Methan

1. Einführung

Methan CH₄, ist das einfachste Alkan, das erste Glied in der homologen Reihe der Alkane und die einfachste organische Verbindung überhaupt.

2. Strukturdaten

Strukturdaten des Methan-Moleküls
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: Public domain

Die vier H-Atome des Methans sind tetraedrisch angeordnet, der Bindungswinkel H-C-H beträgt also jeweils 109,5º.

Die vier C-H-Bindungen sind nicht ganz unpolar, da ein gewisser EN-Unterschied zwischen Kohlenstoff (2,5) und Wasserstoff (2,2) vorhanden ist, aber für die meisten Belange wird die C-H-Bindung als unpolar bezeichnet. Auch vom physikalischen Verhalten her ist die Verbindung Methan unpolar, was man u.a. an dem sehr niedrigen Siedepunkt und der extrem schlechten Wasserlöslichkeit erkennen kann.

Die Bindungslänge der C-H-Bindungen beträgt 108,7 pm, und die Bindungsdissoziationsenergie liegt bei 411 kJ/mol, wobei das nur ein Durchschnittswert ist; zur Abspaltung des ersten H-Atoms sind beispielsweise 421 kJ/mol notwendig.

3. Physikalische Eigenschaften

3.1 Schmelz- und Siedepunkt

Der Schmelzpunkt von Methan ist mit -182 ºC sehr niedrig, ebenso der Siedepunkt mit -161 ºC ^[1]. Das liegt einmal an den ziemlich unpolaren C-H-Bindungen (EN-Differenz nur 0,4) und zum andern an der symmetrischen tetraederförmigen Ausrichtung der C-H-Bindungen. Selbst wenn jede der vier Bindungen stark polar wäre (was sie nicht sind), hätte das Molekül wegen seiner symmetrischen Struktur kein Dipolmoment. Allein auf die schwachen London-Kräfte halten die Moleküle zusammen.

3.2 Löslichkeitsverhalten

Die extrem geringe Wasserlöslichkeit des Methans wird dadurch erklärt, dass das Methan-Molekül keine H-Brücken mit Wasser-Molekülen bilden kann. Gut löslich ist Methan dagegen organischen Lösemitteln wie Alkohol oder Ether ^[1].

3.3 Weitere Eigenschaften

Methan ist farb- und geruchlos; seine Dichte ist mit 0,656 g/l deutlich geringer als die der Luft (1,29 g/l bei 0 ºC), weshalb Methan, das auf der Erdoberfläche freigesetzt wurde, in die oberen Atmosphärenschichten aufsteigt und dort als Treibhausgas 20-30 mal aktiver ist als Kohlendioxid.

Giftig ist Methan für den Menschen nicht direkt, aber ein zu hoher Methangehalt in der Luft (>14%) vermindert den Sauerstoff-Anteil, was dann zu Atemproblemen führen kann ^[2].

4. Gewinnung und Synthese

4.1 Biogas

Auf natürliche Weise entsteht Methan durch den anaeroben Abbau organischer Materie durch Bakterien (Methangärung). Auf diese Weise sind auch die großen Methanvorkommen im Erdgas entstanden. Heute macht man sich diesen Prozess bei der Gewinnung von Biogas zunutze.

Ein Biogasspeicher
No machine-readable author provided. Gerfriedc assumed (based on copyright claims)., CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

4.2 Industrielle Synthese von Methan

Methan kann technisch durch die direkte Umsetzung von Kohlenstoff und Wasserstoff erzeugt werden (Kohlevergasung). Auch die Umsetzung von Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid mit Wasserstoff ist ein mögliches Verfahren (Sabatier-Prozess). Allerdings kommt Methan so häufig in der Natur vor, dass diese industriellen Verfahren so gut wie keine Rolle spielen.

4.3 Laborsynthesen

Im Labor kann Methan gut aus Aluminiumcarbid Al₄C₃ oder Natriumacetat CH₃COONa gewonnen werden ^[3]:

$Al_4C_3 + 12 \ H_2O \to 4 \ Al(OH)_3 + 3 \ CH_4$

$Al_4C_3 + 12 \ H_2O \to 4 \ Al(OH)_3 + 3 \ CH_4$

$CH_3COONa + NaOH \to Na_2CO_3 + CH_4$

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5. Reaktionen

Methan ist ein wertvoller Ausgangsstoff für viele industrielle Synthesen, beispielsweise für Methanol, Formaldehyd, Ethin, Schwefelkohlenstoff, Dichlormethan und so weiter.

5.1 Oxidation

Industriell noch wichtiger ist allerdings die Verbrennung von Methan (im Erdgas) zur Energiegewinnung für Gasheizungen oder - in größerem Maßstab - in Erdgas-Kraftwerken:

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

Da Methan ein Treibhausgas ist und bei der Verbrennung das (harmlosere) Treibhausgas CO₂ entsteht, ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis das Verbrennen von Methan durch die Nutzung erneuerbarer Energien abgelöst wird.

5.2 Halogenierung

Unter Lichteinfluss reagiert Methan mit den Halogenen Chlor und Brom.

Bei der Chlorierung, die nach dem Mechanismus der Radikalischen Substitution S_R abläuft, entsteht zunächst Chlormethan CH₃Cl (ΔH = -103,5 kJ/mol). Reagiert das Chlormethan weiter, bildet sich Dichlormethan CH₂Cl₂ (ΔH = -102,5 kJ/mol). Bei weiterer Reaktion mit Chlor entsteht Trichlormethan CHCl₃ bzw. Chloroform, früher als Betäubungsmittel bei Operationen eingesetzt (ΔH = -99,2 kJ/mol). Am Ende, bei noch weiterer Chlorierung, ergibt sich Tetrachlormethan CCl₄ bzw. Tetrachlorkohlenstoff (ΔH = -94,8 kJ/mol), ein wichtiges unpolares Lösemittel.

5.3 Andere Reaktionen

Methan kann auch mit Schwefel reagieren (700 ºC und Aluminiumoxid als Katalysator), dabei entstehen Kohlenstoffdisulfid CS₂ und Schwefelwasserstoff. Bei der Reaktion mit Ammoniak NH₃ bilden sich Cyanwasserstoff HCN (Blausäure) und Wasserstoff. Das Alkin Ethin C₂H₂ kann aus Methan synthetisiert werden, dabei lagern sich zwei Methan-Moleküle zu einem Ethin-Molekül zusammen, als Nebenprodukt entsteht Wasserstoff.

Hier noch einmal ein graphischer Überblick:

Einige Reaktionen des Methans
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: Public domain

Die hier gezeigten organischen Produkte wie CH₃Cl sind natürlich keine endgültigen und unveränderlichen Produkte, sondern können selbst wieder Ausgangsstoffe weiterer Reaktionen sein. Das Chlor-Atom im CH₃Cl kann zum Beispiel durch ein Brom-Atom oder eine OH-Gruppe ersetzt werden, an die Dreifachbindung im C₂H₂ können sich Wasser-Moleküle oder andere Verbindungen wie H₂ oder NH₃ addieren und so weiter. Wollte man das alles zeichnen, würde sich ein riesengroßes Netz von Reaktionen und Stoffen ergeben, das auf dieser Seite keinen Platz hätte.

6. Vorkommen und Bedeutung

Methan ist mit 75% bis 99% der Hauptbestandteil des Erdgases. Aber auch in Kohleflözen und Erdöllagerstätten kann Methan vorkommen. Beim Untertagebau kann dies zu gravierenden Problemen führen, da Methan mit Luftsauerstoff und Kohlenstaub explosive Gemische bildet (siehe Schlagwetter in der Wikipedia) ^[1,2,3]. Daher muss in solchen Bergwerken der Methangehalt der Luft ständig überwacht werden ^[1].

Aber auch von Mikroorganismen wird Methan gebildet, vor allem beim Faulen organischer Stoffe unter Luftabschluss (Sumpfgas, Biogas). 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 ^[2,3].

Weitere Vorkommen von Methan sind Permafrostböden und das Methanhydrat in der Tiefsee ^[2,3].

Methanhydrat ^[3]

Methanhydrat ist ein Clathrat oder auf Deutsch eine Käfigeinschlussverbindung.

Käfige aus Wasser-Molekülen, die Methan enthalten können
Mrmw, CC0, via Wikimedia Commons

Dabei bilden Wasser-Moleküle eine Art Käfig, in der sich dann ein oder mehrere Methan-Moleküle befinden. Zusammengehalten wird diese Wasser-Käfig durch Wasserstoffbrücken-Bindungen zwischen den H₂O-Molekülen.

Methanhydrat entsteht vor allem in der Tiefsee, wo Methanbakterien (Archaeen der Klasse Methanobacteria) das CH₄ produzieren. Dieses Methan wird dann unter dem hohen Druck, der in der Tiefsee herrscht, in solche Wasserkäfige eingeschlossen. Die Vorkommen an Methanhydrat sind enorm, man vermutet bis zu 12 Billionen Tonnen. Das ist zweimal so viel wie sämtliche Erdöl-, Erdgas- und Kohlevorkommen der Erde zusammengerechnet. Kein Wunder, dass man daran arbeitet, Methanhydrat als Energiequelle zu erforschen. Ein Problem dabei ist natürlich die schlechte Zugänglichkeit des Methanhydrats, eine wirtschaftliche Förderung ist noch in weiter Ferne. Und wahrscheinlich ist das auch gut so, denn Methan ist ein Treibhausgas, das den Klimawandel weiter antreibt.

In der Erdatmosphäre ist ebenfalls Methan enthalten, allerdings nicht sehr viel, nur ca. 1,72 ppm. Trotzdem darf das atmosphärische Methan nicht vernachlässigt werden, schließlich ist es ein viel stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid (1 g Methan hat die gleiche Wirkung wie 23 g CO₂) ^[2].

Laut [1] beträgt der Methangehalt der Atmosphäre nur 1,3 ppm und steigt um 1 bis 2 Prozent pro Jahr. Der Römpp ist 1992 erschienen, während der Beyer/Walter 2015 veröffentlicht wurde. Dazwischen liegen also 23 Jahre. Der Methangehalt der Luft sollte nach [1] in diesen 23 Jahren um 23-46% zugenommen haben. Das entspricht ziemlich genau der Differenz zwischen diesen beiden ppm-Werten.

Interessant ist, das Methan ein Bestandteil der Uratmosphäre der Erde war - allerdings auch nur in Spuren. Auf den großen Planeten unseres Sonnensystems (Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun) ist Methan dagegen der Hauptbestandteil der Atmosphäre. Auf dem Saturnmond Titan soll es sogar große Seen aus Methan geben ^[2].