Methan

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 Kohlenstoffdioxid 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 Kohlenstoffdisulfid 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. 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 und die längerkettigen Alkane ab.

Vorkommen und Entstehung

Planet/ Zwergplanet	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.

Methanbildung
Bildherkunft

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 Kohlenstoffdioxid. Biogas besteht überwiegend aus Methan (etwa 60 %) und Kohlenstoffdioxid (etwa 35 %), daneben enthält es noch Wasserstoff, Stickstoff und Schwefelwasserstoff.
Bei Stoffwechselvorgängen der Methanbildner entsteht Methan nach folgender Reaktionsgleichung:

[Formel]

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.

[Formel]

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

[Formel]

Aluminiumcarbid reagiert mit Salzsäure zu Aluminiumchlorid und Methan

[Formel]

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

[Formel]

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 Methylhalogeniden.

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.

[Formel]

[Formel]
[Formel]

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.

[Formel]

Methan reagiert mit Schwefel bei 700 °C und unter Aluminiumoxidkatalysator zu Kohlenstoffdisulfid und Schwefelwasserstoff.

[Formel]

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

[Formel]

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

[Formel]

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

[Formel]

Methan reagiert bei 800 °C am Nickelkontakt mit Wasser zu Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff.

Biologie, Geologie und Klimatologie

Reisfelder sind ein Entstehungsort für Methan.
Bildherkunft

Methan ist ein wichtiges Treibhausgas. Das Erwärmungspotential von Methan ist 23-mal höher als das von Kohlendioxid. Die zunehmende Haltung von Rindern 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 schon immer zum Methan-Gehalt der Atmosphäre beitragen [LINK].

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

lmo:Metà (chímega) simple:Methane

Diskussion der Autoren über den Artikel: Methan

Wie wirkt Methan auf Menschen? Hat jemand von Euch dazu Informationen? - echoG @449 20030815

Methan

Die Dichte von Methan beträgt sicherlich nicht 0,422 g/cm3 bei 20 Grad Celsius!

Mein Chemiebuch sagt 0,466 g / cm³ im flüssigen Zustand (Nahe der Siedetemperatur)

tXm: Mein Chemiebuch sagt, dass Methan bei 20°C (1013 hPa) eine Dichte von 0,67 g/l hat. Laut einer Internetseite 0,72 g/l. Lauter einer anderen 0,71 g/l. Im Wikipediaartikel steht "0,722 g/dm³ bei 20 °C" würde es daher auch dabei belassen

Historische Informationen

Nach meinen Unterlagen wurde Methan erstmals 1667 von Thomas Shirley, einem Engländer, "entdeckt". Thomas 15:31, 4. Nov 2004 (CET)

Achtung

Die Normdichte d.h. 0°C 1013 mbar von Methan liegt bei 0,71 kg/m³ Lupo 10:40, 14. 03 2006 (CET)

Entstehung

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:

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

Mit Stoffwechselvorgängen bin ich einverstanden. Aber in tiefen Erdschichten und Vulkanen gibt es wohl kaum Traubenzucker... Allerdings ist mir auch nicht klar, wie Methan dort entsteht. Ev. aus Carbonaten durch thermische Prozesse? Hab obigen Abschnitt mal geändert. --Tinux 10:05, 18. Nov 2004 (CET)

Achtung! Methan ist in der Erde als Ausgangsstoff enthalten gewesen (wie in allen anderen Planeten und Meteoriten...) (Quelle: Thomas Gold ,2001, The Deep Hot Biosphere...) etwas freie Zusammenfassung: der mit Entstehung unseres Sonnensystems entstandene Geröllhaufen Erde verdichtete sich später, Kern schmolz auf und treibt seither Gase aus (Methan vorwiegend) , also daher auch dann Erdgas (vorwiegend Methan), durch Reaktionen dann Öle und bis Reduktion auf blankes C Steinkohle entstanden. Dieses also nix fossiles und "wächst" auch nach, evtl. natürlich langsamer als wir verbrauchen, aber wir haben auch nur einen Bruchteil erschlossen...aber ist bereits anderes

12 Trillionen oder 12 Billionen Tonnen Methanhydrat?

Beim Artikel über Methanhydrat wird im Gegensatz zu hier nur von 12 Billionen Tonnen Methanhydrat geschrieben. Eventuell eine Fehlübersetzung aus dem Amerikanischen?

Ozonloch

Habe die etwas wirre Verquickung von Treibhauseffekt und Ozonloch getilgt. Wie kommt man denn darauf?? Methan könnte anscheinend sogar dazu beitragen, die Ozonschicht zu schützen, da die O3-zerstörenden Chloratome aus den FCKW vom Methan Wasserstoffatome klauen würden, um harmloses HCl zu bilden. (Natürlich nicht ratsam wegen des Treibhauseffektes) Einen Hinweis, dass Methan die Ozonschicht gefährdet, konnte ich nirgends finden.

Zeitraum

"Weltweit werden schätzungsweise 500 Millionen Tonnen Methan emittiert" - pro Jahr, pro Monat, pro Tag, oder was?

insgesamt. Auch hier führt die Untersuchung "alter Gasblasen" im Eis zur Beantwortung der Frage. Die Untersuchungen belegen, daß der Methangehalt einige tausend Jahre lang mit ca. 0,7 ppm relativ konstant war, mit Beginn des 18. Jahrhunderts jedoch langsam zu steigen begann. Bis dahin hielten Produktion und Verbrauch dieses Gases sich im Gleichgewicht. Heute haben wir ca. 500 Millionen Tonnen zuviel davon in der Atmosphäre. von http://www.chemiedidaktik.i...

--Seb.so 23:39, 17. Jan 2005 (CET)

dann muß man das auch so formulieren, daß es die Gesamtmenge des auf der Erde vorhandenen Methans ist, oder so. Anderereseits: Ist sie ja offenbar "seit Beginn des 18 Jhdts." nicht mehr konstant. Und: Wenn wir jetzt "500 Mill. t zuviel" haben, das ist doch genau die Menge, die angeblich die Gesamtmenge sein soll. Ist also alles vorhandene Methan zuviel. Bitte mal im Artikel klar ausdrücken.

-- Hammer-Kruse 22:15, 29. Nov. 2006

Diskussion aus dem Review

Dem Artikel fehlt noch ein Feinschliff (*vanflammruf*), sieht sonst ziemlich gut aus. --Leipnizkeks 23:00, 30. Dez 2004 (CET)

Ich gucks mir nächste Woche mal an. Der Artikel sieht mir aber nach alles-nur-zu-Drei-Vierteln-angefangen aus.--Van Flamm

Ich sehe das ähnlich wie VanFlamm, da fehlts noch an ein paar Ecken und Enden. Ich werde mal schauen, dass zumindest der biologische Teil noch etwas anwächst. Als "Feinschliff" würde ich das allerdings nicht mehr bezeichnen -- Achim Raschka 14:30, 31. Dez 2004 (CET)

Mein Gott, ist das ein Patchwork-Artikel. Da muß erstmal eine Struktur rein. Zu der Rolle beim Reifungsprozess bei den Früchten fehlt noch was. Wie sind die Methanhydrate chemisch aufgebaut. Das Methan ein farbloses und geruchloses Gas ist, wird glaube ich an zwei Stellen im Artikel erwähnt. --Arbol01 16:34, 1. Jan 2005 (CET)

Methanhydrat hat einen eigenen Artikel bekommen. Bis du dir sicher das Methan zum Reifen von Früchten beiträgt? Ich habe noch nie etwas entsprechendes gehört und auch beoim googlen ergibt sich nichts.Kann es sein das zu Ethen meinst?

Du hast recht.--Nerd Nerd

Stimmt, ich habe es mit Ethen verwechselt (Asche auf mein Haupt). --Arbol01 17:23, 1. Jan 2005 (CET)

Der Artikel ist an vielen Stellen mit der heißen Nadel gestrickt. Ich werde mich im Laufe der nächsten Woche am Review beteiligen.--FrankOE 22:02, 15. Jan 2005 (CET)

Nur kurz reingeschaut: Molekülgeometrie, also Bindungslängen und -winkel fehlen, auch das Stichwort sp3-Hybridisierung. --Aglarech 04:48, 16. Jan 2005 (CET)

energiedichte

kann man bei methan eine energiedichte/heizwert angeben? --Challe 11:30, 18. Sep 2005 (CEST)

aber gerne doch (siehe Tabelle) - der Heizwert beträgt 35,89 MJ/Nm³ --Jmsanta 12:10, 18. Sep 2005 (CEST)

ihr stinkt alle?!

Methanol aus Methan

Ist es wirtschaftlich sinnvoll möglich, aus Methan Methanol zu gewinnen? So in etwa, dass man aus aufgefangenen Fürzen von Kühen flüssigen Treibstoff für Autos macht....

Aus "Kuhfurzen" ist das sicher nicht sinnvoll möglich - Kühe rülpsen nämlich überwiegend Methan. Großtechnisch erfolgt die Herstellung von Methanol durch die Erzeugung eines Synthesegases aus Methan Erdgas. Aus dem Synthesegas wird dann Methanol erzeugt - siehe auch Methanol#Herstellung --Jmsanta 14:30, 1. Dez 2005 (CET)

Pflanzen produzieren Methan

Und zwar anscheinend bis zu 30% der weltweiten Emissionen. http://www.spiegel.de/wisse...

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Diese Definition bzw. Erklärung des Begriff Methan und dessen Bedeutung wurde zuletzt am 25.7.2007 aktualisiert (Glossar Lexikon Enzyklopädie).