Methan

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Strukturformel und Kalottenmodel
Tetraederstruktur des Methans.png	Methan.png des Methans]]
Allgemeines
Name	Methan
Summenformel	CH₄
CAS-Nummer	74-82-8
Kurzbeschreibung	farbloses Gas
Eigenschaften
Molmasse	16,04 g/mol
Aggregatzustand	gasförmig
Dichte	0,722 g/dm³
Schmelzpunkt	-182,5 °C
Siedepunkt	-161,7 °C
Dampfdruck	1470 hPa bei -157,5 °C
Tripelpunkt	-182,48 °C u. 0,117 bar
Kritischer Punkt	-82,6 °C (190,56 K) u. 45,96 bar
Standardbildungsenthalpie	-74,87 kJ/mol
Standardentropie	188 J/mol·K
Wärmekapazität	35,69 J/mol·K
Heizwert H_i	35,89 MJ/Nm³
Sicherheitshinweise

R- und S-Sätze	R: 12 S: 9-16-33
TRK	-

Methan (auch Sumpfgas und Methylwasserstoff genannt) ist ein farbloses und geruchloses Gas. Es ist das einfachste Alkan und der einfachste Kohlenwasserstoff überhaupt, die Summenformel lautet CH₄, die C–H-Bindungen weisen in die Ecken eines Tetraeders. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und Biogas und ein wichtiger Bestandteil von Holzgas. Nach Kohlendioxid ist es das bedeutendste Treibhausgas, wobei es 20 bis 30 mal wirkungsvoller ist, allerdings in kleineren Mengen in der Atmosphäre vorkommt. Dort reagiert es mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser. Dieser Prozess ist allerdings langsam, die Halbwertszeit wird auf 14 Jahre geschätzt. Methan wird als Heizgas verwendet und dient als Ausgangspunkt für viele andere organische Verbindungen. Methan wird bei biologischen und geologischen Prozessen ständig neu gebildet und freigesetzt.

Historische Informationen

Methan war bereits den Alchemisten im Mittelalter als Fäulnisgas unter der Bezeichnung Sumpfluft bekannt.

Methan wurde 1667 von Thomas Shirley entdeckt. 1772 entdeckte Joseph Priestley, dass Methan bei Fäulnisprozessen entsteht. 1856 stellte Marcellin Berthelot Methan zum ersten Mal aus Kohlenstoffsulfid und Schwefelwasserstoff her.

Eigenschaften

Methan ist ein farb- und geruchloses Gas, dessen Dichte (0,722 g/dm³ bei 20 °C) kleiner ist als die von Luft, es steigt also in die höheren Schichten der Atmosphäre auf. Es ist brennbar und verbrennt mit bläulicher, nicht rußender Flamme, unterhält die Verbrennung aber nicht. Methan schmilzt bei -182,6 °C und siedet bei -161,7 °C. Aufgrund der unpolaren Eigenschaften ist es in Wasser mit 3,5 ml/100 ml kaum löslich, in Ethanol und Diethylether löst es sich jedoch gut. Schmelzwärme und Verdampfungswärme sind mit 1,1 kJ/mol und 8,17 kJ/mol für ein Gas relativ hoch, im Vergleich zu Metallen sind dies aber sehr geringe Werte. Methan kann explosionsartig mit Sauerstoff, Luft und Chlor reagieren. Bei der Chlorierung entstehen Methylchlorid, Dichlormethan, Chloroform und Tetrachlormethan. Vom Methan leiten sich Methylverbindungen wie z.B. Methanol und die Methylhalogenide und die längerkettigen Alkane ab.

Vorkommen und Entstehung

Planet	Methananteil in der Atmosphäre		Erde	1,75 ppm		Mars	10,5 ppb		Jupiter	3000 ± 1000 ppm		Saturn	4.500 ± 2.000 ppm		Pluto	?		Neptun	1,5% ± 0,5%

Methan hat ein vielfältiges Vorkommen und wird auf der Erde ständig neu gebildet, auch auf vielen anderen Planeten gibt es Methanvorkommen. Auf Meeresböden gibt es geschätzte zwölf Billionen Tonnen Methanhydrat. Für deren Bergung gibt es aber noch kein Mittel. Eine Bergung des Methanhydrats könnte zur Lösung des Energieproblemes beitragen; ein besonderes Problem dabei besteht zum Beispiel darin, dass bei der Bergung viel Methan in die Atmosphäre gelangen würde und da als starkes Treibhausgas zu einer weiteren Erwärmung und damit weiterer Freisetzung von Methan beitragen würde.

Methan ist Hauptbestandteil des Erdgases. Auch das in Steinkohlelagern eingeschlossene Grubengas enthält hauptsächlich Methan.

Biogas_entstehung.jpg

Weltweit werden schätzungsweise 500 Millionen Tonnen Methan emittiert, etwa 70 % davon sind auf den Menschen zurückzuführen. Auch durch landwirtschaftlichen Anbau und Tierhaltung wird Methan emittiert, 39 % dieser Emissionen gehen auf die Rinderhaltung zurück, 17 % auf den Reisanbau. In Deutschland wurden 1994 etwa 833.000 Tonnen Methan emittiert. Die Konzentration in der Atmosphäre hat sich von 1750 zu 2000 von 0,8 auf 1,75 ppm erhöht, jährlich steigt der Methananteil in der Atmosphäre um 1-2 %.

Beim Faulen organischer Stoffe unter Luftabschluss in Sümpfen oder am Grund stark verschmutzter Gewässer bildet sich Sumpfgas, ein Gemisch aus Methan und Kohlendioxid. Biogas besteht überwiegend aus Methan (etwa 60 %) und Kohlendioxid (etwa 35 %), daneben enthält es noch Wasserstoff, Stickstoff und Schwefelwasserstoff.
Bei Stoffwechselvorgängen der Methanbildner entsteht Methan nach folgender Reaktionsgleichung:

$\mathrm{ C_6H_{12}O_6 \rightarrow 3\,CH_4 + 3CO_2}$

Traubenzucker reagiert zu Methan und Kohlendioxid.

Methan entsteht ebenfalls in tieferen Erdschichten bei hohen Temperaturen und Drücken, diese Quellen setzen Methan meist bei vulkanischen Aktivitäten frei.

In der Atmosphäre des Mars wurde Methan nachgewiesen, allerdings nur etwa 10,5 ppb. Da es sich normalerweise nicht in der Atmosphäre halten kann und es keine Hinweise auf Meteoriten als Quelle gibt, muss es auf dem Mars neu gebildet worden sein, was ein Indiz für Leben sein kann. Allerdings könnte das Methan auch vulkanischen Ursprungs sein, es wurden aber bis jetzt keine Hinweise dafür gefunden. Auch in den Atmosphären des Titans, des Jupiters, des Saturns, des Uranus, des Plutos und des Neptuns gibt es Methanvorkommen. Im Weltall ist Methan also in größeren Mengen auf Planeten, Kometen sowie Monden (zum Beispiel dem Saturnmond Titan) vorhanden.

Herstellung

Für die Herstellung aus Aluminiumcarbid gibt es zwei Methoden, sie werden allerdings meist nur im Labor eingesetzt. Die Synthese aus Kohlenmonoxid hat eine besondere Wichtigkeit, da das giftige Kohlenmonoxid, das eigentlich unerwünscht/unbrauchbar ist, sinnvoll genutzt werden kann, lediglich die Quelle des Wasserstoffs stellt bei dieser Synthese ein Problem dar.

$\mathrm{Al_4C_3 + 12\,H_2O \rightarrow 4\,Al(OH)_3 + 3\,CH_4}$

Aluminiumcarbid reagiert mit Wasser zu Aluminiumhydroxid und Methan, wenn es erhitzt wird.

$\mathrm{Al_{4}C_{3} + 12\,HCl \rightarrow 4\,Al^{3+} + 12\,Cl^{-} + 3\,CH_{4}}$

Aluminiumcarbid reagiert mit Salzsäure zu Aluminiumchlorid und Methan

$\mathrm{ CH_3-COONa + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + CH_4}$

Natriumacetat wird zusammen mit Natriumhydroxid erhitzt, es entsteht Natriumcarbonat und Methan.

$\mathrm{CO + 3\,H_2 \rightarrow CH_4 + H_2O\,|\, \Delta H=-206\,kJ/mol}$

Kohlenstoffmonooxid reagiert mit Wasserstoff zu Methan und Wasser

Heute wird auch viel Methan als Brennstoff in Biogasanlagen hergestellt. Auch durch Holzvergasung kann Methan gewonnen werden.

Umgang, Gefahren und Sicherheit

Zwischen einem Luftvolumenanteil von 5 bis 15 Prozent bildet es explosive Gemische. Durch unbemerktes Ausströmen von Erdgas kommt es immer wieder zu folgeschweren Gasexplosionen. Auch die gefürchteten Grubengasexplosionen in Kohlebergwerken (Schlagwetter) sind auf Methan-Luft-Gemische zurückzuführen. Methan ist brennbar, der Flammpunkt liegt bei -188 °C, die Zündtemperatur bei 600 °C. Methan ist hochentzündlich, Methanbehälter sollen an gut belüfteten Orten aufbewahrt werden, es sollte von Zündquellen ferngehalten werden und es sollten Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladung getroffen werden. Methan wird unter hohen Drücken und meist bei tiefen Temperaturen (um die Dichte zu erhöhen) aufbewahrt, in Gasflaschen bei 150 bar, in Tankerschiffen bei etwa -160 °C.

Methan wird bei tiefen Temperaturen flüssig gelagert, weil die Dichte dadurch enorm erhöht werden kann. Aus diesem Grund kann es beim Austritt dieses gekühlten Methans leicht zu Erfrierungen kommen. Methan ist ungiftig, die Aufnahme von Methan kann allerdings zu erhöhten Atem- (Hyperventilation) und Herzfrequenzen führen, es kann kurzzeitig zu niedrigem Blutdruck, Taubheit in den Extremitäten, Schläfrigkeit, mentaler Verwirrung und Gedächtnisverlust, alles hervorgerufen durch Sauerstoffmangel, führen. Methan führt aber nicht zu bleibenden Schäden. Wenn die Symptome auftreten, sollte das betroffene Areal verlassen und tief eingeatmet werden, sollten darauf die Symptome nicht verschwinden, sollte die betroffene Person in ein Krankenhaus gebracht werden.

Verwendung

Heute wird die bakterielle Zersetzung organischer Verbindungen zunehmend wirtschaftlich genutzt, indem man aus Mist und Gülle, Klärschlamm oder organischem Müll Biogas gewinnt. Bereits früher wurde Methan durch Pyrolyse von Holz gewonnen (Holzvergasung).

Das Biogas und die weiteren Methangasgemische werden zur Wärmegewinnung und Energiegewinnung genutzt. Holzgas diente in der Zeit um 1940 zum Betrieb von Automobilen.

Methan ist ein wichtiges Ausgangsprodukt für technische Synthesen zu Methanol, Ethin, Blausäure, Schwefelkohlenstoff und Methanhalogeniden.

Reaktionen

Reaktionen mit Sauerstoff

Mit Sauerstoff geht Methan unterschiedliche Reaktionen ein, je nachdem wie viel Sauerstoff für die Reaktion zur Verfügung steht. Nur bei genügend großem Sauerstoffangebot ist eine vollständige Verbrennung des Methans mit optimaler Energieausbeute möglich, da sonst unerwünschte Nebenprodukte wie Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoff (Ruß) entstehen und die Nutzenergie geringer ausfällt.

$\mathrm{ CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O }$

$\mathrm{ 2\,CH_4 + 3\,O_2 \rightarrow 2\,CO + 4\,H_2O }$
$\mathrm{CH_4 + O_2 \rightarrow C + 2\,H_2O }$

Weitere Reaktionen

Methan geht außer mit Sauerstoff noch vielfältige weitere Reaktionen ein. Viele davon sind sehr wichtig für die chemische Industrie, da die Entstehungsprodukte von großer technischer Bedeutung sind.

$\mathrm{ CH_4 + 4\,S \rightarrow CS_2 + 2\,H_2S}$

Methan reagiert mit Schwefel bei 700 °C und unter Aluminiumoxid katalysator zu Kohlenstoffsulfid und Schwefelwasserstoff.

$\mathrm{ 2\,CH_4 + 2\,NH_3 + 3\,O_2 \rightarrow 2\,HCN + 6\,H_2O}$

Methan reagiert mit Ammoniak und Sauerstoff an einem Platinkatalysator zu Blausäure und Wasser.

$\mathrm{CH_4 + 2\,Cl_2 \rightarrow CH_2Cl_2 + 2\,HCl}$

Methan reagiert mit Halogenen zu Methanhalogeniden und Halogenwasserstoffen. Hier am Beispiel von Chlor.

$\mathrm{ 2\,CH_4 \rightarrow C_2H_2 + 3\,H_2 }$

Methan reagiert bei 1400 °C und Wasserdampf zu Ethin und Wasserstoff.

$\mathrm{ CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3\,H_2\,|\,\Delta H= +206\,kJ/mol }$

Methan reagiert mit Wasser zu Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff.

Biologie, Geologie und Klimatologie

Wasser Reisfeld Indien.jpg Methan ist ein wichtiges Treibhausgas. Das Erwärmungspotential von Methan ist 23-mal höher als das von Kohlendioxid. Die zunehmende Rindtierhaltung und der häufige Reisanbau führt zu einer Verstärkung des Treibhauseffektes.

Die Methanbildner sind für die ständige Neubildung von Methan hauptverantwortlich. Eine Kuh stößt täglich etwa 150-250 l Methan aus, weil im Rindermagen Methanbildner bei der Zersetzung von Cellulose helfen. Neue Erkenntnisse zeigen, dass Pflanzen ständig Methan produzieren und so ganz natürlich zum Treibhaus-Effekt beitragen ^*.

Methan war neben Ammoniak und Wasserdampf ein wichtiger Bestandteil der Uratmosphäre. Hierbei soll es nach Stanley Miller eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Erdatmosphäre gespielt haben. In einem Versuch setzte er diese Gase eine Woche lang elektrischen Entladungen aus, wobei zahlreiche organische Verbindungen, unter anderem Aminosäuren, entstanden. Es existieren allerdings auch alternative Theorien.

Literatur

Bücher

Reichelt Pfeifer: H₂O & Co Organische Chemie. Oldenburg, München 2003, ISBN 3-486-16032-X (Extrakapitel über Methan und Informationen auch zu den anderen Alkanen)
Christian Felske: Minimierung von Restgasemissionen aus Siedlungsabfalldeponien durch Methanoxidation in Deponieabdeckschichten, ISBN 3-8322-2168-9
Christiane Werth: Zur Methanaktivierung in Salzschmelzen, ISBN 3-8322-2597-8

Weblinks

Siehe auch

Chemische Verbindung | Alkan | Gas | Klimatologie

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