Methan

De Methan ass e Kuelewaasserstoof an deen einfachsten Alkan. En ass den Haaptbestanddeel vum Biogas^[1] a vum Äerdgas. Nom Kuelendioxid ass en de wichtegsten Zäregas. En ass allerdéngs a méi klenge Quantitéiten an der Atmosphär, mä e wierkt méi staark.

Methan
Systemateschen Numm (IUPAC)	Methan
Trivialen Numm	Methylwaasserstoff
Cheemesch Formel	CH4
Ausgesinn / Geroch	Faarflosen a gerochlose Gas
Eegenschaften
Dicht	0,717 kg/m3 bei 0 °C, 1013 hPa
Léislechkeet	26 ml/l am Waasser
Agregatzoustand	gasfërmeg
Molmass	16,04 g/mol
Schmëlzpunkt	-182,6 °C
Kachpunkt	-161,4 °C
Thermodynamesch Daten
Standard Formatiounsenthalpie ΔfH0	-74,87 KJ·mol−1
Standardentropie S0	186,25 J·K−1·mol−1
Verbrennungsenthalpie ΔcH0	-890,7 KJ·mol−1
Weideres
Änlech Moleküllen	Ethan Propan Butan
Cheemesch Famill	Alkanen

De Methan kann als Brennstoff oder als Killmëttel gebraucht ginn an ass den Ausgangspunkt fir vill aner organesch Verbindungen. Methan gëtt bei biologeschen a geologesche Procedéë fräigesat.

Physikalesch Eegenschaften

De Methan ass e Gas ouni Goût^[2],[3], Faarf^[2] a Geroch^[2]. Bei 25 °C an 1013 hPa ass de Methan am gasfërmegen Zoustand. Methan ze verflëssegen ass schwéier wéinst sengem niddrege Kachpunkt. En ass méi liicht wéi Loft, seng Dicht par Rapport zu der Loft läit bei 0,554.

De Methan léist sech schlecht am Waasser an am Aceton op, awer am Alkohol, am Benzol an am Ether ass e gutt léislech.

Cheemesch Eegenschaften

De Methan bilt nëmme mam Chlor, dem Brom an der Salpéitersaier nei cheemesch Produkter. Aner cheemesch Elementer zerstéieren d'Moleküll vum Methan oder féieren zu enger Verbrennung, wéi beim Sauerstoff. Awer déi meescht cheemesch Elementer a Produite reagéiere guer net mam Methan; se sinn inert. Dat ass well et e gesiedegte Kuelewaasserstoff ass.

Verbrennung vum Methan

De Methan as e liicht entzündleche Gas. E brennt mat enger bloelzeger Flam an hannerléisst sou gutt wéi keng Réckstänn. Wann een e Volume Methan mat zwéi Volume Sauerstoff vermëscht, entsteet en explosiivt Gasgemësch, dat och nach Knallgas genannt gëtt. Et kënnt heiansdo zu Explosioune vun där Zort an de Minièren, well do Methangas fräigesat gëtt. Methan verbrennt mat Sauerstoff a wa genuch O₂ do ass entsteet Kuelendioxid a Waasser^[2].

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+2\,O_{2}\rightarrow CO_{2}+2\,H_{2}O} }$

Am Fall wou net genuch Sauerstoff do ass, entsteet Waasser a Kuelestoff oder de gëftege Kuelemonoxid^[2].

${\displaystyle \mathrm {2\,CH_{4}+3\,O_{2}\rightarrow 2\,CO+4\,H_{2}O} }$

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+O_{2}\rightarrow C+2\,H_{2}O} }$

Wann een déi Reaktioun mam Katalysator Néckel a bei 900 °C duerchféiert, entsteet Waasserstoff a Kuelemonoxid^[2].

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+O_{2}\rightarrow H_{2}+2\,CO} }$

Reaktioun mat den Halogenen

De Methan reagéiert mam Chlor op zwou Manéieren. Déi eng Reaktioun leeft mat Hëtzt of a féiert zu enger Zerstéierung vum Moleküll vum Methan. Déi aner Reaktion féiert zu enger Substitutioun. Dat heescht: De Chlor ersetzt d'Waasserstoff-Atomer vum Methan ouni d'Moleküll ze zerstéieren.

Wann e Methan am Chlor verbrennt entsteet eng roudelzeg Flam. D'Ennprodukter vun där Reaktioun si Kuelestoff a Chlorwaasserstoff^[2].

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+2\,Cl_{2}\rightarrow C+4\,HCl} }$

Wann een awer e Gasgemësch aus Methan a Chlor mat Liicht bestraalt, ersetzt de Chlor lues a lues de Waasserstoff vum Methan. Aus där Reaktioun entstinn déi chloréiert Derivater vum Methan: Monochloromethan, Dichloromethan, Trichloromethan a Tetrachloromethan. Als Nieweprodukt gëtt Chlorwaasserstoff fräigesat. Déi Reaktioun kann en och mam Brom duerchféieren, mä si leeft méi lues of^[2].

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+X_{2}\rightarrow CH_{3}X+HX} }$

• X = Cl, Br

D'Reaktioun mam Fluor zerstéiert d'Moleküll vum Methan. D'Ennprodukter vun där Reaktioun si Kuelestoff a Fluorwaasserstoff^[2].

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+2\,F_{2}\rightarrow C+4\,HF} }$

Mam Iod reagéiert de Methan net^[2].

Reaktioun mat Salpéitersaier

De Methan reagéiert bei 450 °C mat den Dämp vun der Salpéitersaier. Bei där Reaktioun ersetzt d'Grupp NO₂ e Waasserstoff-Atom vum Methan an et entsteet Nitromethan a Waasser^[2].

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}+HNO_{3}\rightarrow CH_{3}NO_{2}+H_{2}O} }$

Produktioun vum Methan

Am Laboratoire

e Methan ka mat Aluminiumcarbid a Waasser hiergestallt ginn. Den Aluminiumcarbid gëtt mat Hëllef vu waarmem Waasser zersat. Et gëtt nach e bësse Chlorwaasserstoff bei d'Waasser gemëscht fir d'Aluminiumhydrat ze zerstéieren, dat um Aluminiumcarbid entsteet^[1][2].

${\displaystyle \mathrm {Al_{4}C_{3}+12\,H_{2}O\rightarrow 4\,Al(OH)_{3}+3\,CH_{4}} }$

Eng aner Method besteet doran, Natriumacetat mat Natriumhydroxid ze hëtzen^[2].

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}-COONa+NaOH\rightarrow Na_{2}CO_{3}+CH_{4}} }$^[1]

An der Industrie

Fir Methan industriell hierzestellen ginn Äerdgas, Gaser aus der Kokerei a vum Pëtrol distilléiert. Zum Beispill mat der Fischer-Tropsch-Synthees kann ee Methan hierstellen^[1].

D'Methaniséierung ass eng Method fir Methangas aus Kuelemonoxid a Waasserstoff hierzestellen. Dës Reaktioun leeft bei 250-300 °C of a gëtt duerch Néckel katalyséiert. Dobäi entsteet Wäermt, Waasser a Methan. Mä et kann een dës Reaktioun bei 800 °C ëmdréinen. Dës Method gëtt Streamreforming genannt^[2].

• ${\displaystyle \mathrm {CO+3\,H_{2}\;{\overrightarrow {\leftarrow }}\;CH_{4}+H_{2}O} \ }$

An der Natur

An der Natur gëtt Methan vu Mikroorganisme produzéiert, déi, ouni datt Loft derbäi kënnt, organesch Matière zersetzen. Wa Bakteerien zum Beispill Gras, Mëscht, Piff a Klärschlamm zersetzen entsteet haaptsächlech Methan, nieft Kuelendioxid, Stéckstoff, Waasserstoff a Schwiefelwaasserstoff^[1].

Moleküll vum Methan

D'Moleküll vum Methan besteet aus engem Kuelestoff-Atom a véier Waasserstoff-Atomer. Déi Atomer sinn duerch eng kovalent Liaisoun matenee verbonnen. All Atom huet d'Konfiguratioun vun engem Eedelgas: de Waasserstoff-Atom huet déi vum Helium an de Kuelestoff-Atom déi vum Neon.

D'Bindungen am Moleküll vum Methan entsti wa sech d'elektronesch Wolleke vum Kuelestoffatom a vum Waasserstoffatom matenee verbannen. D'Elektrone vun der leschter Couche vum Kuelestoffatom vollzéie fir d'éischt eng Promotioun, dann eng Hybridation sp³, bei där véier elektronesch Wolleken oder Orbitale vum Typ sp³ entstoen. Déi Wolleken orientéieren sech sou, datt se all sou weit wéi méiglech vuneneen entfernt sinn. Dofir huet d'Moleküll vum Methan eng tetraedresch Struktur an all véier Orbitale forméieren e Wénkel vun 109,5° zueneen. D'Orbital vun deene véier Waasserstoffatomer iwwerlappt sech mat der Orbital sp³. Sou entsti véier Orbitaler mat zwéin Elektronen am Moleküll vum Methan. Déi véier Atomkäre stousse sech of well se positiv geluede sinn. Mä d'Orbitalen déi negativ geluede sinn zéien déi positiv geluede Kären un an halen d'Atomer vum Moleküll zesummen^[2].

De Kuelestoffatom, deen aus enger Hybridation sp³ entsteet, forméiert nëmmen einfach kovalent Liaisounen. An der organescher Chimie gi si och nach σ-Liaisounen (liaisons σ) genannt. D'Kuelestoffatomer vun den Alkane sinn duerch σ-Liaisoune matenee verbonnen^[2].

Doriwwer eraus ass d'Moleküll vum Methan apolaire.

Virkommen

Methan lagert, wéi den Äerdueleg, a risege Gasreservoiren ënner der Äerd. Da kënnt Methan nach an enorme Quantitéiten um Mieresbuedem vir. Do lagert en ënner der Form vu Methanhydrat.

Methangas ass och den Haaptbestanddeel vun de Gasplanéiten Jupiter, Saturn, Uranus an Neptun.

Uwendung

An der Chimie gëtt Methan geholl fir Ammoniak, Methanol, Waasserstoff, Blosaier an Acetylen hierzestellen.^[1]

Methan als Zäregas

Methan ass ee vun de wierksaamsten Zäregaser. E gëtt vu Räisfelder, vu Suppen, vun tropesche Bëscher, vum landwirtschaftleche Véi a vun der Gas- a Kuelenindustrie fräigesat^[4]. An de leschten 200 Joer ass de Methangehalt vun der Atmosphär permanent an d'Luucht gaangen. Zanter 2007 sinn erëm zousätzlech Milliounen Tonne Methangas an d'Atmosphär geschleidert ginn^[4]. En ass fir 20 % vum Zäregas-Effekt verantwortlech^[4]. En absorbéiert, wéi de Kuelendioxid, d'infrarout Liicht a verhënnert datt d'Wäermt vun der Sonn erëm zeréck un de Weltraum ofgi gëtt^[4]. Mä Methan ass nach méi staark wéi Kuelendioxid. Ee Moleküll vum Methan wierkt geneesou staark wéi 21 CO₂-Moleküllen^[4].

Awer nëmmen 30 % vun de Methan-Emissioune gi vun der Natur verursaacht^[4]. Fir déi aner 70 % ass de Mënsch direkt oder indirekt verantwortlech^[4]. Virun allem d'Landwirtschaft ass schold un deenen héije Methan-Emissiounen^[4]. Räisfelder, Kéi a Schof schleideren sou vill Methan an d'Loft, datt et Konsequenze fir d'Weltklima huet^[4].

Methan gëtt awer och an der Atmosphär durch Hydroxyl-Ionen OH^- ofgebaut^[4]. Doduerch gouf et e Gläichgewiicht vun Ofbau an Emissiounen^[4]. Soulaang d'Konzentratioun vum Methan an der Atmosphär stabil blouf, goufen déi enorm Kuelendioxid-Emissioune kompenséiert. Mä dat Gläichgewiicht ass erëm gestéiert an de Methangehalt an der Atmosphär gëtt erëm méi grouss. Virun engem Joer (2010) sinn et zirka 1751 ppb (parts per billion)^[4]. Dat ass méi wéi zweemol sou vill wéi virun der industrieller Revolutioun^[4].

Iwwerraschend ass datt de Methangehalt an der Loft iwwerall op der Welt gläichzäiteg eropgaangen ass^[4]. Et dauert an der Atmosphär méi wéi ee Joer bis datt sech de Gasgehalt vun der südlecher an der nërdlecher Hemisphär gemëscht an ausgeglach hunn^[4]. Dowéinst hätten iwwerall op der Welt gläichzäiteg d'Methangas-Emissiounen eropgoe missen. Dat ass awer net de Fall. Déi meescht Methangas-Emissiounen entstinn nämlech op der nërdlecher Hemisphär^[4].

Dat kéint doru leien, datt 2007 a Sibirien de gefruerene Buedem, wéinst dem waarme Wieder, entdeet ass^[4]. Doduerch ass de bakteriellen Ofbau erëm un d'Lafe komm a grouss Quantitéite Methangas goufe fräigesat^[4]. Firwat op der südlecher Hemisphär de Methangehalt eropgeet, kann een domat net erklären.

Eng aner Erklärung seet, datt d'Konzentratioun vun den Hydroxyl-Ionen an der Atmosphär ofgeholl huet. Dat ass awer nëmmen eng theoreetesch Erklärung, déi nach net genee nogewise konnt ginn^[4].

Literatur

• A. Dessart - J. Jodogne - J. Paul, Chimie organique, Éditions A. De Boeck, Bruxelles, 1979

Um Spaweck

Commons: Methan – Biller, Videoen oder Audiodateien

• http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_methan.htm [21.10.2011]
• http://www.g-o.de/wissen-aktuell-9044-2008-10-31.html [21.10.2011]
• http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?sid=24869888&loc=es_rss [21.10.2011]
• http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?Name=Methane&Units=SI [28.02.2012]

Referenzen

1. http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_methan.htm [28.02.2012]
2. Éditions A. De Boeck, Bruxelles, 1979, Chimie organique, A. Dessart - J. Jodogne - J. Paul, S. 57, 58-59, 60-64
3. Lewis, R. J., Sr. (Ed.). Hawley's Condensed Chemical Dictionary. 13th ed. New York, NY: John Wiley & Sons Inc. 1997., p.720
4. http://www.g-o.de/wissen-aktuell-9044-2008-10-31.html (Massachusetts Institute of Technology, 31.10.2008 - NPO) [21.10.2011]