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| Strukturformel | |||||||||||||||||||
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| Keile zur Verdeutlichung der rÀumlichen Struktur | |||||||||||||||||||
| Allgemeines | |||||||||||||||||||
| Name | Methan | ||||||||||||||||||
| Andere Namen |
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| Summenformel | CH4 | ||||||||||||||||||
| CAS-Nummer | 74-82-8 | ||||||||||||||||||
| PubChem | 297 | ||||||||||||||||||
| Kurzbeschreibung |
farb- und geruchsloses Gas[1] | ||||||||||||||||||
| Eigenschaften | |||||||||||||||||||
| Molare Masse | 16,04 g·molâ1 | ||||||||||||||||||
| Aggregatzustand |
gasförmig | ||||||||||||||||||
| Dichte | |||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | |||||||||||||||||||
| Siedepunkt |
â162 °C[1] | ||||||||||||||||||
| Löslichkeit |
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| Sicherheitshinweise | |||||||||||||||||||
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| GWP |
25 (bezogen auf 100 Jahre)[4] | ||||||||||||||||||
| Thermodynamische Eigenschaften | |||||||||||||||||||
| ΔHf0 |
â74,87 kJ·molâ1[5] | ||||||||||||||||||
| Soweit möglich und gebrÀuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. | |||||||||||||||||||
Methan ist eine chemische Verbindung aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe und das einfachste Alkan. Das farb- und geruchlose, brennbare Gas kommt in der Natur vor und ist als Hauptbestandteil von Erdgas und in der chemischen Industrie als Heizgas und Ausgangsprodukt fĂŒr technische Synthesen von groĂer Bedeutung.
Inhaltsverzeichnis |
Methan schmilzt bei â182,6 °C und siedet bei â161,7 °C. Aufgrund der unpolaren Eigenschaften ist es in Wasser kaum löslich, in Ethanol und Diethylether löst es sich jedoch gut. SchmelzwĂ€rme und VerdampfungswĂ€rme sind mit 1,1 kJ/mol und 8,17 kJ/mol fĂŒr ein Gas relativ hoch, im Vergleich zu Metallen sind dies aber sehr geringe Werte. Der Heizwert Hi liegt bei 35,89 MJ·mâ3. Die Standardentropie betrĂ€gt 188 J·molâ1·Kâ1, die WĂ€rmekapazitĂ€t 35,69 J·molâ1·Kâ1. Bei 90,67 K und 0,117 bar weist Methan einen Tripelpunkt auf, bei 190,56 K und 45,96 bar einen kritischen Punkt.
Das farb- und geruchlose Gas hat eine geringere Dichte als Luft, es steigt also in die höheren Schichten der ErdatmosphÀre auf. Dort wirkt es als Treibhausgas, wobei es 20- bis 30-mal wirkungsvoller ist als Kohlenstoffdioxid, allerdings kommt es in viel geringeren Mengen als dieses in der AtmosphÀre vor. Es reagiert dort mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Dieser Prozess ist allerdings langsam, die Halbwertszeit wird auf 14 Jahre geschÀtzt.
Die UN-Nummern von verdichtetem und tiefgekĂŒhltem Methan sind 1971 bzw. 1972.
Methan ist das einfachste Alkan und der einfachste Kohlenwasserstoff, die Summenformel lautet CH4, die CâH-Bindungen weisen in die Ecken eines Tetraeders. Es ist brennbar und verbrennt an der Luft mit blĂ€ulicher, nicht ruĂender Flamme. Es kann explosionsartig mit Sauerstoff oder Chlor reagieren, wozu allerdings eine InitialzĂŒndung (Zufuhr von Aktivierungsenergie) oder Katalyse erforderlich ist. Bei der Chlorierung entstehen Chlormethan, Dichlormethan, Chloroform und Tetrachlormethan. Bei der Oxidation dagegen wird das MolekĂŒl komplett auseinandergerissen. Aus der Reaktion eines MethanmolekĂŒls mit zwei SauerstoffmolekĂŒlen entstehen zwei Wasser- und ein KohlenstoffdioxidmolekĂŒl. Vom Methan leiten sich Methylverbindungen wie z. B. Methanol und die Methylhalogenide sowie die lĂ€ngerkettigen Alkane ab.
| Planet | Anteil |
|---|---|
| Erde | 1,75 ppm |
| Mars | 10,5 ppb |
| Jupiter | 3000 ± 1000 ppm |
| Saturn | 4500 ± 2000 ppm |
| Neptun | 1,5 % ± 0,5 % |
Methan kommt vielfÀltig vor und wird auf der Erde stÀndig neu gebildet, so z.B. bei biologischen und geologischen Prozessen (Serpentinisierung[6][7]). Auf der Erde werden schÀtzungsweise jÀhrlich 600 Millionen Tonnen Methan emittiert.[8] Auch auf vielen anderen Planeten gibt es Methanvorkommen.
Auf der Erde entsteht Methan oberflÀchennah auf biogenem Weg (Methanogenese) durch mikrobielle Fermentation und CO2-Reduktion. Auf abiogenem Weg kann es thermal im Rahmen des Reifeprozesses von Kohle (geochemische Phase der Inkohlung), sowie aus allen Typen von Kerogenen und Erdöl entstehen.[9]
Methan entsteht im tieferen Untergrund unterhalb der OberflĂ€che der Erde bei hohen Temperaturen und DrĂŒcken und wird meist bei vulkanischen AktivitĂ€ten frei. Es ist Hauptbestandteil des Erdgases (85â98%), das vor allem als Begleiter von Erdöl vorkommt. Auch das in Steinkohlelagern eingeschlossene Grubengas enthĂ€lt hauptsĂ€chlich Methan.
Methan, das am Meeresgrund austritt, wird durch den hohen Druck und die tiefe Temperatur zu festem Methanhydrat, auch als âMethaneisâ bezeichnet, umgewandelt. Der Kohlenstoffgehalt in den weltweiten Methanhydratvorkommen wird auf 500â3000 Gt geschĂ€tzt.[10][11] Zum Vergleich: Der Kohlenstoffgehalt der nachgewiesenen Kohlereserven betrĂ€gt etwa 900 Gt.[12] Eine Gewinnung des Methanhydrats könnte zur Lösung des Energieproblemes beitragen, ist jedoch problematisch. Ein besonderes Problem besteht zum Beispiel darin, dass bei der Bergung viel Methan in die ErdatmosphĂ€re gelangen wĂŒrde und dort als starkes Treibhausgas zu einer weiteren ErwĂ€rmung und damit weiterer Freisetzung von Methan beitragen wĂŒrde. AuĂerdem ist die Förderung von Methanhydrat nicht ungefĂ€hrlich. Erste Förderungsversuche sind bereits im Gange. Die Folgen eines Raubbaus sind weitgehend ungeklĂ€rt â Forscher befĂŒrchten das Abrutschen der KontinentalabhĂ€nge, welche zu groĂen Teilen aus Methaneis (welches durch die Förderung instabil werden könnte) bestehen. Wegen der KlimaerwĂ€rmung und der damit verbundenen MeerwassererwĂ€rmung befĂŒrchten einige Forscher das Schmelzen und Verdampfen des Methanhydrats. Dies wĂŒrde zusĂ€tzlich Methan als Treibhausgas in die ErdatmosphĂ€re bringen und den anthropogenen Treibhauseffekt verstĂ€rken.
Ein groĂer Teil des Methans wird durch Mikroorganismen gebildet: Beim Faulen organischer Stoffe unter Luftabschluss in SĂŒmpfen oder am Grund stark verschmutzter GewĂ€sser bildet sich Sumpfgas, ein Gemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid. Auch Biogas besteht ĂŒberwiegend aus Methan (etwa 60 %) und Kohlenstoffdioxid (etwa 35 %), daneben enthĂ€lt es noch Wasserstoff, Stickstoff und Schwefelwasserstoff.
Die biologische Bildung von Methan wird durch spezielle Vertreter der Archaeen, den Methanogenen, verursacht. Sie nutzen einfache organische Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid oder Methanol und reduzieren diese zu Methan, um Energie zu gewinnen. Dieser Prozess wird Methanogenese genannt. Beispielsweise werden bei der Bildung von Methan aus CO2 und Wasserstoff (H2) unter Standardbedingungen bei einem pH-Wert von 7 etwa 131 kJ/mol an Freier Energie (Gibbs-Energie, ÎG0â) freigesetzt:[13]
Etwa 70 % der mikrobiellen Methanemission der Erde ist auf AktivitĂ€ten der Menschen zurĂŒckzufĂŒhren. Durch landwirtschaftlichen Anbau und Tierhaltung wird Methan emittiert, 39 % dieser Emissionen gehen auf die Rinderhaltung zurĂŒck, 17 % auf den Nassreisanbau. In Deutschland wurden 1994 etwa 833.000 Tonnen Methan emittiert.
Die Methan-Konzentration in der AtmosphÀre hat sich vom Jahr 1750 bis zum Jahr 2000 von 0,8 auf 1,75 ppm erhöht (also mehr als verdoppelt: + 119 %).
In der AtmosphĂ€re des Mars wurde Methan nachgewiesen, allerdings nur etwa 10,5 ppb. Da es sich normalerweise nicht in der AtmosphĂ€re halten kann und es keine Hinweise auf Meteoriten als Quelle gibt, muss es auf dem Mars neu gebildet worden sein, was ein Indiz fĂŒr Leben sein kann. Allerdings könnte das Methan auch vulkanischen Ursprungs sein, wofĂŒr auf dem Mars noch keine Hinweise gefunden wurden; 2008 wurde jedoch nachgewiesen, dass das Methan aus den Lost-City-Hydrothermalquellen geochemischen Ursprungs ist.[6] Auch in den AtmosphĂ€ren von Titan, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und Pluto gibt es Methan. AuĂerhalb unseres Sonnensystems ist Methan als erstes organisches MolekĂŒl auf Planeten nachgewiesen worden.[14] Im Weltall ist Methan also in gröĂeren Mengen auf Planeten, Kometen sowie Monden vorhanden.
Das Wort Methan stammt vermutlich aus dem Altgriechischen. Die Griechen wussten wohl schon in der Antike von dem entzĂŒndlichen Gas. So gab es in Kleinasien Orte, an denen sich Methangas-Quellen entzĂŒndeten. Ein Vulkangebiet, in dem solche Gase vorkamen, bekam nach diesem Gas auch den Namen Methana.
Methan war schon den Alchemisten im Mittelalter als Bestandteil von FĂ€ulnisgasen, auch als Sumpfluft bezeichnet, bekannt.
Methan wurde 1667 von Thomas Shirley entdeckt. 1772 entdeckte Joseph Priestley, dass Methan bei FĂ€ulnisprozessen entsteht. 1856 stellte Marcellin Berthelot Methan zum ersten Mal aus Kohlenstoffdisulfid und Schwefelwasserstoff her.
In Àlteren Texten wurde Methan gelegentlich auch als Methylwasserstoff bezeichnet.
FĂŒr die Herstellung aus Aluminiumcarbid gibt es zwei Methoden, sie werden allerdings meist nur im Labor eingesetzt. Die Synthese aus Kohlenstoffmonoxid hat eine besondere Wichtigkeit, da das giftige Kohlenstoffmonoxid, das eigentlich unerwĂŒnscht/unbrauchbar ist, sinnvoll genutzt werden kann, lediglich die Quelle des Wasserstoffs stellt bei dieser Synthese ein Problem dar.
Heute wird auch viel Methan als Brennstoff in Biogasanlagen hergestellt. Auch durch Holzvergasung kann Methan gewonnen werden. Die Methanisierung nach vorhergehender Wasserelektrolyse ist das Grundprinzip zur Gewinnung von Wind- oder Solargas, dem im Bereich der regenerativen Energien eine zunehmende Bedeutung zugeschrieben wird.
Mit einem Volumenanteil zwischen 4,4 und 16,5 Prozent in der Luft bildet es explosive Gemische bzw. gefĂ€hrliche explosionsfĂ€hige AtmosphĂ€ren (geA). Durch unbemerktes Ausströmen von Erdgas kommt es immer wieder zu folgenschweren Gasexplosionen. Auch die gefĂŒrchteten Grubengasexplosionen in Kohlebergwerken (Schlagwetter) sind auf Methan-Luft-Gemische zurĂŒckzufĂŒhren. Methan ist hoch entzĂŒndlich, der Flammpunkt liegt bei â188 °C, die ZĂŒndtemperatur bei 600 °C. MethanbehĂ€lter sollen an gut belĂŒfteten Orten aufbewahrt werden, es sollte von ZĂŒndquellen ferngehalten werden und es sollten MaĂnahmen gegen elektrostatische Aufladung getroffen werden. Methan wird unter hohen DrĂŒcken und meist bei tiefen Temperaturen (um die Dichte zu erhöhen) aufbewahrt, in Gasflaschen bei 150 bar, in Tankerschiffen bei etwa â160 °C.
Methan wird bei tiefen Temperaturen flĂŒssig gelagert, weil die Dichte dadurch enorm erhöht werden kann. Aus diesem Grund kann es beim Austritt dieses gekĂŒhlten Methans leicht zu Erfrierungen kommen. Methan ist ungiftig, die Aufnahme von Methan kann allerdings zu erhöhten Atem- (Hyperventilation) und Herzfrequenzen fĂŒhren, es kann kurzzeitig zu niedrigem Blutdruck, Taubheit in den ExtremitĂ€ten, SchlĂ€frigkeit, mentaler Verwirrung und GedĂ€chtnisverlust, alles hervorgerufen durch Sauerstoffmangel, fĂŒhren. Methan fĂŒhrt aber nicht zu bleibenden SchĂ€den. Wenn die Symptome auftreten, sollte das betroffene Areal verlassen und tief eingeatmet werden, falls daraufhin die Symptome nicht verschwinden, sollte die betroffene Person in ein Krankenhaus gebracht werden.
Methan wird vorwiegend als Heizgas zur WĂ€rmeerzeugung und zum Betrieb von Motoren durch Verbrennung genutzt. Neben Methan aus anderen Quellen wird zu diesem Zweck Biogas mit einem Methangehalt von etwa 50 bis >70 % aus Mist, GĂŒlle, KlĂ€rschlamm oder organischem MĂŒll gewonnen. FrĂŒher wurde Methan durch Pyrolyse von Holz gewonnen (Holzvergasung). Holzgas diente im Zweiten Weltkrieg zum Betrieb von Automobilen.
Methan ist ein wichtiges Ausgangsprodukt fĂŒr technische Synthesen von Wasserstoff, Methanol, Ethin, BlausĂ€ure, Schwefelkohlenstoff und Methylhalogeniden. Es dient als Ausgangspunkt fĂŒr viele andere organische Verbindungen.
Mit Sauerstoff geht Methan unterschiedliche Reaktionen ein, je nachdem wie viel Sauerstoff fĂŒr die Reaktion zur VerfĂŒgung steht. Nur bei genĂŒgend groĂem Sauerstoffangebot ist eine vollstĂ€ndige Verbrennung des Methans mit optimaler Energieausbeute möglich.[15]
Bei ungenĂŒgender Sauerstoffzufuhr hingegen entstehen unerwĂŒnschte Nebenprodukte wie Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoff (RuĂ). Ferner ist in diesem Fall die Nutzenergie geringer.
Methan geht auĂer mit Sauerstoff noch vielfĂ€ltige weitere Reaktionen ein. Viele davon sind sehr wichtig fĂŒr die chemische Industrie, da die Entstehungsprodukte von groĂer technischer Bedeutung sind.
Methan ist ein wichtiges Treibhausgas. Das Treibhauspotenzial von 1 kg Methan ist, auf einen Zeitraum von 100 Jahren betrachtet, 25 mal höher als das von 1 kg Kohlenstoffdioxid.[4] Nach einer neueren Untersuchung betrĂ€gt dieser Faktor sogar 33, wenn Wechselwirkungen mit atmosphĂ€rischen Aerosolen berĂŒcksichtigt werden.[17]
Die zunehmende Haltung von Rindern, der hĂ€ufige Nassreisanbau und Emissionen von Deponiegas fĂŒhren zu einer VerstĂ€rkung des Treibhauseffektes. Die archaeellen Methanbildner sind fĂŒr die stĂ€ndige Neubildung von Methan hauptverantwortlich. Ein Hausrind stöĂt tĂ€glich etwa 150â250 l Methan aus, weil im Rindermagen archaeelle Methanbildner an der Zersetzung von Zellulose beteiligt sind. Neue Erkenntnisse zeigen, dass Pflanzen stĂ€ndig Methan produzieren und so schon immer zum Methan-Gehalt der AtmosphĂ€re beitragen.[18] Die FAO schreibt dem Viehwirtschaftssektor ein knappes FĂŒnftel der anthropogenen Treibhausgasemissionen zu, etwas mehr als dem Transportsektor.[19] Inwiefern Knoblauchextrakte im Futter zu geringeren AusstöĂen fĂŒhren können, wird untersucht.[20]
Methan wird durch bestimmte Bakterien in GewÀssern und Böden mit Sauerstoff (O2) zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert. Diese Umsetzung ist exergon und die Bakterien nutzen sie als Energiequelle.
Man nimmt an, dass Methan neben Ammoniak und Wasserdampf als ein Hauptbestandteil einer UratmosphÀre vorkam.
In einer sauerstoffhaltigen AtmosphĂ€re wird Methan langsam, insbesondere durch Hydroxyl-Radikale, oxidiert. Ein einmal in die AtmosphĂ€re gelangtes Methan-MolekĂŒl hat dort eine durchschnittliche Verweilzeit von zwölf Jahren.[4]
Auf dem Saturnmond Titan herrscht bei â180 °C und ca. 1,6 Bar AtmosphĂ€rendruck fast der Tripelpunkt des Methans. Methan kann deshalb auf diesem Mond in allen drei AggregatzustĂ€nden auftreten. Es gibt Wolken aus Methan, aus denen Methan regnet, das dann durch FlĂŒsse in Methanseen flieĂt, dort wieder verdunstet und so einen geschlossenen Methankreislauf bildet (analog zum Wasserkreislauf auf der Erde).
FĂŒr den Ontario Lacus, einen See nahe dem SĂŒdpol des Titan, wurde jedoch als Hauptbestandteil das schwerere Ethan nachgewiesen.
Im MĂ€rz 2008 wurde Methangas erstmals auch auf einem Planeten auĂerhalb unseres Sonnensystems gefunden (Exoplanet HD 189733b vom Typ der Hot Jupiters).
2009 wurde ĂŒber Methaneruptionen auf dem Mars berichtet (Michael J. Mumma et al.: Strong Release of Methane on Mars in Northern Summer 2003, Science January 15, 2009).