Methan ^{Sek I, EF}

Struktur ^EF

Konstitution

Das einfachste Alkan ist das Methan CH₄, seine Konstitution kann beschrieben werden als "ein C-Atom, das mit vier H-Atomen verbunden ist". Die vier H-Atome sind tetraedrisch um das C-Atom herum angeordnet, wie man auf dem folgenden Bild gut sehen kann:

Das Methan-Molekül
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Das Methan-Molekül im Kugelwolkenmodell

Das Kohlenstoff-Atom

Nach dem Kugelwolkenmodell besitzt das Kohlenstoff-Atom vier kugelförmige Aufenthaltsräume für Elektronen, jede dieser Kugelwolken ist beim C-Atom mit einem Elektron besetzt.

Das C-Atom im Schalenmodell (links) und im Kugelwolkenmodell (rechts)
Autor: Ulrich Helmich 2018, Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Hier sehen wir das Kohlenstoff-Atom im Schalenmodell und im Kugelwolkenmodell.

Der Grund für die tetraederförmige Anordnung der vier Aufenthaltsräume ist die gegenseitige Abstoßung der negativ geladenen Wolken. Die vier Kugelwolken stoßen sich gegenseitig ab (Elektronen sind negativ geladen, und gleiche Ladungen stoßen sich ab - das ist grundlegende Physik). Durch diese Abstoßung stellt sich eine Raumstruktur ein, bei der jede Kugelwolke möglichst weit von den anderen drei Kugelwolken entfernt ist - die Tetraederstruktur.

Das Methan-Molekül

Das Methan-Molekül nach dem Kugelwolkenmodell
Autor: Ulrich Helmich 2018, Lizenz: siehe Seitenende

Eine Kugelwolke, die nur ein Elektron enthält, ist energetisch sehr ungünstig. Energetisch günstiger wäre es, wenn jede Kugelwolke mit zwei Elektronen besetzt wäre. Bei vier Kugelwolken hätten wir dann acht Elektronen, nach der Oktettregel ist das der energetisch günstigste Zustand eines Atoms.

Ein Wasserstoff-Atom hat nur eine Kugelwolke, die mit einem Elektron besetzt ist. Auch das ist ein energetisch ungünstiger Zustand.

Wenn nun jede der vier Kohlenstoff-Kugelwolken mit einer Wasserstoff-Kugelwolke überlappt, erhalten wir das Methan-Molekül. Das Kohlenstoff-Atom besitzt jetzt acht Außenelektronen, und jedes Wasserstoff-Atom hat zwei Außenelektronen. Alle fünf Atome befinden sich damit im energetisch günstigsten Zustand.

Vorkommen ^EF

Methan ist mit 75% bis 99% der Hauptbestandteil des Erdgases, und auch in Kohleflözen und Erdöllagerstätten kann Methan vorkommen. Methan wird auch von Mikroorganismen gebildet, wenn organische Stoffe unter Luftabschluss zersetzt werden. Am Meeresgrund ist viel Methan in Form von Methanhydrat ("Methaneis") gespeichert. Bestimmte Darmbakterien können Nahrungsmittelbestandteile enzymatisch spalten, dabei entsteht dann auch Methan, was zu unangenehmen Blähungen führen kann.

Physikalische Eigenschaften ^EF

Der Schmelzpunkt von Methan ist mit -182 ºC sehr niedrig, ebenso der Siedepunkt mit -161 ºC. Ursache hierfür sind die unpolaren C-H-Bindungen im Molekül. Die Methan-Moleküle können weder Dipol-Dipol-Bindungen noch H-Brücken untereinander bilden.

Auch die extrem geringe Wasserlöslichkeit des Methans wird dadurch erklärt, dass Methan keine H-Brücken (zu H₂O-Molekülen) ausbilden kann.

Methan ist farb- und geruchlos; seine Dichte ist deutlich geringer als die der Luft, weshalb Methan, das auf der Erdoberfläche freigesetzt wurde, in die oberen Atmosphärenschichten aufsteigt und dort als Treibhausgas 20-30 mal aktiver ist als Kohlendioxid.

Chemische Eigenschaften / Reaktionen ^EF

Zwei typische Reaktionen des Methans, die man als Schüler(innen) kennen sollte, sind die Oxidation und die Chlorierung. Beide Reaktionen spielen eine wichtige Rolle im Alltag und in der chemischen Industrie.

Oxidation

Bei der Reaktion mit Sauerstoff nach der Gleichung

$CH_{4} + 2 \ O_{2} \to CO_{2} + 2 \ H_{2}O \ \ \ \Delta H = -802,4 kJ/mol$

wird eine große Menge an Wärmeenergie freigesetzt, was vor allem bei der Verbrennung von Erdgas eine wichtige Rolle spielt.

Chlorierung

Unter Lichteinfluss reagiert Methan mit dem Halogen Chlor (und Brom).

Bei der Chlorierung entsteht zunächst Chlormethan CH₃Cl. Reagiert das Chlormethan weiter, bildet sich Dichlormethan CH₂Cl₂. Bei weiterer Reaktion mit Chlor entsteht Trichlormethan CHCl₃ bzw. Chloroform, früher als Betäubungsmittel bei Operationen eingesetzt. Am Ende, bei noch weiterer Chlorierung, ergibt sich Tetrachlormethan CCl₄ bzw. Tetrachlorkohlenstoff, ein wichtiges unpolares Lösemittel.