Organische Chemie
Organische Verbindungen
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Was ist Methan?

Methan ist die chemische Verbindung mit der einfachsten Struktur aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen. Es hat die Summenformel CH4 und ist der erste Vertreter der homologen Reihe der Alkane. Methan ist ein farbloses Gas, welches in Form von Erdgas und Biogas als Energieträger verwendet wird.

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Strukturformel und 3D-Modell von Methan

Methan entsteht durch Fäulnisprozesse von Pflanzen. Daher findest du es zum Beispiel in Sümpfen und Mooren. Es steigt in der Luft in die Atmosphäre auf. Dort ist CH4 neben Kohlenstoffdioxid (CO2) das häufigste Treibhausgas.

Methan Strukturformel

Die Strukturformel von Methangas kannst du auf unterschiedliche Arten darstellen. In der Valenzstrichformel sind die Wasserstoffatome oben, unten, links und rechts an das Kohlenstoffatom gebunden.

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Methan Strukturformel

In der Realität kannst du dir das CH4-Molekül aber wie einen Tetraeder vorstellen. Das liegt daran, dass die H-Atome den größtmöglichen Abstand zueinander erstreben. Die vier H-Atome ordnen sich daher so an, dass sie in den Ecken eines Tetraeders positioniert sind. Das C-Atom befindet sich im Zentrum des Tetraeders.

Die Keilstrichformel deutet die Dreidimensionalität von der Tetraederstruktur an. Die gestrichelte Linie zeigt von dir weg, während die dicke Linie zu dir hin zeigt.

Wichtig: Das C-Atom von CH4 geht Einfachbindungen zu den vier H-Atomen ein. Deswegen sprichst du auch von einer sp3-Hybridisierung . Bei einer sp3-Hybridisierung haben die beteiligten Atome, hier die H-Atome, einen Bindungswinkel von genau 109,5° zueinander. So entsteht der für CH4 typische Tetraeder.

Methan Eigenschaften

Die Eigenschaften von Methan ergeben sich vor allem aus der einfachen Struktur des Moleküls. Durch nur 5 Atome ist es sehr klein und sogar leichter als Luft. Unter Sauerstoffzufuhr ist es sehr brennbar und verbrennt mit bläulicher Flamme. Verbrennt es unkontrolliert, dann kann CH4 sogar explodieren.

Methan selbst ist unpolar, weshalb es in Wasser (polar) nicht löslich ist. In unpolaren Lösungsmitteln wie Ethanol kannst du es aber lösen.

Alle Eigenschaften siehst du in unserem Methan Steckbrief:

Methan (CH4) Steckbrief
Andere Namen Sumpfgas, Methylwasserstoff
Aussehen farbloses Gas
Geruch geruchslos
Summenformel CH4
Dichte 0,717 kg/m3 (leichter als Luft)
Molare Masse 16,04 g/mol
Polarität unpolar
Löslichkeit nicht wasserlöslich; löslich in Ethanol oder Diethylether
Schmelzpunkt -182°C
Siedepunkt -162°C
Flammpunkt -188°C
Zündpunkt 600°C
Brennbar ja, blaue Flamme
Vorkommen in Erdgas, Sümpfen, in der Landwirtschaft z. B. bei Reisfeldern oder Viehzucht, im Ozean (Methanhydrat)
Besonderheiten gehört zu den Treibhausgasen; wird als Heizgas genutzt

Methan Vorkommen und Entstehung

Methan entsteht in Fäulnisprozessen durch die Zersetzung von organischen Stoffen, wie beispielsweise Pflanzen. Solche Zersetzungsprozesse laufen unterirdisch seit Millionen von Jahren ab, da dort Fossilien und andere Überreste gesammelt sind. Deswegen macht Methangas einen großen Teil von fossilen Brennstoffen, wie zum Beispiel Erdgas aus.

Heutzutage finden solche Zersetzungsprozesse auch in Sümpfen oder Mooren an der Oberfläche statt. Außerdem produzieren Wiederkäuer ,wie zum Beispiel Kühe, Methangas in ihrem Magen. Durch die immer weiter wachsende Viehzucht wird somit viel Methan in die Atmosphäre freigegeben.

Bei anderen landwirtschaftlichen Prozessen wie beim Reisanbau entsteht ebenfalls CH4. Da viele organische Produkte wie Lebensmittel irgendwann weggeschmissen werden, zählen Abfalldeponien zu den Methanvorkommen.

Du findest Methangas aber nicht nur an Land, sondern auch unter Wasser. An den Kontinentalhängen, also beim Übergang von einem Kontinent zum Ozean, liegt es tonnenweise in Form von Methanhydrat vor. Darunter kannst du dir in Eis eingeschlossene CH4-Moleküle vorstellen.

Aber nicht nur an Land oder Ozean, sondern auch im Weltraum gibt es Methan! Die Atmosphären von Planeten wie Mars oder Jupiter bestehen nämlich zu großem Teil aus CH4.

Methan Verwendung

Am meisten findet Methan Verwendung als Energieträger (Biogas) und Heizgas. Zudem wird CH4 bei der Produktion von Düngern in der Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren ) eingesetzt. Bei der Herstellung von Lösungsmitteln durch Halogenalkane kommt Methangas ebenfalls um Einsatz.

Biogas

Bei der Viehzucht entsteht viel CH4, das der Herstellung von Biogas dient. Das Biogas erzeugt in Kraftwerken genug Elektrizität für ganze Städte. So wurden im Jahre 2017 in Deutschland 5,4% des gesamten Stromverbrauchs durch Biogas gedeckt. Für entsprechend angepasste Autos kann man Biogas an CNG-Stationen (Compressed Natural Gases) tanken und als Treibstoff nutzen.

Heizgas und Energieträger

Viel häufiger wird CH4 aber in Form von Erdgas als Heizgas verwendet.  Im Jahr 2019 wurden 45,5% der Haushalte mit Erdgas geheizt, wobei es zunehmend durch andere Möglichkeiten ersetzt wird. Erdgas wird im Gegensatz zu Biogas sogar noch häufiger für die Stromerzeugung verwendet. Häufig kommt Erdgas auch als Kraftstoff für Autos zum Einsatz.

Dünger

Beim Haber-Bosch-Verfahren werden Methan, Wasser und Luft für die Ammoniaksynthese eingesetzt. Im ersten Schritt wird dabei Wasserstoff H2 hergestellt.

    \[CH_4(g)     +      H_2O(g)      \leftrightarrow  3H_2(g)      +      CO(g)\]

Methan und Wasser reagieren zusammen zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. In einem weiteren Schritt wird das Kohlenstoffmonoxid herausgewaschen, sodass Wasserstoff mit dem Stickstoff aus der Luft reagieren kann.

    \[3H_2 + N_2   \leftrightarrow       2NH_3\]

So entstehen aus Wasserstoff und Stickstoff Ammoniak. Das gewonnene Ammoniak dient als wichtiger Dünger, der auf der ganzen Welt für die Produktion von Nahrungsmitteln eingesetzt wird. 

Methan Klimawandel

CH4 ist als Form von Erdgas und Biogas ein guter Brennstoff, weil bei der Verbrennung weniger CO2 als bei anderen Energieträgern entsteht. Den Ausstoß von CO2 solltest du bestmöglich gering halten, weil es das schädlichste Treibhausgas ist. Aber auch Methangas ist ein Treibhausgas und sogar das zweitschädlichste.

Durch seine geringe Dichte steigt CH4 in die Atmosphäre auf. Dort fördert es den Treibhauseffekt mit anderen Treibhausgasen wie CO2. Weil CH4 nicht so viel produziert wird wie CO2, ist es insgesamt nur das zweitschädlichste Treibhausgas. Dennoch ist ein einziges CH4-Molekül 25-mal klimaschädlicher als ein CO2-Molekül. 

Den größten Einfluss auf das Klima hat CH4 durch die stetig wachsende Viehzucht. Aber auch beim Fördern von Rohstoffen wie Erdgas oder Erdöl wird ein großer Anteil an CH4 in die Atmosphäre freigesetzt.

Jedoch könnte bei der Förderung vom sogenannten Methanhydrat noch mehr Methan frei werden. Unter Methanhydrat kannst du dir gefrorenes Wasser mit Methanbläschen vorstellen. Daher nennst du es auch „Methaneis“. Es kommt am Meeresgrund von Ozeanen in der Nähe der Kontinentalhänge vor.

Hier ist sehr viel Methangas gespeichert, was in Zukunft auch als Energieträger dienen kann. Aber der Abbau von Methanhydrat setzt viel Methan frei. Zusätzlich wird befürchtet, dass durch die Erwärmung der Meere die Methanhydratvorkommen aufschmelzen könnten. Dadurch würden gewaltige Mengen an CH4 freigesetzt, wodurch der Treibhauseffekt noch weiter verstärkt wird.

Treibhauseffekt 

Methan gehört mit CO2 zu den klimaschädlichsten Treibhausgasen. Dadurch ist es am Treibhauseffekt beteiligt und erwärmt unseren Planeten. Wenn du wissen willst, wie der Treibhauseffekt funktioniert, schau dir dazu unser Video an!

Zum Video: Treibhauseffekt einfach erklärt
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