul tăuPremium

Testează-te pe această lecție

Lecția o citești aici, fără cont. Testele pe lecții și capitole sunt în cont, cu grile originale Didaxis și explicația fiecăreia: gratuit 10 grile pe zi, fără limită cu Premium, 49 de lei pe lună pentru fiecare copil.

Testează-te în cont

Înainte și după

ÎnainteReacțiile alcanilorHalogenare, izomerizare, cracare, dehidrogenare și ardere.DupăCicloalcaniStructură, denumire, izomerie și reacții ale cicloalcanilor.CapitolulHidrocarburiToate lecțiile capitolului „Hidrocarburi”.

Întrebări frecvente

De ce gazul metan din casă are miros, dacă metanul este inodor?

Metanul pur nu are miros. Gazului distribuit în locuințe i se adaugă în cantități foarte mici compuși cu sulf, cu miros puternic, ca scăpările să fie simțite din timp; amestecul de metan cu aerul poate exploda.

Ce produși se obțin la clorurarea metanului?

La lumină, clorul înlocuiește pe rând atomii de hidrogen și se obține un amestec de clorometan (CH₃Cl), diclorometan (CH₂Cl₂), triclorometan sau cloroform (CHCl₃) și tetraclorură de carbon (CCl₄), cu acid clorhidric la fiecare treaptă. Proporția produșilor depinde de raportul dintre metan și clor.

Ce este chimizarea metanului?

Transformarea metanului în alte substanțe utile, nu doar arderea lui: formaldehidă prin oxidare parțială, acid cianhidric prin amonoxidare, gaz de sinteză (CO și H₂) prin reacția cu vaporii de apă și acetilenă prin descompunere termică.

Surse și referințe

OMECI 5099/2009, Chimie X, p. 5–9; rocnee.eu
OMECI 5099/2009, Chimie X, conținuturi marcate cu asterisc, p. 5–9; rocnee.eu
OMENCS 5070/2016, anexa 2, p. 4–6; aplicare în 2027 prin OMEC 5211/2026 art. 3(3); edu.ro
UMFCD, Tematica examenului de admitere la Facultatea de Medicină, iulie 2026, p. 3–4; umfcd.ro
OpenStax, Organic Chemistry, cap. 3, Summary; openstax.org

Desene: Redactare proprie (desen original)