Eigenschaften von Methangas

Methan (CH₄) ist ein farbloses, geruchloses Gas mit tetraedrischer Geometrie. Seine chemischen Eigenschaften machen es als gemeinsame Brennstoffquelle nützlich, um Wasserstoffgas für Düngemittel und Sprengstoffe zu produzieren und wertvolle Chemikalien zu synthetisieren. Methan ist jedoch auch ein starkes Treibhausgas.

Methan hat die chemische Formel CH₄ und ein Molekulargewicht von 16,043 g/mol. Das Methanmolekül ist tetraedrisch, mit dem Kohlenstoffatom in der Mitte und den vier Wasserstoffatomen an den Ecken des Tetraeders. Jede C-H-Bindung ist äquivalent und jede Bindung ist durch einen Winkel von 109,5° getrennt.

Methangas ist leichter als Luft und hat bei 25 °C und 1 Atmosphärendruck eine Dichte von 0,657 g/l. Unter -162 °C wird es flüssig und unter -182,5 °C fest. Methan ist mit einer Löslichkeit von 22,7 mg/L in Wasser kaum löslich, aber in verschiedenen organischen Lösungsmitteln löslich wie:

• Ethanol
  
• Diethylether
  
• Aceton
  
• Benzol

Einige der wichtigsten chemischen Reaktionen mit Methan sind Verbrennung und Halogenierung.

Bei der Verbrennung von Methan werden erhebliche Mengen freigesetzt Hitze (891 kJ/mol). Es ist eine mehrstufige Oxidationsreaktion und kann wie folgt durch die Gleichung zusammengefasst werden:

Ein Molekül gasförmiges Methan reagiert mit zwei Molekülen Sauerstoffgas unter Verbrennungsbedingungen, um ein Molekül Kohlendioxidgas, zwei Moleküle Wasserdampf und Energie zu bilden.

Methan setzt nur Kohlendioxid und Wasser frei und ist der am saubersten verbrennende fossile Brennstoff und macht den größten Teil des Erdgases aus. Obwohl Methan relativ stabil ist, kann es sein explosiv wenn sein Gehalt zwischen 5 und 14 Prozent in der Luft liegt, und es war die Ursache vieler Minenkatastrophen.

Obwohl es im industriellen Maßstab eine Herausforderung darstellt, kann Methan durch das Enzym Methanmonooxygenase teilweise zu Methanol oxidiert werden. Interessanterweise wurde festgestellt, dass eine Gruppe von N-DAMO-Bakterien die anaerobe Oxidation von Methan mit Nitrit als Oxidationsmittel anwendet.

Methan kann auch unter radikalischen Bedingungen wie folgt mit Halogen reagieren:

Das Chlorradikal wird zunächst durch einen Radikalstarter wie ultraviolettes Licht. Dieser Chlorrest abstrahiert ein Wasserstoffatom von Methan, um einen Chlorwasserstoff und einen Methylrest zu bilden. Das Methylradikal reagiert dann mit einem Chlormolekül (Cl₂), was zu Chlormethan und einem Chlorradikal führt, das einen weiteren Reaktionszyklus durchläuft, wenn es nicht durch ein anderes Radikal beendet wird.

Aufgrund seiner vielseitigen chemischen Eigenschaften gibt es viele industrielle Anwendungen für Methan. Es ist eine wichtige Quelle für Wasserstoff und Kohlenstoff für verschiedene organische Materialien.

Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas, das eine häufige Brennstoffquelle ist. Es wird häufig verwendet, um Häuser, Turbinen, Autos und andere Dinge anzutreiben. Methan kann auch verflüssigt werden, um die Lagerung oder den Transport zu erleichtern. In Kombination mit flüssigem Sauerstoff kann raffiniertes flüssiges Methan als Quelle für Treibstoff für Raketen.

Erdgas wird auch zur großtechnischen Herstellung von Wasserstoffgas verwendet, da Methan mit Wasserdampf reagieren kann bei hohen Temperaturen (700 bis 1.100 °C) zu Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas in Gegenwart von a Katalysator. Wasserstoff wird dann zur Herstellung von Ammoniak verwendet, das als Vorläufer für Düngemittel und Sprengstoffe dient. Als gute Kohlenstoffquelle wird Methan auch zur Synthese von Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Nitromethan und Methanol verwendet. Der bei unvollständiger Verbrennung von Methan entstehende Ruß ist ein Verstärkungsmittel für Gummi in Reifen.

In einem nachhaltigen System wird Methan, das in die Atmosphäre freigesetzt wird, von natürlichen Methansenken wie dem Boden und dem Methanoxidationsprozess in der Troposphäre aufgenommen.

Allerdings haben die erhöhten Methanemissionen in den letzten Jahrzehnten zum Treibhauseffekt beigetragen. Trotz seiner geringen Konzentration erwärmt Methan den Planeten 86-mal so stark wie Kohlendioxid, ein weiteres Treibhausgas. Hoffentlich könnten Bemühungen zur Kontrolle der Methanemissionen den Treibhauseffekt verlangsamen, bevor es zu spät ist.