El clatrato de metano (CH 4 · 5,75H 2 O) o (4CH 4 · 23H 2 O), también llamado hidrato de metano , hidrometano , hielo de metano , hielo de fuego , hidrato de gas natural o hidrato de gas , es un compuesto de clatrato sólido (más específicamente , un clatrato hidrato ) en el que una gran cantidad de metano queda atrapada dentro de una estructura cristalina de agua, formando un sólido similar al hielo . [1] [2] [3] [4]Originalmente se pensó que ocurría solo en las regiones exteriores del Sistema Solar , donde las temperaturas son bajas y el hielo de agua es común, se han encontrado depósitos significativos de clatrato de metano debajo de los sedimentos en los fondos oceánicos de la Tierra . [5] El hidrato de metano se forma cuando el agua con enlaces de hidrógeno y el gas metano entran en contacto a altas presiones y bajas temperaturas en los océanos.
Los clatratos de metano son componentes comunes de la geosfera marina poco profunda y se encuentran en estructuras sedimentarias profundas y forman afloramientos en el fondo del océano. Se cree que los hidratos de metano se forman por precipitación o cristalización del metano que migra desde las fallas geológicas profundas . La precipitación ocurre cuando el metano entra en contacto con el agua dentro del lecho marino sujeto a temperatura y presión. En 2008, una investigación sobre la estación antártica Vostok y los núcleos de hielo EPICA Dome C revelaron que los clatratos de metano también estaban presentes en los núcleos de hielo antárticos profundos y registran una historia de metano atmosférico.concentraciones, que datan de hace 800.000 años. [6] El registro de clatrato de metano en el núcleo de hielo es una fuente primaria de datos para la investigación del calentamiento global , junto con el oxígeno y el dióxido de carbono.
Los hidratos de metano se descubrieron en Rusia en la década de 1960, y los estudios para extraer gas de ellos surgieron a principios del siglo XXI. [7]
La composición nominal de hidrato de clatrato de metano es (CH 4 ) 4 (H 2 O) 23 , o 1 mol de metano por cada 5,75 moles de agua, lo que corresponde al 13,4% de metano en masa, aunque la composición real depende de cuántas moléculas de metano encajar en las diversas estructuras de jaula de la red de agua . La densidad observada es de alrededor de 0,9 g / cm 3 , lo que significa que el hidrato de metano flotará hacia la superficie del mar o de un lago a menos que esté unido en su lugar por formarse o anclado a un sedimento. [8]Por lo tanto, un litro de clatrato de metano sólido completamente saturado contendría alrededor de 120 gramos de metano (o alrededor de 169 litros de gas metano a 0 ° C y 1 atm), [nb 1] o un metro cúbico de clatrato de metano libera alrededor de 160 metros cúbicos de gas. [7]
El metano forma un hidrato de "estructura I" con dos jaulas de agua dodecaédricas (12 vértices, es decir, 12 moléculas de agua) y seis tetradecaédricas (14 moléculas de agua) por celda unitaria. (Debido al intercambio de moléculas de agua entre jaulas, solo hay 46 moléculas de agua por celda unitaria). Esto se compara con un número de hidratación de 20 para el metano en solución acuosa. [9] Un espectro de RMN MAS de clatrato de metano registrado a 275 K y 3,1 MPa muestra un pico para cada tipo de jaula y un pico separado para el metano en fase gaseosa . [ cita requerida ]En 2003, se sintetizó un intercalato de hidrato de arcilla-metano en el que se introdujo un complejo de hidrato de metano en la capa intermedia de una arcilla de montmorillonita rica en sodio . La estabilidad a la temperatura superior de esta fase es similar a la del hidrato de estructura I. [10]
Los clatratos de metano están restringidos a la litosfera poco profunda (es decir, <2000 m de profundidad). Además, las condiciones necesarias se encuentran solo en rocas sedimentarias continentales en regiones polares donde las temperaturas superficiales promedio son inferiores a 0 ° C; o en sedimentos oceánicos a profundidades superiores a 300 m donde la temperatura del agua del fondo es de alrededor de 2 ° C. Además, los lagos de agua dulce profundos también pueden albergar hidratos de gas, por ejemplo, el lago de agua dulce Baikal , Siberia. [11] Los depósitos continentales se han localizado en la Siberia y Alaska en piedra arenisca y limolitacamas a menos de 800 m de profundidad. Los depósitos oceánicos parecen estar muy extendidos en la plataforma continental (ver Fig.) Y pueden ocurrir dentro de los sedimentos en profundidad o cerca de la interfaz sedimento-agua . Pueden tapar depósitos aún más grandes de metano gaseoso. [12]