Methan – Produktion, Eigenschaften, Verwendung

Allgemeine Merkmale von Methan

Methan ist die einfachste Verbindung in der homologen Reihe der aliphatischen Kohlenwasserstoffe. Die Summenformel von Methan lautet CH₄. Sein Molekül besteht aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen. Alle Bindungen zwischen den Atomen im Methanmolekül sind von kovalenter Natur (es sind Sigma-Bindungen). Es ist experimentell nachgewiesen worden, dass sie die gleiche Länge und Energie haben. Die Winkel zwischen den Bindungen sind gleichwertig und betragen 109ᵒ28′. Das Molekül dieser Verbindung nimmt die Form eines Tetraeders oder regelmäßigen Tetraeders an. Dementsprechend nimmt das Kohlenstoffatom eine als sp³ bezeichnete Hybridisierung an.

Gewinnung und Eigenschaften

In der Natur kommt Methan recht häufig vor. Seine Hauptquelle ist Erdgas. Die Vorkommen dieses fossilen Brennstoffs befinden sich meist tief unter der Erde oder auf dem Grund der Meere und Ozeane, von wo aus sie gefördert werden. Häufig wird der Rohstoff aus solchen Quellen als organisches Gas bezeichnet, d.h. es entsteht durch die Umwandlung organischer Materie unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen. Methan findet sich auch in Grubengasen, die Kohlelagerstätte begleiten, sowie in Schlammgas, das bei der Zersetzung von Pflanzenresten freigesetzt wird. Dieses Gas ist in diesem Fall das Produkt einer Reihe von Zersetzungsprozessen organischer Stoffe. Am Boden der Meere und Ozeane sammeln sich erhebliche Mengen Methan in Form von  Methanclathraten an, in denen das Methangas in einem besonderen Käfig aus Wassermolekülen eingeschlossen ist.

Methan kann unter Laborbedingungen auf verschiedene Weise gewonnen werden. Eine davon ist die direkte Synthese aus Kohlenstoff und Wasserstoff bei hoher Temperatur (500ᵒC). Im Labor wird häufig die Reaktion von Aluminiumcarbid mit Wasser verwendet, um Methanmoleküle sowie Aluminiumhydroxid zu erzeugen. Bei der Durchführung dieser Reaktion ist zu beachten, dass Methan eine gasförmige Substanz ist und zum Auffangen des entstehenden Produkts ein spezielles System vorbereitet werden muss, um die gasförmigen Produkte aufzufangen. Eine weitere Labormethode ist das Erhitzen eines Gemischs aus Natriumacetat und Natriumhydroxid bei erhöhter Temperatur (Decarboxylierung).

Physikalisch-chemische Eigenschaften von Methan:

• bei Raumtemperatur ein geruchloses und farbloses Gas,
• leicht entzündliche Substanz, es brennt mit einer bläulichen Flamme,
• einzelne Methanmoleküle sind sehr stabil, aber sein Gemisch mit Luft oder Sauerstoff ist explosiv (Methangehalt von 5 bis etwa 14 Volumenprozent),
• es ist ein Gas, das gegen Chemikalien beständig ist,
• seine Dichte ist geringer als die von Luft,
• es ist unlöslich in Wasser,
• es löst sich gut in organischen Lösungsmitteln,
• es ist nicht toxisch.

Methan durchläuft mehrere wichtige chemische Reaktionen. Zu den wichtigsten davon gehören Verbrennungsreaktionen. Bei uneingeschränktem Zugang der Luft wird das Methan vollständig verbrannt. Als Ergebnis entstehen Kohlendioxid und Wasser. Diese Art der Verbrennung ist die sicherste und wirtschaftlichste. Ist der Zugang zu Sauerstoff begrenzt, findet eine unvollständige Verbrennung von Methan statt. In Abhängigkeit von der zugeführten Sauerstoffmenge sind die Produkte dieser Verbrennung Kohlenstoffmonoxid (II) (giftiges Kohlenmonoxid) und Wasser oder Kohlenstoff und Wasser.

Methan reagiert nicht mit Brom und Permangansäure. Dies ist der Grund dafür, dass es Bromwasser und Kaliumpermanganatlösung (VII) nicht entfärbt. Im Gegensatz dazu reagiert es relativ leicht mit Chlor. Die Reaktionen von Alkanen mit Halogenen sind stark exotherm. Die zwischen Methan und Chlor stattfindenden Umwandlungen sind radikalischer Natur. Wichtig ist, dass die Chlorierung dieses einfachsten Alkans nicht im Dunkeln stattfindet (sie wird normalerweise durch Licht ausgelöst). Dazu müsste das gesamte System auf über 250ᵒC erhitzt werden. Der Mechanismus für die Chlorierung von Methan besteht darin, dass sich das Chlormolekül in zwei Radikale spaltet, die dann mit dem anderen Substrat reagieren und zur Bildung von Methylradikalen und Chlorwasserstoff führen. Die Reaktion der Chlorierung endet nicht in der Monochlorierungsphase. Die gebildeten Radikale interagieren mit den Chlormolekülen oder Chlorradikalen. Das Molekül, das nicht mehr weiter chloriert wird, ist Tetrachlorkohlenstoff – alle Wasserstoffatome sind durch Chloratome substituiert. In der Tat enthält das endgültige Gemisch alle genannten Derivate.

Die wichtigsten Verwendungsbereiche von Methan in der Industrie

Eine der wichtigsten Verwendungsmöglichkeiten von Methan ist seine Nutzung als Energiequelle. Diese Energie wird durch die Verbrennung von Brennstoffen gewonnen, die diese Verbindung enthalten. Ein Beispiel für einen solchen Brennstoff ist Erdgas. Es hat einen Methangehalt von mehr als 90%. Nach der Förderung wird es praktisch direkt an private Verbraucher und an die Industrie geliefert. Die Verbrennung von Methan wird auch in Gasturbinen zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt. Es kann auch zum Heizen von Häusern verwendet werden.

Methan wird zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet. Als Kraftstoff wird es als CNG (komprimiertes Erdgas) oder LNG (verflüssigtes Erdgas) bezeichnet. Seine Verbrennung in Autos ist im Vergleich zu Diesel oder Benzin wesentlich vorteilhafter.

Die chemische Industrie nutzt das Methan natürlich gerne. Eine dieser Verwendungsmöglichkeiten ist die Herstellung von Wasserstoff in einem Prozess, der Dampfreformierung genannt wird. Mit dem wachsenden Interesse an Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft steigt auch das Interesse an Methan. Weitere chemische Prozesse, bei denen Methan zum Einsatz kommt, sind die Herstellung von Methanol, Kohlengas oder Kunststoffen.

Methan ist auch indirekt an der Reifenherstellung beteiligt. Der Ruß, der bei der unvollständigen Verbrennung dieses Gases entsteht, ist einer der Bestandteile, die zur Verstärkung des Gummis bei der Herstellung von Autoreifen verwendet werden. Der gleiche Ruß kann auch bei der Herstellung von Farben und Druckertinte verwendet werden.

Methan als Treibhausgas

Unter den Gasen und Emissionen, die den größten Einfluss auf die globale Erwärmung haben, steht Kohlendioxid an erster Stelle. Dies ist ein Beispiel für einen Schadstoff, der sehr lange in der Atmosphäre verbleibt – bis zu mehreren tausend Jahren. Eine noch gefährlichere Bedrohung für das Klima ist jedoch Methan. Seine Verweildauer als Schadstoff beträgt „nur“ 10 bis 15 Jahre, also viel weniger als die von Kohlendioxid, während seine Auswirkungen auf den Treibhauseffekt viel größer sind.

Methanclathrate

Ein interessantes Beispiel für Methanlagerstätten, die eine potenziell wertvolle Quelle für diese Substanz darstellen, sind die so genannten Methanclathrate. Aufgrund ihrer chemischen Struktur trifft man häufig auch auf die Begriffe Methanhydrate, Clathrathydrat oder Methaneis. Methanclathrate sind eine Kombination aus Wassermolekülen und Methanmolekülen. Das Wasser bildet in diesem Fall eine käfigartige Struktur. Darin sammelt sich das Methan an. Es bestehen keine chemischen Bindungen zwischen ihnen. Clathrate zeichnen sich durch ihre kristalline Struktur aus und bilden sich unter erhöhtem Druck. In ihrer physikalischen Form ähneln sie weißen Festkörpern. Sie sind geruchlos und fühlen sich ähnlich an wie Polystyrol. Die häufigsten Methanclathrate bestehen aus 46 Wassermolekülen, die zwei kleine und sechs mittelgroße Käfige umgeben. Im Inneren befindet sich Methan.

Methanclathrate sind eine noch nicht vollständig erforschte Energiequelle. Gerade wegen der Möglichkeit, aus ihnen erhebliche Mengen Methan für Energiezwecke zu gewinnen, stoßen sie auf großes Interesse. Der so gewonnene Rohstoff kann eine sehr gute Alternative zu konventionellen Kohlenwasserstoffquellen sein, aber das unzureichende Wissen über die Gewinnung von Methan aus Clathraten führt zu einem hohen Umweltrisiko, das eine Folge der unkontrollierten Freisetzung dieses Gases in die Atmosphäre sein kann.

Biomethan

Biomethan ist definiert als ein aus Biogas gewonnenes Gas. Biogas wiederum ist ein aus Biomasse gewonnenes Gas. Es entsteht bei der Umwandlung von organischen Stoffen, darunter Abfälle pflanzlichen und tierischen Ursprungs, aus Mülldeponien oder Kläranlagen. Methan macht in der Regel etwa 55 % des Biogases aus. In der Regel wird das Biogas direkt genutzt; nur in Ausnahmefällen werden Maßnahmen ergriffen, um es zu reinem Biomethan aufzubereiten.

Biomethan kann in zwei Aggregatzuständen vorliegen: gasförmig und flüssig. Es entsteht bei der Methangärung von biologischen Abfällen. Das dabei entstehende Biomethan wird fast vollständig für energetische Zwecke genutzt. Viele Unternehmen und Produktionsstätten nutzen Biogas und das darin enthaltene Biomethan zum Betrieb von Anlagen, die heute oft mit Erdgas betrieben werden. Obwohl es sich um eine grüne Energiequelle handelt, ist die Verbrennung von Biomethan mit erheblichen Emissionen von Kohlendioxid verbunden, das ein Treibhausgas ist.

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