Name: Naomie Kaffo, 2021
Eigenschaften
Methan, auch Methylwasserstoff genannt, ist das anschaulichste Alkan mit der Summenformel CH4. Es ist ein farb-, geruchloses und brennbares Alkan. Bei der Verbrennung in der Luft lässt sich eine blaue Flamme beobachten. Der Siedepunkt liegt bei -162ºC und der Schmelzpunkt bei -182ºC . Bei Methan handelt es sich um einen unpolaren Stoff, deshalb lässt es sich nicht in Wasser lösen, dafür lässt es sich aber gut in Ethanol lösen.
Bei Reaktionen mit Chlor und Sauerstoff kann es zu Explosionen kommen, wobei hier Aktivierungsenergie benötigt wird. Bei einer Oxidation hingegen wird das Methan vollkommen auseinandergerissen. Es lassen sich Methylgruppen aus dem Methan ableiten und zwar Methylhalogene, Methanol und langkettige Alkane.
Vorkommen
Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und des Grubengases. Das Alkan ist in unsere Atmosphäre nachweisbar. Der Anteil in der Atmosphäre hat sich sogar seit 1800 bis heute mehr als verdoppelt und beträgt heute 1,8 ppm. Berechnungen nach, lässt sich festhalten, dass ungefähr 200 Millionen Tonnen von Methan jährlich in die Luft gelangen. Somit räumt Methan den zweiten Platz nach Kohlenstoffdioxid auf der Liste der wichtigsten Treibhausgase ab, die von Menschen verursacht werden. Als Teil der Treibhausgase, beteiligt sich Methan zum Treibhauseffekt in der Atmosphäre, also nimmt das Alkan die Strahlung in der Atmosphäre auf und erwärmt somit die Luft.
In der Natur steigen große Mengen des Alkans aus Mooren und Sümpfen auf. Der Reisanbau und die Rinderhaltung machen 20% der Emissionen aus, denn allein ein Rind produziert 200 Liter Methan täglich durch den Verdauungsakt, dieses Methan entweicht folglich in die Luft. In den Faulbehälter der Kläranlagen entsteht auch Methan.
Herstellung
Das Alkan Methan kann sowohl biologisch als auch chemisch hergestellt werden.
1. Biologische Bildung von Methan
Diese Bildung wird durch Archaeen (Methanogenen) in Bewegung gesetzt, beziehungsweise durch den Stoffwechsel der Lebewesen angeregt. Hierbei werden einfache Verbindungen, wie Kohlendioxid, Methanol und andere auf Methan reduziert. Diesen Vorgang nennt man Methanogenese.
Beispiel:
Aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff unter normalen Bedingungen, das heißt bei einem p-H-Wert von sieben, werden Methan und Wasser freigesetzt.
Reaktionsgleichung:
CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O
2. Herstellung von Methan aus Aluminiumcarbid
Hier gibt es zwei existierende Methoden. Diese werden in den meisten Fällen im Labor eingesetzt.
1. Methode: Reaktion findet durch die Erhitzung der Edukte statt
• Al4C3 + 12H2O -> 4Al (OH)3 + 3CH4
Aluminiumcarbid + Wasser -> Aluminiumhydroxyd + Methan
2. Methode:
• Al4C3 + 12HCl -> 4Al3+ + 12Cl- + 3CH4
Aluminiumcarbid + Salzsäure -> Aluminiumchlorid + Methan
Die Synthese aus Kohlenstoffmonoxid ist von großer Bedeutung, denn das giftige Kohlenstoffmonoxid, welches in diesem Fall nicht gewollt, noch nützlich ist, im nächsten Schritt sinnvoll genutzt werden kann. Bei diesem Versuch stellt jedoch die Quelle des Wasserstoffs ein Problem dar.
Beispiel:
• CO + 3H2 -> CH4 + H2O
Kohlenstoffmonoxid + Wasserstoff -> Wasser + Methan
Verwendung
Methan wird als Heizgas zur Wärmeerzeugung, sowie als Betrieb der Motoren durch deren Verbrennung. Zudem dient Methan vielen organischen Verbindungen als Ausgangspunkt.
Reaktionen
Methan geht viele verschiedene Reaktionen mit Sauerstoff ein, hier ist die Reaktion vom Sauerstoffangebot abhängig. Bei ausreichendem Sauerstoffangebot findet eine komplette Verbrennung des Methans mit einer optimalen Energieausbeute statt.
Beispiel 1:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
Bei geringem Sauerstoffangebot erhält man ungewollte Nebenprodukte, wie z.B. Kohlenstoffmonoxid.
Beispiel 2:
2CH4 + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O
Außer Sauerstoff besitzt Methan noch andere Reaktionspartner. Viele dieser Reaktionen sind von großer Wichtigkeit für die Industrie. Hierbei werden aber nur die Entstehungsprodukte benötigt.
Beispiel 1:
CH4 + 4S -> CS2 + 2H2S
Bei einer Temperatur von ca. 700ºC reagieren Methan und Schwefel mithilfe von einem Aluminiumoxidkatalysator zu Kohlenstoffdisulfid und Schwefelwasserstoff.
Kohlenstoffdisulfid, auch Schwefelkohlenstoff genannt, dient dann als Lösungsmittel für Fette. In ganz großen Mengen wird es für die Herstellung von Cellulosefasern aus Zellstoff genutzt. Bei der Zersetzung von den gelben Kupferxanthogenaten wird giftiger Schwefelkohlenstoff frei, der zur Schädlingsbekämpfung genutzt wird.
Beispiel 2:
2CH4 -> C2H2 + 3H2
Hier reagiert Methan zu Ethin und Wasserstoff bei einer Temperatur von 1400 Grad und beim Vorhandensein von Wasserdampf.
Ethin wird zu Beleuchtungszwecken benutzt, wegen der hohen Bindungsenergie der Dreifachbindung. Zum Schweißen und Schneiden wird es heutzutage sehr oft als Dissousgas verwendet.
Exkurs: Methanhydrat
Methan, das am Grund der Ozeane auftritt, wird aufgrund von hohem Druck und der tiefen Temperaturen zu festem „Methanhydrat“, welches auch „Methaneis“ genannt wird.
Die Gewinnung des Methanhydrats kann als Lösung für vorhandene Energieprobleme gesehen werden, leider ist dies sehr problematisch. Denn die Forderung von Methanhydrat am Meeresgrund bedeutet, dass noch mehr Methan in die Erdatmosphäre gelangt. In der Erdatmosphäre würde es als starkes Treibhausgas zur Erwärmung der Erde beitragen.
Bei der Bergung von Methaneis können Kontinent-Abhänge abrutschen, da die Abhänge größtenteils aus Methaneis bestehen. Somit ist die Bergung von Methanhydrat an sich sehr gefährlich.