Methan (auch Sumpfgas und Methylwasserstoff) ist der einfachste Kohlenwasserstoff und das einfachste Alkan. Die chemische Formel lautet CH4, es ist bei Zimmertemperatur ein farbloses und geruchloses Gas. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und Biogas. Nach dem Kohlendioxid ist es das bedeutendste Treibhausgas. 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.
Das Methanmolekül
Das Methanmolekül hat einen tetraedischen Aufbau, die Wasserstoffatome stehen hierbei in einem Winkel von 109,5 °. Der Aufbau ist dem aller Alkane gleich: die Länge der C-H-Bindung beträgt 109 pm, das Kohlenstoffatom ist sp³-hybridisiert, das Methanmolekül ist gesättig und es handelt sich um eine kovalente Bindung.
Vorkommen und Entstehung
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 Trillionen Tonnen Methanhydrat. Für deren Bergung gibt es aber noch kein Mittel. Eine Bergung des Methanhydrats könnte zur Lösung des Energieproblemes beitragen, ein besonderes Problem liegt zum Beispiel dabei, dass bei der Bergung viel Methan in die Atmosphäre entgleiten würde.
Methan ist Hauptbestandteil des Erdgases. Auch das in Steinkohlelagern eingeschlossene Grubengas enthält hauptsächlich Methan.
Weltweit werden schatzungsweise 500 Millionen Tonnen Methan emitiert, ca. 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 ca. 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 (ca. 60 %) und Kohlendioxid (ca. 35 %), daneben enthält es noch Wasserstoff, Stickstoff und Schwefelwasserstoff. Die Entstehung des Methans erfolgt nach folgender Reaktionsgleichung in tieferen Erdschichten mit hohen Temperaturen und Drücken, diese Methanquellen werden meist bei vulkanischen Aktivitäten freigesetzt, oder bei Stoffwechselvorgängen der Methanbildner:
- Traubenzucker reagiert zu Methan und Kohlendioxid.
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 vulkanisches Ursprungs sein, es wurden aber bis jetzt keine Hinweise auf einen vulkanischen Ursprung gefunden. Auch in den Atmosphären des Titans, des Jupiters, des Saturns, des Uranus, des Plutos und des Neptuns gibt es Methanvorkommen.
Herstellung
Für die Herstellung aus Aluminiumcarbid gibt es zwei Methoden, sie werden allerdings meist nur in Laboren eingesetzt. Die Synthese aus Kohlenmonoxid hat eine besondere Wichtigkeit, da das giftige Kohlenmonoxid, dass eigentlich unerwünscht/unbrauchbar ist, sinnvoll genutzt werden kann, jediglich die Quelle des Wasserstoff stellt bei dieser Synthese ein Problem dar.
- Aluminiumcarbid reagiert mit Wasser zu Aluminiumhydroxid und Methan
- Aluminiumcarbid reagiert mit Salzsäure zu Aluminumchlorid und Methan
- Natriumacetat wird zusammen mit Natriumhydroxid erhitzt, es entsteht Natriumcarbonat und Methan.
- Kohlenmonoxid reagiert mit Wasserstoff zu Methan und Wasser
Eigenschaften von Methan
| Physikalische Eigenschaften | |
|---|---|
| Tripelpunkt | 90,67 K (-182,48 °C)
0,117 bar |
| Kritischer Punkt | 190,6 K (-82,6 °C)
46 bar |
| Standardbildungsenthalpie | -74,87 kJ/mol |
| Standardentropie | 188 J/mol·K |
| Wärmekapazität | 35,69 J/mol·K |
| Dampfdruck | 1470 hPa bei 21°C |
Methan ist ein farb- und geruchloses Gas, dessen Dichte (0,422 g/cm³ bei 20 °C) kleiner ist als die von Luft, es steigt also in die Atmosphäre auf. Es ist brennbar und verbrennt mit blaülicher, nicht rußender Flamme, unterhält die Verbrennung aber nicht. Das Molgewicht liegt bei 16,04 g/mol. Methan schmilzt bei -182,6 °C und siedet bei -161,7 °C. In Wasser ist Methan mit 3,5 ml/100 ml gering löslich, in Ethanol und Diethylether ist Methan jeddoch löslich. Schmelzwärme und Verdampfungswärme sind mit 1,1 kJ/mol und 8,17 kJ/mol für ein Gas relativ hoch im Vergleich mit 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.
Mit Methan verwandte Stoffe sind Methanol und die Methyl-Gruppe, die entsteht wenn dem Methanmolekül ein Wasserstoffatom entzogen wird.
Umgang, Gefahren und Sicherheit
Mit Sauerstoff bildet Methan hochexplosive Gemische, ab einem Methananteil von 5-15 % explodieren Methan-Luft-Gemische von selbst. Durch unbemerktes Ausströmen von Erdgas kommt es immer wieder zu folgeschweren Gasexplosionen. Auch die gefürchteten Grubengasexplosionen in Kohlebergwerken (schlagendes Wetter) 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 (R- und S-Sätze:12 | 9-16-33). Die CAS-Nummer des Methans lautet 74-82-8. Methan wird unter hohen Drücken und meist unter tiefen Temperaturen (um die Dichte zu verringern) aufbewahrt, in Gasflaschen bei 150 bar, in Tankerschiffen bei ca. -160 °C.
Weil Methan meist bei tiefen Temperaturen flüssig gelagert wird, kann es bei austretendem Methan zu Erfrierungen kommen. Methan ist ungiftig, die Aufnahme von Methan kann 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 Symptone auftreten, sollte das betroffene Areal verlassen werden 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.
Das Biogas und die weiteren Methangasgemische werden zur Wärmegewinnung und zur Energiegewinnung genutzt.
Methan ist ein wichtiges Ausgangsprodukt für technisches Synthesen zu Methanol, Ethin, Blausäure, Kohlensulfid und Methanhalogeniden.
Reaktionen
Reaktionen mit Sauerstoff
Mit Sauerstoff geht Methan mehrere Reaktionen ein, je nachdem wieviel Sauerstoff vorhanden ist, eine vollständige Verbrennung ist bei der Verbrennung des Methans wichtig, da sonst unerwünschte Nebenprodukte wie Kohlenmonoxid und Kohlenstoff (Ruß) entstehen und die Energie ausbeute niedriger wird.
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 Bedeutng sind.
- Methan reagiert mit Schwefel bei 700 °C und unter Aluminiumoxidkatalysator zu Kohlenstoffsulfid und Schwefelwasserstoff.
- Methan reagiert mit Ammoniak und Sauerstoff mit Hilfe eines Platinkatalysators zu Blausäure und Wasser
- Methan reagiert mit Halogenen zu Methanhalogeniden und Chlorwasserstoff.
- Methan reagiert bei 1400 °C und Wasserdampf zu Ethin und Wasserstoff.
- Methan reagiert mit Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff.
Biologie, Geologie und Klimatalogie
Methan ist ein wichtiges Treibhausgas, da es mit Ozon in Reaktion in Reaktion tritt und so zum Abbau der wichtigen Ozonschicht beiträgt. Das Erwärmungspotential von Methan ist 32mal höher als das des Kohlendioxids, Lachgas hat aber noch ein wesentlich höheres Erwärmungspotential. Die zunehmende Rindertierhaltung und der häufige Reisanbau führt zu einer Verstärkung des Treibhauseffektes.
Die Methanbildner sind für die ständige Neubildung von Methan haupverantwortlicht. Eine Kuh stößt täglich etwa 150-250 l Methan aus, weil im Rindermagen Methanbildner bei der Zersetzung von Celluose helfen.
Methan war neben Ammoniak und Wasserdampf ein wichtiger Bestandteil der Uratmosphäre. Hierbei soll es nach Stanley Millers Versuch, bei denen er diese Gase ein Woche lang elektrische Entladungen aussetzte und es zahlreiche organische Verbindungen entstanden darunter auch Aminosäuren, wichtige Bedeutung bei der Entstehung der Erdatmosphäre gespielt haben. Es gibt allerdings auch alternative Theorien.
Literatur
- Pfeifer Reichelt: H2O & Co Organische Chemie. Oldenburg, München 2003, ISBN 3-486-16032-X (Extrakapitel über Methan und Informationen auch zu den anderen Alkanen)
- Felske, Christian: Minimierung von Restgasemissionen aus Siedlungsabfalldeponien durch Methanoxidation in Deponieabdeckschichten, ISBN 3-8322-2168-9
- Werth, Christiane: Zur Methanaktivierung in Salzschmelzen, ISBN 3-8322-2597-8
Weblinks
- Methan in der Atmosphäre des Mars
- Eigenschaften, Herstellung und Vorkommen
- Entstehung, Vorkommen und klimatische Bedeutung
- Englischsprachige Sicherheitsinformationen
Siehe auch: Alkane, Methanhydrat, Methansäure
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SI-Einheiten wurden wo möglich verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, wurden Normbedingungen benutzt. |
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