Methan
| Strukturformel | ||||||||||||||||
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Keile zur Verdeutlichung der räumlichen Struktur | ||||||||||||||||
| Allgemeines | ||||||||||||||||
| Name | Methan | |||||||||||||||
| Andere Namen |
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Summenformel | CH4 | |||||||||||||||
| Kurzbeschreibung | farb- und geruchsloses Gas[1] | |||||||||||||||
| Externe Identifikatoren/Datenbanken | ||||||||||||||||
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| Eigenschaften | ||||||||||||||||
Molare Masse | 16,04 g·mol−1 | |||||||||||||||
Aggregatzustand | gasförmig | |||||||||||||||
Dichte |
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Schmelzpunkt | −182 °C[1] | |||||||||||||||
Siedepunkt | −162 °C[1] | |||||||||||||||
pKs-Wert | 48[2] | |||||||||||||||
Löslichkeit |
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Dipolmoment | 0[4] | |||||||||||||||
Brechungsindex | 1,000444 (0 °C, 101,325 kPa)[5] | |||||||||||||||
| Sicherheitshinweise | ||||||||||||||||
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MAK | Schweiz: 10000 ml·m−3 bzw. 6700 mg·m−3[7] | |||||||||||||||
Treibhauspotential | 28 (bezogen auf 100 Jahre)[8] | |||||||||||||||
| Thermodynamische Eigenschaften | ||||||||||||||||
ΔHf0 | −74,87 kJ·mol−1[9] | |||||||||||||||
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C | ||||||||||||||||
Methan ist eine chemische Verbindung aus der Gruppe der Alkane mit der Summenformel CH4. Das farb- und geruchlose, brennbare Gas kommt in der Natur vor und ist der Hauptbestandteil von Erdgas. Es dient als Heizgas und ist in der chemischen Industrie als Ausgangsprodukt für technische Synthesen von großer Bedeutung.
Als Treibhausgas hat Methan ein hohes Treibhauspotential und trägt zur globalen Erwärmung bei. In der Erdatmosphäre wird es zu Kohlenstoffmonoxid und schließlich zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Die Kohlendioxidemissionen bei Verbrennung betragen 2,7 kg CO2/kg Methan.
Die Verbrennung erfolgt mit bläulich-heller Flamme in Gegenwart von ausreichend Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Methan ist in Wasser unlöslich und bildet mit Luft explosive Gemische. Da es in Lagerstätten in großen Mengen vorkommt, ist es eine attraktive Energiequelle. Der Transport erfolgt durch Pipelines oder als tiefgekühlte Flüssigkeit mittels Tankschiffen. Daneben gibt es als Methanhydrat gebundene Vorkommen am Meeresboden, wobei der genaue Vorrat unbekannt ist. Weiterhin entsteht das Gas in beträchtlichen Mengen durch biologische Prozesse, etwa bei der Viehhaltung.
Inhaltsverzeichnis
1 Entdeckung und Namensherkunft
2 Vorkommen und Entstehung
2.1 Irdisch
2.1.1 Oberflächennah
2.1.2 Unterirdisch
2.1.3 Emission
2.2 Außerirdisch
2.2.1 Mars
2.2.2 Titan
2.2.3 Außerhalb des Sonnensystems
3 Gewinnung und Darstellung
4 Eigenschaften
4.1 Physikalische Eigenschaften
4.2 Chemische Eigenschaften
4.2.1 Reaktionen mit Sauerstoff
4.2.2 Weitere Reaktionen
5 Verwendung
6 Sonstige Bedeutung
6.1 Explosionsgefahr
6.2 Treibhausgas
6.3 Biologische Bedeutung
7 Toxikologie
8 Nachweis
9 Literatur
9.1 Bücher
9.2 Zeitschriftenartikel
10 Weblinks
11 Einzelnachweise
Entdeckung und Namensherkunft |
Das Wort Methan stammt vermutlich aus dem Altgriechischen. Die Griechen wussten wohl schon in der Antike von dem entzündlichen Gas. So gab es in Kleinasien Orte, an denen sich Methangas-Quellen entzündeten. 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 Fäulnisgasen, auch als Sumpfluft bezeichnet, bekannt.
Wissenschaftlich wurde Methan 1667 von Thomas Shirley entdeckt. 1772 entdeckte Joseph Priestley, dass Methan bei Fäulnisprozessen entsteht. 1856 stellte Marcellin Berthelot Methan zum ersten Mal aus Kohlenstoffdisulfid und Schwefelwasserstoff her.
In älteren Texten wurde Methan gelegentlich auch als Methylwasserstoff bezeichnet.
Vorkommen und Entstehung |
| Planet | Anteil |
|---|---|
| Erde | 1,75 ppm |
| Mars | 0,0105 ppm |
| Jupiter | 3000 ± 1000 ppm |
| Saturn | 4500 ± 2000 ppm |
| Neptun | 1500 ± 500 ppm |
Irdisch |
Atmosphärische Methanverteilung im August 2005
Man nimmt an, dass neben Ammoniak und Wasserdampf Methan ein Hauptbestandteil der irdischen Uratmosphäre war.
Methan kommt vielfältig vor und wird auf der Erde ständig neu gebildet, z. B. bei biologischen und geologischen Prozessen (Serpentinisierung).[10][11] Die Methan-Konzentration in der Erd-Atmosphäre hat sich vom Jahr 1750 bis zum Jahr 2000 von 0,8 auf 1,75 ppm mehr als verdoppelt.
Oberflächennah |
Ein großer Teil des terrestrischen Methans wird durch Mikroorganismen gebildet: Beim Faulen organischer Stoffe unter Luftabschluss in Sümpfen oder im Sediment auf dem Grund von Gewässern bildet sich Sumpfgas, ein Gemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid. Auch Biogas besteht überwiegend aus Methan (etwa 60 %) und Kohlenstoffdioxid (etwa 35 %), daneben enthält es noch Wasserstoff, Stickstoff und Schwefelwasserstoff.
Die Bildung erfolgt oberflächennah biotisch: einerseits anaerob im Zuge der Methanogenese (aus Kohlenstoffdioxid und zum größten Teil Acetat). Dies wird durch spezielle Archaeen verursacht, den Methanogenen. Sie nutzen einfache organische Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid oder Methanol und reduzieren diese zu Methan, wobei sie Energie 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 sieben etwa 131 kJ/mol an Freier Enthalpie (Gibbs-Energie, ΔG0’) freigesetzt:[12]
- CO2+4 H2→CH4+2 H2O{displaystyle mathrm {CO_{2}+4 H_{2}rightarrow CH_{4}+2 H_{2}O} }
- Aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff wird Methan und Wasser
Übersicht über die anaerobe Verwertung von polymeren Substraten und Lipiden
Ein kleiner Teil der biotischen Entstehung basiert auf der aeroben Spaltung von Methylphosphonaten.[13][14]
Unterirdisch |
Unterhalb der Oberfläche der Erde entsteht Methan im tieferen Untergrund bei hohen Temperaturen und Drücken und wird meist bei vulkanischen Aktivitäten frei. Es ist Hauptbestandteil des Erdgases (85–98 %), das vor allem als Begleiter von Erdöl vorkommt. Auch das in Steinkohlelagern eingeschlossene Grubengas enthält hauptsächlich Methan. Es kann abiotisch thermal im Rahmen des Reifeprozesses von Kohle (geochemische Phase der Inkohlung), sowie aus allen Typen von Kerogenen und Erdöl entstehen.[15]
Methan, das am Meeresgrund austritt, wird durch den hohen Druck und die niedrige Temperatur zu festem Methanhydrat umgewandelt. Dies wird auch als „Methaneis“ bezeichnet. Der Kohlenstoffgehalt der weltweiten Methanhydratvorkommen wird auf 500–3000 Gigatonnen geschätzt.[16][17] Zum Vergleich: Der Kohlenstoffgehalt der nachgewiesenen Kohlereserven beträgt etwa 900 Gt.[18]
Eine Gewinnung des Methanhydrats könnte zur Lösung irdischer Energieproblems beitragen, ist jedoch problematisch. Ein besonderes Problem besteht zum Beispiel darin, dass bei der Bergung viel Methan in die Erdatmosphäre gelangen würde und dort als sehr wirksames Treibhausgas zu einer weiteren Erwärmung und damit weiterer Freisetzung von Methan beitragen würde. Außerdem ist die Förderung von Methanhydrat nicht ungefährlich. Erste Förderungsversuche sind bereits im Gange. Die Folgen eines Raubbaus sind weitgehend ungeklärt, Forscher befürchten das Abrutschen der Kontinentalabhänge, welche zu großen Teilen aus Methaneis (welches durch die Förderung instabil werden könnte) bestehen. Wegen der Klimaerwärmung und der damit verbundenen Meerwassererwärmung befürchten einige Forscher das Schmelzen und Verdampfen des Methanhydrats. Dies würde zusätzlich Methan als Treibhausgas in die Erdatmosphäre bringen und den anthropogenen Treibhauseffekt verstärken. Die Freisetzung von Methan aus tauenden Permafrostböden ist ein weiteres Kippelement des Klimawandels.[19][20]
Emission |
Methan-Konzentration in der Erdatmosphäre seit 800.000 vor unserer Zeit
Jährlich werden auf der Erde etwa 600 Millionen Tonnen Methan emittiert;[21] in Deutschland 1994 etwa 833.000 Tonnen. Etwa 70 % der mikrobiellen Methanemission der Erde ist auf Aktivitäten der Menschen zurückzuführen. Beim landwirtschaftlichen Anbau und bei der Tierhaltung wird Methan abgesondert, 39 % dieser Emissionen gehen auf die Rinderhaltung zurück, 17 % auf den Nassreisanbau. Die atmosphärische Verweildauer ist im Vergleich zu anderen Treibhausgasen sehr kurz und beträgt 9–15 Jahre.
Die zunehmende Haltung von Rindern, der häufige Nassreisanbau und Emissionen von z. B. Deponiegasen führen zu einer Verstärkung des Treibhauseffektes. Die archaeellen Methanbildner sind für die ständige Neubildung von Methan hauptverantwortlich. Ein Hausrind z. B. stößt täglich etwa 150–250 l Methan aus, weil im Rindermagen Methanogene an der Zersetzung von Cellulose beteiligt sind.
Neue Erkenntnisse zeigen, dass Pflanzen ständig Methan produzieren und so schon immer zum Methan-Gehalt der Atmosphäre beitragen.[22] Die FAO schreibt dem Viehwirtschaftssektor ein knappes Fünftel der anthropogenen (vom Menschen verursachten) Treibhausgasemissionen zu, etwas mehr als dem Transportsektor.[23] Die Senkung der Methanemission von Kühen durch Futterzusätze wird in verschiedenen Projekten erforscht.[24][25][26]
Anfang 2014 berichtete das Forschungsmagazin Science nach einer Meta-Studie über 200 Studien, dass die US-amerikanische Umweltschutzbehörde Environmental Protection Agency (EPA) den Methangas-Ausstoß in den USA seit 20 Jahren um ein bis drei Viertel zu gering angegeben habe. In den USA wurden jährlich 40 Mio. Tonnen mehr in die Atmosphäre emittiert als bisher offiziell angenommen, sowohl aus natürlichen Quellen wie auch aus der Viehhaltung von beispielsweise 88 Mio. Rindern im Land sowie aus Lecks in Förderanlagen und Pipelines. Unklar ist bislang, wieweit die fehlerhaften Angaben Einfluss auf die Rechenmodelle zur Entwicklung des Weltklimas haben.[27] In der Gegend um Four Corners wurde durch Satellitendaten eine gewaltige Methanemission aus nahe gelegenen Kohleabbaustätten detektiert. Mit geschätzten 600.000 Tonnen pro Jahr sind die Emissionen größer als die der gesamten britischen Öl-, Gas- und Kohleindustrie.[28]
Außerirdisch |
Radarbild: Methanseen in der Nähe des Titannordpols
Auch die Atmosphären von Titan, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun und Pluto enthalten Methan. Außerhalb unseres Sonnensystems ist Methan als erstes organisches Molekül auf Planeten nachgewiesen worden.[29] Im Weltall ist Methan also in größeren Mengen auf Planeten, Kometen sowie Monden vorhanden.
Mars |
2009 wurde über Methaneruptionen auf dem Mars berichtet;[30] in der Atmosphäre des Mars wurde Methan nachgewiesen, 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 Planeten neu gebildet worden sein, was ein Indiz für Leben auf dem Mars sein kann. Das Methan könnte auch vulkanischen Ursprungs sein, wofür auf dem Mars noch keine Hinweise gefunden wurden; 2008 wurde jedoch nachgewiesen, dass das Methan aus den Lost-City-Hydrothermalquellen geochemischen Ursprungs ist.[10]
Titan |
Auf dem Saturnmond Titan herrscht bei −180 °C und etwa 1,6 Bar Atmosphärendruck fast der Tripelpunkt des Methans. Methan kann deshalb auf diesem Mond in allen drei Aggregatzuständen auftreten. Es gibt Wolken aus Methan, aus denen Methan regnet, das dann durch Flüsse in Methanseen fließt, dort wieder verdunstet und so einen geschlossenen Methankreislauf bildet (analog zum Wasserkreislauf auf der Erde).
Flüssiges Methan ist für Radarstrahlen durchsichtig, so konnte die Raumsonde Cassini die Tiefe des Sees Ligeia Mare zu 170 m bestimmen.[31]
Wahrscheinlich gibt es auf diesen Seen Eisberge aus Methan/Ethan. Diese können jedoch nur auf den Methanseen schwimmen, wenn sie mindestens 5 % gasförmigen Stickstoff enthalten. Wenn die Temperatur nur geringfügig sinkt, zieht sich der Stickstoff soweit zusammen, dass das Eis zum Grund hinabsinkt. Steigt die Temperatur wieder, kann das Grundeis dann wieder zur Seeoberfläche aufsteigen. Bei bestimmten Temperaturen kann Oberflächen- und Grundeis gleichzeitig vorkommen.[32][33] Für den Ontario Lacus, einen See nahe dem Südpol des Titan, wurde jedoch als Hauptbestandteil das schwerere Ethan nachgewiesen.
Außerhalb des Sonnensystems |
Im März 2008 wurde Methangas erstmals auch auf einem Planeten außerhalb unseres Sonnensystems gefunden: Auf dem (Exoplanet HD 189733 b vom Typ der Hot Jupiters).
Gewinnung und Darstellung |
Für die Herstellung aus Aluminiumcarbid gibt es zwei Methoden, sie werden meist nur im Labor eingesetzt. Die Synthese aus Kohlenstoffmonoxid hat eine besondere Wichtigkeit. Lediglich die Quelle des Wasserstoffs stellt bei dieser Synthese ein Problem dar.
Al4C3+12H2O⟶4Al(OH)3+3CH4{displaystyle mathrm {Al_{4}C_{3}+12,H_{2}Olongrightarrow 4,Al(OH)_{3}+3,CH_{4}} }
- Aluminiumcarbid reagiert mit Wasser zu Aluminiumhydroxid und Methan, wenn es erhitzt wird.
Al4C3+12HCl⟶4Al3++12Cl−+3CH4{displaystyle mathrm {Al_{4}C_{3}+12,HCllongrightarrow 4,Al^{3+}+12,Cl^{-}+3,CH_{4}} }
- Aluminiumcarbid reagiert mit Salzsäure zu Aluminiumchlorid und Methan.
CH3−COONa+NaOH⟶Na2CO3+CH4{displaystyle mathrm {CH_{3}-COONa+NaOHlongrightarrow Na_{2}CO_{3}+CH_{4}} }
- Natriumacetat wird zusammen mit Natriumhydroxid erhitzt, es entsteht Natriumcarbonat und Methan.
CO+3H2←→CH4+H2O ΔH=−206,2kJ/mol{displaystyle mathrm {CO+3,H_{2};{overrightarrow {leftarrow }};CH_{4}+H_{2}O qquad Delta H=-206{,}2,kJ/mol} }
- Kohlenstoffmonoxid reagiert mit Wasserstoff zu Methan und Wasser.
CO2+4H2⟶CH4+2H2O ΔH=−165,06kJ/mol{displaystyle mathrm {CO_{2}+4,H_{2}longrightarrow CH_{4}+2,H_{2}Oqquad Delta H=-165{,}06,kJ/mol} }
- Kohlenstoffdioxid reagiert mit Wasserstoff zu Methan und Wasser.
Diese Reaktion wurde im 19. Jahrhundert vom Franzosen und Nobelpreisträger Paul Sabatier entdeckt und wird deshalb Sabatier-Prozess genannt.
- Kohlenstoffdioxid reagiert mit Wasserstoff zu Methan und Wasser.
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.
Eigenschaften |
Physikalische Eigenschaften |
Im Methan betragen die Bindungswinkel 109,5°
Methan schmilzt bei −182,6 °C und siedet bei −161,7 °C. Aufgrund der unpolaren Eigenschaften ist es in Wasser kaum löslich, in Ethanol und Diethylether löst es sich jedoch gut. Schmelzwärme und Verdampfungswärme betragen 1,1 kJ/mol und 8,17 kJ/mol, im Vergleich zu Metallen sind dies aber sehr geringe Werte. Der Heizwert Hi liegt bei 35,89 MJ·m−3 beziehungsweise 50,013 MJ kg−1. Die Standardentropie beträgt 188 J·mol−1·K−1, die Wärmekapazität 35,69 J·mol−1·K−1. Der Tripelpunkt von Methan liegt bei 90,67 K und 0,117 bar, der kritische Punkt liegt bei 190,56 K und 45,96 bar.
Festes Methan existiert in mehreren Modifikationen, zurzeit sind neun verschiedene bekannt.[34] Bei der Abkühlung von Methan bei normalem Druck entsteht Methan I. Dabei handelt es sich um einen kubisch kristallisierenden Stoff Raumgruppe Fm3m (Raumgruppen-Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225. Die Positionen der Wasserstoffatome sind nicht fixiert, d. h. die Methanmoleküle können frei rotieren. Deshalb handelt es sich um einen plastischen Kristall.
Das farb- und geruchlose Gas hat eine geringere Dichte als Luft, es steigt also in die höheren Schichten der Erdatmosphäre 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 Atmosphäre vor. Es reagiert dort mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Dieser Prozess ist langsam, die Halbwertszeit wird auf 12[8] Jahre geschätzt.
Die UN-Nummern von verdichtetem und tiefgekühltem Methan sind 1971 beziehungsweise 1972. Methan liegt in der handelsüblichen 50 Liter Stahlflasche oder in Kraftfahrzeugtanks (oft mit Kohlenstofffasern verstärktes Epoxidharz über Aluminium-Liner) komprimiert auf 200 bar (als CNG) gasförmig vor. Der Schifftransport in großen Mengen erfolgt in fast überdrucklosen Kugel- oder Membrantanks jedoch bei etwa −160 °C tiefkalt verflüssigt (LNG).
Chemische Eigenschaften |
Methan ist das einfachste Alkan und der einfachste Kohlenwasserstoff, die Summenformel lautet CH4, die C–H-Bindungen weisen in die Ecken eines Tetraeders. Es ist brennbar und verbrennt an der Luft mit bläulicher, nicht rußender Flamme. Es kann explosionsartig mit Sauerstoff oder Chlor reagieren, wozu eine Initialzündung (Zufuhr von Aktivierungsenergie) oder Katalyse erforderlich ist. Bei der Chlorierung entstehen Chlormethan, Dichlormethan, Chloroform und Tetrachlormethan. Bei der Oxidation dagegen wird das Molekül komplett auseinandergerissen. Aus der Reaktion eines Methanmoleküls mit zwei Sauerstoffmolekülen entstehen zwei Wasser- und ein Kohlenstoffdioxidmolekül. Vom Methan leiten sich Methylverbindungen wie z. B. Methanol und die Methylhalogenide sowie die längerkettigen Alkane ab.
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.[35]
- CH4+2O2→CO2+2H2OΔH0=−802,4kJ⋅mol−1{displaystyle mathrm {CH_{4}+2,O_{2}rightarrow CO_{2}+2,H_{2}Oqquad Delta H^{0}=-802{,}4;kJcdot mol^{-1}} }
Bei ungenügender Sauerstoffzufuhr hingegen entstehen Nebenprodukte wie Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoff (Ruß). Ferner ist in diesem Fall die Nutzenergie geringer.
- 2CH4+3O2→2CO+4H2O{displaystyle mathrm {2,CH_{4}+3,O_{2}rightarrow 2,CO+4,H_{2}O} }
- CH4+O2→C+2H2O{displaystyle mathrm {CH_{4}+O_{2}rightarrow C+2,H_{2}O} }
Weitere Reaktionen |
Methan geht außer mit Sauerstoff noch vielfältige weitere Reaktionen ein. Viele davon sind sehr wichtig für die chemische Industrie, da die Produkte von großer technischer Bedeutung sind.
- CH4+4S→CS2+2H2S{displaystyle mathrm {CH_{4}+4,Srightarrow CS_{2}+2,H_{2}S} }
- Methan reagiert mit Schwefel bei 700 °C und unter Aluminiumoxidkatalyse zu Kohlenstoffdisulfid und Schwefelwasserstoff.
- 2CH4+2NH3+3O2→2HCN+6H2O{displaystyle mathrm {2,CH_{4}+2,NH_{3}+3,O_{2}rightarrow 2,HCN+6,H_{2}O} }
- Methan reagiert mit Ammoniak und Sauerstoff an einem Platinkatalysator zu Blausäure und Wasser.
- CH4+2Cl2→CH2Cl2+2HCl{displaystyle mathrm {CH_{4}+2,Cl_{2}rightarrow CH_{2}Cl_{2}+2,HCl} }
Methan reagiert photochemisch (lichtinduziert) mit Halogenen zu Methylhalogeniden und Halogenwasserstoffen, hier zum Beispiel mit Chlor.[36]
- 2CH4→C2H2+3H2{displaystyle mathrm {2,CH_{4}rightarrow C_{2}H_{2}+3,H_{2}} }
- Methan reagiert bei 1400 °C und Wasserdampf zu Ethin und Wasserstoff.
- CH4+H2O→CO+3H2ΔH=+206,2kJ/mol{displaystyle mathrm {CH_{4}+H_{2}Orightarrow CO+3,H_{2}qquad ,Delta H=+206{,}2,kJ/mol} }
- Methan reagiert bei 800 °C am Nickelkontakt mit Wasser zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff.
Verwendung |
Methan wird vorwiegend als Heizgas zur Wärmeerzeugung 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, Gülle, Klärschlamm oder organischem Abfall
gewonnen. Früher wurde Methan durch Pyrolyse von Holz gewonnen, bei der Holzgas entsteht (Holzvergasung). Holzgas, das unter anderem Methan enthält, diente wegen des Erdölmangels im Zweiten Weltkrieg zum Betrieb von insbesondere zivilen Automobilen, die den sich aufheizenden Holzvergaser oft außen angebaut hatten.
Methan ist ein wichtiges Ausgangsprodukt für technische Synthesen von Wasserstoff, Methanol, Ethin, Blausäure, Schwefelkohlenstoff und Methylhalogeniden. Es dient als Ausgangspunkt für viele andere organische Verbindungen.
Sonstige Bedeutung |
Explosionsgefahr |
Methan bildet bei einem Volumenanteil zwischen 4,4 und 16,5 Prozent in Luft explosive Gemische. Durch unbemerktes Ausströmen von Erdgas kommt es immer wieder zu folgenschweren Gasexplosionen. Auch die gefürchteten Grubengasexplosionen in Kohlebergwerken (Schlagwetter) sind auf Methan-Luft-Gemische zurückzuführen. Methan ist hoch entzündlich, der Flammpunkt liegt bei −188 °C, die Zündtemperatur bei 595 °C.[1] 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, um die Dichte zu erhöhen, unter hohen Drücken und meist bei tiefen Temperaturen aufbewahrt, in Gasflaschen bei 200 bar, in Tankerschiffen alternativ fast drucklos tiefkalt verflüssigt bei etwa −160 °C.
Treibhausgas |
Globale Methanquellen und -senken (2016), Global Carbon Project
Methan ist ein hochwirksames Treibhausgas: Sein Treibhauspotenzial ist dabei, auf einen Zeitraum von 100 Jahren bezogen, 28 mal höher als das der gleichen Gewichtsmenge Kohlenstoffdioxid;[8] nach einer neueren Untersuchung beträgt dieser Faktor 33, wenn Wechselwirkungen mit atmosphärischen Aerosolen berücksichtigt werden.[37] Es trägt mit rund 20 % zum anthropogenen Treibhauseffekt bei. Dabei ist weit mehr Methan in der Erdatmosphäre als jemals während der letzten 650.000 Jahre;[38] die Methan-Konzentrationen stiegen zwischen 2000 und 2006 jährlich um etwa 0,5 ppb, seit 2006 mit einer mehr als zehnfach höheren Rate.[39] Man nimmt an, dass Methan vor etwa 252 Mio. Jahren als Treibhausgas das größte Massenaussterben des Phanerozoikums mit verursachte, der Anstieg seiner Konzentration in der Erdatmosphäre in der Moderne ist einer der Aspekte des Anthropozäns.
Durch nicht bemerkte Lecks in Raffinerien und beim Transport von Öl und Gas durch Pipelines werden erhebliche Mengen Methan emittiert; die Internationale Energieagentur (IEA) in Paris schätzt diese Menge Ende 2017 auf rund 75 Mio. Tonnen pro Jahr und damit 1,7 % der Gesamtfördermenge.[40]
In einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre wird Methan langsam oxidiert, insbesondere durch Hydroxyl-Radikale.
Biologische Bedeutung |
Methan wird durch bestimmte Bakterien in Gewässern und Böden mit Sauerstoff (O2) zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert. Diese Umsetzung ist exergon und die Bakterien nutzen sie als Energiequelle, weshalb sie als methanotroph bezeichnet werden.
Toxikologie |
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 zu erhöhter Atemfrequenz (Hyperventilation) und erhöhter Herzfrequenz führen, es kann kurzzeitig niedrigen Blutdruck, Taubheit in den Extremitäten, Schläfrigkeit, mentale Verworrenheit und Gedächtnisverlust auslösen, alles hervorgerufen durch Sauerstoffmangel. Methan führt aber nicht zu bleibenden Schäden. 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.
Nachweis |
Der Nachweis von Methan kann mittels Infrarotspektroskopie erfolgen. Für den Nachweis extraterrestrischer Vorkommen ist der infrarotspektroskopische Nachweis etabliert.[41] Methan kann auch mittels Gaschromatographie und mit Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung nachgewiesen und quantifiziert werden.[42] Im Bergbau wurden früher zur Warnung vor Schlagwettern verschiedene qualitative Nachweismethoden eingesetzt, etwa die Davy-Lampe mit Flammsieb, Kanarienvögel oder die Schlagwetterpfeife.[43]
Literatur |
Bücher |
- Christian Felske: Minimierung von Restgasemissionen aus Siedlungsabfalldeponien durch Methanoxidation in Deponieabdeckschichten. (= Forum Siedlungswasserwirtschaft und Abfallwirtschaft, Universität Essen. Heft 20). Aachen 2003, ISBN 3-8322-2168-9. (Zugleich Dissertation an der Universität Duisburg-Essen 2003)
- Peter Pfeifer, Roland Reichelt (Hrsg.): H2O & Co. Organische Chemie. Oldenbourg, München 2003, ISBN 3-486-16032-X. (Extrakapitel über Methan und Informationen auch zu den anderen Alkanen)
- Christiane Werth: Zur Methanaktivierung in Salzschmelzen. In: Berichte aus der Chemie. Shaker, Aachen 2003, ISBN 3-8322-2597-8. (Zugleich Dissertation an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen 2003)
Zeitschriftenartikel |
Pflanzen – eine vergessene Methanquelle. In: Bergbau. Heft 1/2007, S. 7–8. (Digitalisat, PDF-Datei, 72,2 kB)
Weblinks |
Commons: Methan – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Methan – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Einzelnachweise |
↑ abcdefghi Eintrag zu CAS-Nr. 74-82-8 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 1. Februar 2016 (JavaScript erforderlich)
↑ D. H. Ripin, D. A. Evans: pKa's of Inorganic and Oxo-Acids. (PDF) Abgerufen am 15. Juli 2014 (englisch).
↑ S. Budavari u. a.: The Merck Index. 12. Auflage. MERCK & CO., 1996, S. 1018.
↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Permittivity (Dielectric Constant) of Gases, S. 6-188.
↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Index of Refraction of Gases, S. 10-254.
↑ Eintrag zu Methane im Classification and Labelling Inventory der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA), abgerufen am 1. Februar 2016. Hersteller bzw. Inverkehrbringer können die harmonisierte Einstufung und Kennzeichnung erweitern.
↑ Schweizerische Unfallversicherungsanstalt (SUVA): Grenzwerte am Arbeitsplatz 2015 – MAK-Werte, BAT-Werte, Grenzwerte für physikalische Einwirkungen, abgerufen am 2. November 2015.
↑ abc G. Myhre u. a.: Anthropogenic and Natural Radiative Forcing. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge/ New York 2013, S. 731, (PDF)
↑ M. W. Chase, Jr.: NIST-JANAF Thermochemical Tables. (= Journal of physical and chemical reference data / Monograph. 9). 4. Auflage. 1998, ISBN 1-56396-831-2, S. 1–1951.
↑ ab Giora Proskurowski, Martin D. Lilley, Jeffery S. Seewald, Gretchen L. Früh-Green, Eric J. Olson, John E. Lupton, Shean P. Sylva, Deborah S. Kelley: Abiogenic hydrocarbon production at Lost City Hydrothermal Field. In: Science. Band 319, 2008, S. 604–607.
↑ William Martin: Alles hat einen Anfang, auch die Evolution: Hydrothermalquellen und der Ursprung des Lebens (PDF; 945 kB). In: Biologie Unserer Zeit. 3/2009(39), S. 166–173. doi:10.1002/biuz.200910391
↑ U. Deppenmeier, V. Müller: Life close to the thermodynamic limit: how methanogenic archaea conserve energy. In: Results Probl Cell Differ. Band 45, 2008, S. 123–152. PMID 17713742; doi:10.1007/400_2006_026
↑ David M. Karl, Lucas Beversdorf u. a.: Aerobic production of methane in the sea. In: Nature Geoscience. 1, 2008, S. 473–478, doi:10.1038/ngeo234.
↑ Siddhesh S. Kamat, Howard J. Williams u. a.: The catalytic mechanism for aerobic formation of methane by bacteria. In: Nature. 497, 2013, S. 132–136, doi:10.1038/nature12061.
↑ M. J. Hunt: Petroleum geochemistry and geology. 2. Auflage. W. H. Freeman and Company, New York 1995.
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