Vorkommen und Bedeutung
Besonders in den letzten Jahrzehnten hat das Gas Methan an Bedeutung gewonnen, da es in direktem Zusammenhang mit dem anthropogenen Treibhauseffekt, also dem von Menschen verursachten Klimawandel, steht. Methan zählt zu den klimaschädlichen Treibhausgasen und wirkt zehn bis zwanzig Mal schädlicher als Kohlenstoffdioxid, sodass auch kleinere Mengen bereits Schaden anrichten können. Somit ist es das zweit wichtigste Treibhausgas nach Kohlenstoffdioxid. Erdgas als kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch besteht meistens zum Großteil aus Methan. Beim Abbau von Öl, Erdgas und Kohle wird dieses freigesetzt. Doch nicht nur bei der Gewinnung von Rohstoffen wird Methan frei, sondern auch eine Kuh stößt bei jedem Rülpser oder Pups Methan aus (Abb. 1.1). Wusstest du, dass eine Kuh \( \ce{100 kg}\) Methan pro Jahr produziert? Aber auch andere Wiederkäuer stoßen Methan aus. Neben der Tierhaltung wird beim Reisanbau eine enorme Menge an Methan gebildet (Abb. 1.2). In den Schlamm gefluteten Feldern entstehen unter Ausschluss von Sauerstoff sich schnell vermehrende Bakterien, welche Methan erzeugen können. Zu den größten natürlichen Methanquellen zählen Sümpfe und Moore (Abb. 1.3). Mikroorganismen wandeln dabei im sauerstofffreien Raum das Salz der Essigsäure oder Wasserstoff und Kohlenstoff zu Methan um. Jegliche Entstehung von Methan aus sauerstofffreier Biomasse bezeichnet man als Methanogenese. Sauerstofffrei wird in der Fachliteratur auch als anaerob bezeichnet.
Verwendung
Neben der Gewinnung aus Erdgas wird Methan als Biogas auch aus organischen Abfällen in Biogasanlagen gewonnen. Aufgrund seiner Eigenschaften wird Methan zum Heizen genutzt. Methan ist also ein alternativer Brennstoff für die Heizung. Zudem ist Methan ein wichtiger Ausgangsstoff zur Herstellung organischer Verbindungen sowie zur Wasserstoffproduktion.
Struktur
Methan gehört zur homologen Reihe der Alkane und ist sein erster Vertreter. Es ist die einfachste Kohlenwasserstoffverbindung der Alkane. Vier Wasserstoff-Atome sind jeweils über eine einfache Elektronenpaarbindung mit dem Kohlenstoff-Atom verbunden (Abb. 2.1). Damit gehört Methan zu den gesättigten Kohlenwasserstoffen. Nach dem Elektronenpaarabstoßungsmodell bilden die Wasserstoff-Atome die Ecken eines Tetraeders, während das Kohlenstoff-Atom zentral in der Mitte steht. Die Bindungswinkel zwischen dem Kohlenstoff-Atom und zwei Wasserstoff-Atomen beträgt \( \ce{109,5 °}\)(Abb. 2.2).
Eigenschaften
Methan ist ein farbloses, geruchloses sowie leicht brennbares Gas. Die Schmelztemperatur liegt bei \( \ce{-182,6 ° C}\) und die Siedetemperatur bei
\( \ce{-161,7 ° C}\). Methan ist „leichter“ als Luft. Die Dichte beträgt nur \(\rm{0,72 \frac{\ce{kg}}{\ce{m^3}}} \).
Löslichkeit
Die Löslichkeit von Stoffen hängt von den zwischenmolekularen Wechselwirkungen ab. Sind die zwischenmolekularen Kräfte zweier Stoffe ähnlich, so können sie sich ineinander lösen. Methan löst sich kaum in Wasser. Das Wasser-Molekül ist durch seine gewinkelte Struktur und den polaren Elektronenpaarbindungen zwischen dem Sauerstoff-Atom und den Wasserstoff-Atomen ein Dipol-Molekül. Es hat also eine positive sowie negative Teilladung. Dadurch entstehen Wasserstoffbrücken zwischen den Wasser-Molekülen. Die Elektronenpaarbindungen zwischen dem Kohlenstoff-Atom und den vier Wasserstoff-Atomen innerhalb des Methan-Moleküls ist hingegen unpolar. Dadurch entstehen van der Waals-Kräfte zwischen den Methan-Molekülen. Aufgrund der unterschiedlichen zwischenmolekularen Wechselwirkungen lösen sich Methan und Wasser kaum ineinander. Hingegen löst sich Methan gut in Ethanol oder Diethylether. Anhand der Strukturformeln erkennst du, dass auch Ethanol-Moleküle sowie Diethylether-Moleküle Kohlenstoffketten aufweisen, sodass sich auch hier van der Waals-Kräfte zwischen den Molekülen ausbilden können.
Brennbarkeit
Methan ist ein brennbares Gas. Brennbar bedeutet, dass es mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser reagiert.
\(\ce{CH_{4}_{(g)} + 2 O_{2}_{(s)}\rightarrow CO_{2}_{(g)} + 2 H_{2}O_{(g)}}\)
Zusammenfassung
Methan ist ein geruchloses, farbloses Gas und ist der einfachste Vertreter der Stoffgruppe der Alkane. Es ist leicht brennbar und schlecht in Wasser löslich. Die Wasserstoff-Atome des Methan-Moleküls bilden die Ecken eines Tetraeders. Neben Kohlenstoffdioxid ist Methan das zweitschädlichste Treibhausgas und wird vor allem beim Abbau von Öl, Erdgas und Kohle freigesetzt.