Methan

Methan
Systemateschen Numm (IUPAC)	Methan
Trivialen Numm	Methylwaasserstoff
Chemesch Formel	CH4
Ausgesinn / Geroch	Faarflosen a gerochlose Gas
Eegeschaften
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
Ähnlech Molekülen	Ethan Propan Butan
Chemesch Famill	Alkanen

Methan ass e Kuelewaasserstoof an deen einfachsten Alkan. En ass den Haaptbestanddeel vum Biogas a vum Äerdgas. Nom Kuelendioxid ass en dee wichtegsten Zäregas. En ass allerdéngs a vill méi klenge Quantitéiten an der Atmosphär, mä e wierkt vill méi staark.

Methan kann als Brennstoff oder als Killmëttel gebraucht ginn an déngt als Ausgangspunkt fir vill aner organesch Verbindungen. Methan gëtt bei biologeschen a geologesche Procédée fräigesat.

Physikalesch Eegeschaften

Methan ass e Gas ouni Goût, Faarf a Geroch. 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.

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

Chemesch Eegeschaften

Methan forméiert nëmme mat dem Chlor, dem Brom an der Salpéitersaier nei chemesch Produiten. Aner chemesch Elementer zerstéieren d'Molekül vum Methan oder féieren zu enger Verbrennung, wéi bei dem Sauerstoff. Awer déi meescht chemesch Elementer a Produite reagéiere guer net mat dem Methan; si sinn inert. Dat läit dorunner datt en e gesiedegte Kuelewaasserstoff ass.

Verbrennung vum Methan

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

$\mathrm{ CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O}$

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

$\mathrm{ 2\,CH_4 + 3\,O_2 \rightarrow 2\,CO + 4\,H_2O}$

$\mathrm{ CH_4 + O_2 \rightarrow C + 2\,H_2O}$

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

$\mathrm{ CH_4 + O_2 \rightarrow H_2 + 2\,CO}$

Reaktioun mat den Halogenen

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

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

$\mathrm{ CH_4 + 2\,Cl_2 \rightarrow C + 4\,HCl}$

Wann een awer e Gasgemësch aus Methan a Chlor mat Liicht bestrahlt, 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.

$\mathrm{ CH_4 + X_2 \rightarrow CH_3X + HX}$

• X = Cl, Br

D'Reaktioun mam Fluor zerstéiert d'Molekül vum Methan. D'Ennprodukter vun där Reaktioun si Kuelestoff a Fluorwaasserstoff.

$\mathrm{ CH_4 + 2\,F_2 \rightarrow C + 4\,HF}$

Mam Iod reagéiert de Methan net.

Reaktioun mat Salpéitersaier

Methan reagéiert bei 450 °C mat den Dämp vun der Salpéitersaier. Bei där Reaktioun ersetzt de Grupp NO₂ e Waasserstoff-Atom vum Methan an et entsteet Nitromethan a Waasser.

$\mathrm{ CH_4 + HNO_3 \rightarrow CH_3NO_2 + H_2O}$

Produktioun vum Methan

Am Laboratoire:

Methan ka mat Aluminiumcarbid a Waasser hiergestallt ginn. Den Aluminiumcarbid gëtt duerch waarmt Waasser zersat. Et gëtt nach e bësse Chlorwaasserstoff bei d'Waasser gemëscht fir d'Aluminiumhydrat ze zerstéieren, dat um Aluminiumcarbid entsteet.

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

Eng aner Method besteet doranner, Natriumacetat mat Natriumhydroxid ze hëtzen.

$\mathrm{ CH_3-COONa + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + CH_4}$

An der Industrie:

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

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.

• $\mathrm{CO + 3\,H_2 \;\overrightarrow{\leftarrow}\; CH_4 + H_2O}\$

An der Natur:

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

Molekül vum Methan

D'Molekül 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 Edelgas: de Waasserstoff-Atom huet déi vum Helium an de Kuelestoff-Atom déi vum Neon.

D'Bindungen am Molekül 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 Orbitalen vum Typ sp³ entstoen. Dës Wolleken orientéieren sech esou, datt se all esou weit wéi méiglech vuneneen entfernt sinn. Dofir huet d'Molekül vum Methan eng tetraedresch Struktur an all véier Orbitalen forméieren e Wénkel vun 109,5° zueneen. D'Orbital vun deene véier Waasserstoffatomer iwwerlappt sech mat der Orbital sp³. Esou entsti véier Orbitaler mat zwéin Elektronen am Molekül 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 vun dem Molekül zesummen.

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.

Doriwwer eraus ass d'Molekül vum Methan apolaire.

Virkommen

Methan lagert, wéi de Pëtrol, a risege Gasreservoiren ënnert der Äerd. Da kënnt Methan nach an enorme Quantitéiten um Mieresbuedem vir. Do lagert en ënnert 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 hirzestellen.

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. An de leschten 200 Joer ass de Methangehalt vun der Atmosphär permanent an d'Luucht gaangen. Zënter 2007 sinn erëm zousätzlech Milliounen Tonne Methangas an d'Atmosphär geschleidert ginn. En ass fir 20% vum Zäregas-Effekt verantwortlech. En absorbéiert, wéi de Kuelendioxid, d'infrarout Liicht a verhënnert datt d'Wäermt vun der Sonn erëm zréck un de Weltall ofgi gëtt. Mä Methan ass nach méi staark wéi Kuelendioxid. Ee Molekül vum Methan wierkt genee sou staark wéi 21 CO₂-Molekülen.

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

Methan gëtt awer och an der Atmosphär durch Hydroxyl-Ionen OH^- ofgebaut. Doduerch gouf et e Gläichgewiicht vun Ofbau an Emissiounen. 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 circa 1751 ppb (parts per billion). Dat ass méi wéi zweemol esou vill wéi virun der industrieller Revolutioun.

Iwwerraschend ass datt de Methangehalt an der Loft iwwerall op der Welt gläichzäiteg eropgaangen ass. 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. 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.

Dat kéint dorunner leien, datt 2007 a Sibirien de gefruerene Buedem, wéinst dem waarme Wieder, entdeet ass. Doduerch ass de bakteriellen Ofbau erëm un d'Lafe komm a grouss Quantitéite Methangas goufe fräigesat. 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 theoretesch Erklärung, déi nach net genee nogewise konnt ginn.

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]