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Methan ( US : / m ɛ θ eɪ n / oder UK : / m í θ eɪ n / ) ist eine chemische Verbindung mit der chemischen Formel CH 4 (ein Atom von Kohlenstoff und vier Atome von Wasserstoff ). Es ist ein Hydrid der Gruppe 14 und das einfachste Alkan und der Hauptbestandteil von Erdgas . Die relative Menge an Methan auf der Erde macht es zu einem wirtschaftlich attraktiven KraftstoffObwohl das Auffangen und Lagern aufgrund seines gasförmigen Zustands unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen technische Herausforderungen mit sich bringt .

Natürlich vorkommendes Methan kommt sowohl unter der Erde als auch unter dem Meeresboden vor und wird sowohl durch geologische als auch durch biologische Prozesse gebildet. Das größte Methanreservoir befindet sich unter dem Meeresboden in Form von Methanklathraten . Wenn Methan die Oberfläche und die Atmosphäre erreicht , wird es als atmosphärisches Methan bezeichnet . [9] Die atmosphärische Methankonzentration der Erde hat seit 1750 um etwa 150% zugenommen und macht 20% des gesamten Strahlungsantriebs aller langlebigen und global gemischten Treibhausgase aus . [10] Methan wurde auch auf anderen Planeten, einschließlich dem Mars, nachgewiesen, was Auswirkungen auf die astrobiologische Forschung hat. [11]

Eigenschaften und Bindung [ Bearbeiten ]

Methan ist ein tetraedrisches Molekül mit vier äquivalenten CH-Bindungen . Seine elektronische Struktur wird durch vier bindende Molekülorbitale (MOs) beschrieben, die sich aus der Überlappung der Valenzorbitale auf C und H ergeben . Das MO mit der niedrigsten Energie ist das Ergebnis der Überlappung des 2s-Orbitals auf Kohlenstoff mit der gleichphasigen Kombination der 1s-Orbitale auf den vier Wasserstoffatomen. Oberhalb dieses Energieniveaus befindet sich eine dreifach entartete Menge von MOs, die eine Überlappung der 2p-Orbitale auf Kohlenstoff mit verschiedenen linearen Kombinationen der 1s-Orbitale auf Wasserstoff beinhalten. Das resultierende "Drei-über-Eins" -Bindungsschema stimmt mit photoelektronenspektroskopischen Messungen überein.

Methan ist bei Raumtemperatur und Standarddruck ein farbloses, geruchloses Gas. [12] Der bekannte Geruch von Erdgas, wie er in Privathaushalten verwendet wird, wird durch die Zugabe eines Geruchsstoffs erreicht , der normalerweise als tert-Butylthiol- Mischungen verwendet wird. Methan hat einen Siedepunkt von –161,5  ° C bei einem Druck von einer Atmosphäre . [3] Als Gas ist es in einem Konzentrationsbereich (5,4–17%) in Luft bei Normaldruck brennbar .

Festes Methan existiert in mehreren Modifikationen . Derzeit sind neun bekannt. [13] Das Abkühlen von Methan auf Normaldruck führt zur Bildung von Methan I. Diese Substanz kristallisiert im kubischen System ( Raumgruppe Fm 3 m). Die Positionen der Wasserstoffatome sind in Methan I nicht festgelegt, dh Methanmoleküle können sich frei drehen. Daher ist es ein Kunststoffkristall . [14]

Chemische Reaktionen [ Bearbeiten ]

Die primären chemischen Reaktionen von Methan sind Verbrennung , Dampfreformierung zu Synthesegas und Halogenierung . Im Allgemeinen sind Methanreaktionen schwer zu kontrollieren.

Selektive Oxidation [ Bearbeiten ]

Die teilweise Oxidation von Methan zu Methanol ist schwierig, da die Reaktion selbst bei unzureichender Sauerstoffversorgung typischerweise bis zu Kohlendioxid und Wasser verläuft . Das Enzym Methanmonooxygenase erzeugt aus Methan Methanol, kann jedoch nicht für Reaktionen im industriellen Maßstab verwendet werden. [15] Es wurden einige homogen katalysierte und heterogene Systeme entwickelt, die jedoch alle erhebliche Nachteile aufweisen. Diese arbeiten im Allgemeinen durch die Erzeugung geschützter Produkte, die vor Überoxidation geschützt sind. Beispiele hierfür sind die Catalytica System , Kupfer - Zeolithe und Eisenzeolithe, die das aktive Zentrum von Alpha-Sauerstoff stabilisieren . [16]

Eine Gruppe von Bakterien treibt die Methanoxidation mit Nitrit als Oxidationsmittel in Abwesenheit von Sauerstoff an , was zur sogenannten anaeroben Oxidation von Methan führt . [17]

Säure-Base-Reaktionen [ Bearbeiten ]

Methan ist wie andere Kohlenwasserstoffe eine sehr schwache Säure . Sein pK a in DMSO wird auf 56 geschätzt. [18] Es kann nicht in Lösung deprotoniert werden, aber die konjugierte Base ist in Formen wie Methyllithium bekannt .

Eine Vielzahl von positiven Ionen, die von Methan abgeleitet sind, wurden beobachtet, meist als instabile Spezies in Niederdruckgasgemischen. Dazu gehört Methenium- oder Methylkation CH+
3
Methankation CH+
4
und Methan oder protoniertes Methan CH+
5
. Einige davon wurden im Weltraum entdeckt . Methan kann auch als verdünnte Lösung aus Methan mit Supersäuren hergestellt werden . Kationen mit höherer Ladung wie CH2+
6
und CH3+
7
wurden theoretisch untersucht und als stabil vermutet. [19]

Trotz der Stärke seiner CH-Bindungen besteht ein starkes Interesse an Katalysatoren , die die Aktivierung von CH -Bindungen in Methan (und anderen Alkanen mit niedrigerer Nummer ) erleichtern . [20]

Verbrennung [ Bearbeiten ]

Methanblasen können auf einer nassen Hand ohne Verletzung verbrannt werden.

Die Verbrennungswärme von Methan beträgt 55,5 MJ / kg. [21] Die Verbrennung von Methan ist eine mehrstufige Reaktion, die wie folgt zusammengefasst wird:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O ( Δ H = -891 k J / mol , bei Standardbedingungen)

Peters Vier-Stufen-Chemie ist eine systematisch reduzierte Vier-Stufen-Chemie, die das Verbrennen von Methan erklärt.

Methanradikalreaktionen [ Bearbeiten ]

Bei entsprechenden Bedingungen Methan reagiert mit Halogenradikale wie folgt:

X • + CH 4 → HX + CH 3
CH 3 • + X 2 → CH 3 X + X •

wobei X ein Halogen ist : Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br) oder Jod (I). Dieser Mechanismus für diesen Prozess wird als Halogenierung freier Radikale bezeichnet . Es initiiert wird , wenn UV - Licht oder ein anderer Radikalinitiator (wie Peroxide ) ein Halogen erzeugt Atom . Es folgt eine zweistufige Kettenreaktion , bei der das Halogenatom ein Wasserstoffatom von einem Methanmolekül abstrahiert, was zur Bildung eines Halogenwasserstoffmoleküls und eines Methylradikals (CH 3) führt•). Das Methylradikal reagiert dann mit einem Halogenmolekül unter Bildung eines Halogenmethanmoleküls mit einem neuen Halogenatom als Nebenprodukt. [22] Ähnliche Reaktionen können am halogenierten Produkt auftreten und dazu führen, dass zusätzliche Wasserstoffatome durch Halogenatome durch Dihalogenmethan- , Trihalogenmethan- und letztendlich Tetrahalogenmethanstrukturen ersetzt werden, abhängig von den Reaktionsbedingungen und dem Verhältnis von Halogen zu Methan.

Verwendet [ bearbeiten ]

Methan wird in industriellen chemischen Prozessen verwendet und kann als gekühlte Flüssigkeit (Flüssigerdgas oder LNG ) transportiert werden. Während Leckagen aus einem gekühlten Flüssigkeitsbehälter aufgrund der erhöhten Dichte des kalten Gases anfangs schwerer als Luft sind, ist das Gas bei Umgebungstemperatur leichter als Luft. Gaspipelines verteilen große Mengen Erdgas, von denen Methan der Hauptbestandteil ist.

Kraftstoff [ bearbeiten ]

Methan wird als Brennstoff für Öfen, Haushalte, Warmwasserbereiter, Öfen, Automobile, [23] [24] Turbinen und andere Dinge verwendet. Aktivkohle wird zur Speicherung von Methan verwendet. Raffinierte flüssige Methan wird als verwendet einen Raketentreibstoff , [25] , wenn sie mit kombinierten flüssigem Sauerstoff , wie in den BE-4 und Raptor - Motoren. [26]

Methan ist als Hauptbestandteil von Erdgas wichtig für die Stromerzeugung, indem es als Brennstoff in einer Gasturbine oder einem Dampferzeuger verbrannt wird . Im Vergleich zu anderen Kohlenwasserstoffbrennstoffen erzeugt Methan für jede freigesetzte Wärmeeinheit weniger Kohlendioxid . Mit etwa 891 kJ / mol ist die Verbrennungswärme von Methan niedriger als die eines anderen Kohlenwasserstoffs. Aufgrund seines relativ hohen Wasserstoffgehalts, der 55% der Verbrennungswärme ausmacht, erzeugt es jedoch mehr Wärme pro Masse (55,7 kJ / g) als jedes andere organische Molekül [27].trägt aber nur 25% zur Molmasse von Methan bei. In vielen Städten wird Methan zum Heizen und Kochen im Haushalt in Haushalte geleitet . In diesem Zusammenhang wird es üblicherweise als Erdgas bezeichnet , das einen Energiegehalt von 39 Megajoule pro Kubikmeter oder 1.000 BTU pro Standardkubikfuß aufweist . Flüssigerdgas (LNG) ist überwiegend Methan (CH 4 ), das zur Erleichterung der Lagerung oder des Transports in flüssige Form umgewandelt wird.

Methan bietet als Raketentreibstoff gegenüber Kerosin den Vorteil , kleine Abgasmoleküle zu produzieren. Dadurch wird weniger Ruß auf den Innenteilen von Raketenmotoren abgelagert, wodurch die Schwierigkeit der Wiederverwendung von Boostern verringert wird. Das niedrigere Molekulargewicht des Abgases erhöht auch den Anteil der Wärmeenergie, der in Form der für den Antrieb verfügbaren kinetischen Energie vorliegt, wodurch der spezifische Impuls der Rakete erhöht wird . Flüssiges Methan hat auch einen Temperaturbereich (91–112 K), der nahezu mit flüssigem Sauerstoff (54–90 K) kompatibel ist .

Chemisches Ausgangsmaterial [ Bearbeiten ]

Erdgas , das hauptsächlich aus Methan besteht, wird zur Herstellung von Wasserstoffgas im industriellen Maßstab verwendet. Die Dampfmethanreformierung (SMR) oder einfach als Dampfreformierung bekannt, ist die gebräuchlichste Methode zur Erzeugung von kommerziellem Bulk-Wasserstoffgas. Weltweit werden jährlich (2013) mehr als 50 Millionen Tonnen produziert, hauptsächlich aus dem SMR von Erdgas. [28] Ein großer Teil dieses Wasserstoff wird in verwendete Erdölraffinerien , bei der Herstellung von Chemikalien und in der Lebensmittelverarbeitung. Bei der industriellen Synthese von Ammoniak werden sehr große Mengen Wasserstoff verwendet .

Bei hohen Temperaturen (700-1100 ° C) und in Gegenwart eines Metall -basierten Katalysators ( Nickel ), Dampf reagiert mit Methan eine Mischung aus ergeben CO und H 2 , bekannt als „Wassergas“ oder „ Syngas “:

CH 4 + H 2 O ⇌ CO + 3 H 2

Diese Reaktion ist stark endotherm (Wärme verbraucht, Δ H r = 206 kJ / mol). Zusätzlicher Wasserstoff wird durch die Reaktion von CO mit Wasser über die Wasser-Gas-Shift-Reaktion erhalten :

CO + H 2 O ⇌ CO 2 + H 2

Diese Reaktion ist leicht exotherm (erzeugt Wärme, Δ H r = -41 kJ / mol).

Methan wird bei der Herstellung von Chlormethanen auch einer radikalischen Chlorierung unterzogen , obwohl Methanol ein typischerer Vorläufer ist. [29]

Generation [ Bearbeiten ]

Geologische Routen [ Bearbeiten ]

Die beiden Hauptwege für die geologische Methanerzeugung sind (i) organisch (thermisch erzeugt oder thermogen) und (ii) anorganisch ( abiotisch ). [11] Thermogenic Methan tritt aufgrund der Trennung der organischen Substanz bei erhöhten Temperaturen und Drücken in tiefen Sedimentschichten . Das meiste Methan in Sedimentbecken ist thermogen; Daher ist thermogenes Methan die wichtigste Erdgasquelle. Thermogene Methankomponenten gelten typischerweise als Relikt (aus einer früheren Zeit). Im Allgemeinen kann die Bildung von thermogenem Methan (in der Tiefe) durch Aufbrechen organischer Stoffe oder organische Synthese erfolgen. In beide Richtungen können Mikroorganismen involviert sein ( Methanogenese), kann aber auch anorganisch auftreten. Die beteiligten Prozesse können auch Methan mit und ohne Mikroorganismen verbrauchen.

Die wichtigere Methanquelle in der Tiefe (kristallines Grundgestein) ist abiotisch. Abiotisch bedeutet, dass Methan aus anorganischen Verbindungen ohne biologische Aktivität entweder durch magmatische Prozesse oder durch Wasser-Gesteins-Reaktionen, die bei niedrigen Temperaturen und Drücken auftreten, wie Serpentinisierung, erzeugt wird . [30] [31]

Biologische Routen [ Bearbeiten ]

Die meisten der Erde Methan biogenen und wird durch produziert Methanogenese , [32] [33] eine Form der anaeroben Atmung nur bekannt sein , durchgeführt von einigen Mitgliedern der Domäne Archaea . [34] Methanogene besetzen Deponien und andere Böden, [35] Wiederkäuer (z. B. Kühe oder Rinder ), [36] die Eingeweide von Termiten und die anoxischen Sedimente unter dem Meeresboden und dem Grund von Seen. Reisfelder erzeugen während des Pflanzenwachstums auch große Mengen Methan. [37]Dieser mehrstufige Prozess wird von diesen Mikroorganismen zur Energiegewinnung genutzt. Die Nettoreaktion der Methanogenese ist:

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O.

Der letzte Schritt des Prozesses wird durch das Enzym Methyl-Coenzym-M-Reduktase (MCR) katalysiert . [38]

Testen australischer Schafe auf ausgeatmete Methanproduktion (2001), CSIRO
Dieses Bild zeigt einen Wiederkäuer, insbesondere ein Schaf, das Methan in den vier Stufen Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese produziert.

Wiederkäuer [ bearbeiten ]

Wiederkäuer wie Rinder und Aufstoßen von Methan machen etwa 22% der jährlichen Methanemissionen der USA in die Atmosphäre aus. [39] Eine Studie berichtete, dass der Viehsektor im Allgemeinen (hauptsächlich Rinder, Hühner und Schweine) 37% des gesamten vom Menschen verursachten Methans produziert. [40] In einer Studie aus dem Jahr 2013 wurde geschätzt, dass 44% des vom Menschen verursachten Methans und ~ 15% der vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen auf Nutztiere entfallen. [41] Es werden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um die Methanproduktion bei Nutztieren zu verringern, z. B. medizinische Behandlungen und Ernährungsumstellungen [42] und das Gas zur Verwendung als Energiequelle aufzufangen. [43]

Meeresbodensedimente [ Bearbeiten ]

Der größte Teil des Untergrunds ist anoxisch, da Sauerstoff durch aerobe Mikroorganismen innerhalb der ersten Zentimeter des Sediments entfernt wird. Unterhalb des sauerstoffreichen Meeresbodens produzieren Methanogene Methan, das entweder von anderen Organismen verwendet wird oder in Gashydraten eingeschlossen wird . [34] Diese anderen Organismen, die Methan zur Energiegewinnung nutzen, werden als Methanotrophe (Methanfresser) bezeichnet und sind der Hauptgrund dafür, dass in der Tiefe nur wenig Methan die Meeresoberfläche erreicht. [34] Es wurde festgestellt, dass Konsortien von Archaea und Bakterien Methan durch anaerobe Oxidation von Methan (AOM) oxidieren . Die dafür verantwortlichen Organismen sind Anaerobe Methanotrophe Archaeen(ANME) und sulfatreduzierende Bakterien (SRB). [44]

Industrierouten [ bearbeiten ]

Es gibt wenig Anreiz, Methan industriell zu produzieren. Methan wird durch Hydrierung von Kohlendioxid nach dem Sabatier-Verfahren hergestellt . Methan ist auch ein Nebenprodukt der Hydrierung von Kohlenmonoxid im Fischer-Tropsch-Verfahren , das in großem Maßstab zur Herstellung längerkettiger Moleküle als Methan praktiziert wird.

Ein Beispiel für die großtechnische Vergasung von Kohle zu Methan ist die Great Plains Synfuels- Anlage, die 1984 in Beulah, North Dakota, in Betrieb genommen wurde, um reichlich lokale Ressourcen für minderwertige Braunkohle zu erschließen , eine Ressource, die ansonsten für sie schwer zu transportieren ist Gewicht, Aschegehalt , niedriger Heizwert und Neigung zur Selbstentzündung während Lagerung und Transport.

Power to Methan ist eine Technologie, die elektrische Energie verwendet , um Wasserstoff aus Wasser durch Elektrolyse zu erzeugen, und die Sabatier-Reaktion verwendet , um Wasserstoff mit Kohlendioxid zu kombinieren , um Methan zu erzeugen. Ab 2016 befindet sich dies größtenteils in der Entwicklung und wird nicht in großem Umfang genutzt. Theoretisch könnte das Verfahren als Puffer für überschüssigen Strom und Strom außerhalb der Spitzenzeiten verwendet werden, der von stark schwankenden Windgeneratoren und Solaranlagen erzeugt wird . Da derzeit jedoch sehr große Mengen Erdgas in Kraftwerken (z. B. GuD ) zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden, sind die Effizienzverluste nicht akzeptabel.

Laborsynthese [ Bearbeiten ]

Methan kann durch Protonierung von Methyllithium oder einem Methyl- Grignard-Reagenz wie Methylmagnesiumchlorid hergestellt werden . Es kann auch aus wasserfreiem Natriumacetat und trockenem Natriumhydroxid hergestellt , gemischt und über 300 ° C erhitzt werden (mit Natriumcarbonat als Nebenprodukt). [ Bearbeiten ] In der Praxis ist eine Voraussetzung für reines Methan kann leicht durch Stahl - Gasflasche aus Standardgaslieferanten erfüllt werden.

Vorkommen [ Bearbeiten ]

Methan wurde zwischen 1776 und 1778 von Alessandro Volta entdeckt und isoliert, als Sumpfgas aus dem Lago Maggiore untersucht wurde . Es ist der Hauptbestandteil von Erdgas, etwa 87 Vol .-%. Die Hauptquelle für Methan ist die Gewinnung aus geologischen Lagerstätten, die als Erdgasfelder bekannt sind , wobei die Kohleflözgasgewinnung zu einer Hauptquelle wird (siehe Kohleflözmethangewinnung , eine Methode zur Gewinnung von Methan aus einer Kohlelagerstätte , während eine verbesserte Kohlebettmethanrückgewinnung eine ist Methode zur Rückgewinnung von Methan aus nicht abbaubaren Kohleflözen). Es ist mit anderen Kohlenwasserstoffbrennstoffen verbunden und wird manchmal von begleitetHelium und Stickstoff . Methan wird in geringen Mengen (niedriger Druck) durch anaeroben Zerfall von organischer Substanz und nachbearbeitetem Methan aus der Tiefe der Erdoberfläche erzeugt. Im Allgemeinen werden die Sedimente , die Erdgas erzeugen, tiefer und bei höheren Temperaturen vergraben als diejenigen, die Öl enthalten .

Methan wird in der Regel in großen Mengen per Pipeline in Erdgasform oder LNG-Trägern in verflüssigter Form transportiert. Nur wenige Länder transportieren es per LKW.

Atmosphärisches Methan [ Bearbeiten ]

Entwicklung der Methankonzentration von 1987 bis September 2020 in Mauna Loa (Hawaii).

Im Jahr 2010 wurden die Methanwerte in der Arktis bei 1850 nmol / mol gemessen. Dieses Niveau ist mehr als doppelt so hoch wie jemals zuvor in den letzten 400.000 Jahren. Die historischen Methankonzentrationen in der Weltatmosphäre lagen während der als Eiszeiten bekannten Eiszeiten zwischen 300 und 400 nmol / mol und während der warmen Zwischeneiszeiten zwischen 600 und 700 nmol / mol . Die Ozeane der Erde sind eine potenzielle wichtige Quelle für arktisches Methan. [45]

Methan ist ein wichtiges Treibhausgas mit einem globalen Erwärmungspotential von 34 im Vergleich zu CO 2 (Potential von 1) über einen Zeitraum von 100 Jahren und 72 über einen Zeitraum von 20 Jahren. [46] [47]

Die atmosphärische Methankonzentration der Erde hat seit 1750 um etwa 150% zugenommen und macht 20% des gesamten Strahlungsantriebs aller langlebigen und global gemischten Treibhausgase aus (diese Gase enthalten bei weitem keinen Wasserdampf der größte Bestandteil des Treibhauseffekts ). [10]

Von 2015 bis 2019 wurde ein starker Anstieg des atmosphärischen Methanspiegels verzeichnet. [48] [49] Im Februar 2020 wurde berichtet, dass die Methanemissionen aus der fossilen Brennstoffindustrie möglicherweise erheblich unterschätzt wurden. [50]

Der Klimawandel kann den atmosphärischen Methangehalt erhöhen, indem er die Methanproduktion in natürlichen Ökosystemen erhöht und ein Feedback zum Klimawandel bildet . [34] [51]

Clathrates [ Bearbeiten ]

Methanclathrate (auch als Methanhydrate bekannt) sind feste Käfige aus Wassermolekülen, die einzelne Methanmoleküle einfangen. Im arktischen Permafrost und entlang der Kontinentalränder unter dem Meeresboden innerhalb der Gas-Clathrat-Stabilitätszone wurden signifikante Reservoire von Methan-Clathraten gefunden , die sich bei hohen Drücken (1 bis 100 MPa; unteres Ende erfordert niedrigere Temperatur) und niedrigen Temperaturen (<15 ° C) befinden ; oberes Ende erfordert höheren Druck). [52] Methanclathrate können sich aus biogenem Methan, thermogenem Methan oder einer Mischung aus beiden bilden. Diese Ablagerungen sind sowohl eine potenzielle Quelle für Methankraftstoff als auch ein potenzieller Beitrag zur globalen Erwärmung. [53] [54]Die globale Masse an Kohlenstoff, die in Gas-Clathraten gespeichert ist, ist immer noch ungewiss und wurde auf 12.500 Gt Kohlenstoff und 500 Gt Kohlenstoff geschätzt . [55] Die Schätzung ist im Laufe der Zeit mit einer jüngsten Schätzung von ~ 1800 Gt Kohlenstoff zurückgegangen. [56] Ein großer Teil dieser Unsicherheit ist auf unsere Wissenslücke bei Methanquellen und -senken sowie auf die weltweite Verteilung von Methanclathraten zurückzuführen. Beispielsweise wurde eine relativ neu entdeckte Methanquelle in einem ultraniedrigen Ausbreitungskamm in der Arktis entdeckt. [57] Einige Klimamodelle legen nahe, dass das heutige Methanemissionsregime vom Meeresboden möglicherweise dem während des Zeitraums des Paläozän-Eozän-Wärmemaximums ähnlich ist( PETM ) vor etwa 55,5 Millionen Jahren, obwohl es keine Daten gibt, die darauf hinweisen, dass Methan aus der Clathrat-Dissoziation derzeit die Atmosphäre erreicht. [56] Die Freisetzung von arktischem Methan aus Permafrost und Methan-Clathraten am Meeresboden ist eine mögliche Folge und eine weitere Ursache für die globale Erwärmung . Dies ist als Clathrate-Gun-Hypothese bekannt . [58] [59] [60] [61] Daten aus dem Jahr 2016 zeigen, dass der Permafrost in der Arktis schneller auftaut als vorhergesagt. [62]

Außerirdisches Methan [ Bearbeiten ]

Interstellares Medium [ Bearbeiten ]

Methan ist in vielen Teilen des Sonnensystems reichlich vorhanden und könnte möglicherweise auf der Oberfläche eines anderen Körpers des Sonnensystems geerntet werden (insbesondere unter Verwendung der Methanproduktion aus lokalen Materialien auf dem Mars [63] oder Titan ), um Treibstoff für eine Rückreise bereitzustellen . [25] [64]

Mars [ Bearbeiten ]

Methan wurde auf allen Planeten des Sonnensystems und den meisten größeren Monden nachgewiesen. [ Zitieren erforderlich ] Mit der möglichen Ausnahme des Mars wird angenommen, dass er aus abiotischen Prozessen stammt. [65] [66]

Methan (CH 4 ) auf dem Mars - mögliche Quellen und Senken

Der Curiosity Rover hat saisonale Schwankungen der atmosphärischen Methanwerte auf dem Mars dokumentiert . Diese Schwankungen erreichten am Ende des Mars-Sommers mit 0,6 Teilen pro Milliarde ihren Höhepunkt. [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74]

Methan wurde als mögliches Raketentreibmittel für zukünftige Mars-Missionen vorgeschlagen, teilweise aufgrund der Möglichkeit, es auf dem Planeten durch In-situ-Ressourcennutzung zu synthetisieren . [75] Eine Anpassung der Reaktions Sabatier Methanisierung kann mit einem gemischten Katalysatorbett und einem verwendet werden umgekehrte Wasser-Gas - Shift auf Mars in einem einzigen Reaktor zur Erzeugung von Methan aus den Rohstoffen, Wasser aus der Verwendung von Marsuntergrund und Kohlendioxid in die Marsatmosphäre . [63]

Methan könnte durch einen nicht-biologischen Prozess hergestellt werden, der als Serpentinisierung [a] bezeichnet wird und Wasser, Kohlendioxid und das auf dem Mars bekannte Mineral Olivin umfasst . [76]

Geschichte [ bearbeiten ]

Alessandro Volta

Im November 1776 wurde Methan erste wissenschaftlich identifiziert italienischen Physiker Alessandro Volta in den Sümpfen von Lago Maggiore spreizt Italien und Schweiz . Volta wurde inspiriert, nach der Substanz zu suchen, nachdem er einen Artikel von Benjamin Franklin über "brennbare Luft" gelesen hatte . [77] Volta sammelte das aus dem Sumpf aufsteigende Gas und hatte 1778 das reine Gas isoliert. [78] Er zeigte auch, dass das Gas mit einem elektrischen Funken entzündet werden kann. [78]

Der Name "Methan" wurde 1866 vom deutschen Chemiker August Wilhelm von Hofmann geprägt . [79] [80] Der Name wurde abgeleitet von Methanol .

Etymologie [ Bearbeiten ]

Etymologisch wird das Wort " Methan " aus dem chemischen Suffix " -an " geprägt, das Substanzen der Alkanfamilie bezeichnet; und das Wort " Methyl ", das vom deutschen " Methyl " (1840) oder direkt vom französischen " Méthyle " abgeleitet ist, das eine Rückbildung aus dem französischen " Méthylène " (entsprechend dem englischen "Methylen") ist, das Die Wurzel davon wurde 1834 von Jean-Baptiste Dumas und Eugène Péligot aus dem Griechischen " Methy " (verwandt mit dem englischen "Met") und " Hyle " (was "Holz" bedeutet) geprägt.Das Radikal ist danach benannt, weil es erstmals in Methanol nachgewiesen wurde, ein Alkohol, der zuerst durch Destillation von Holz isoliert wurde. Das chemische Suffix " -ane " stammt aus dem koordinierenden chemischen Suffix " -ine ", das aus dem lateinischen weiblichen Suffix " -ina " stammt und zur Darstellung von Abstracts verwendet wird. Die Koordination von "-ane", "-ene", "-one" usw. wurde 1866 vom deutschen Chemiker August Wilhelm von Hofmann (1818–1892) vorgeschlagen. [81]

Abkürzungen [ bearbeiten ]

Die Abkürzung CH 4 -C kann die in einer Methanmasse enthaltene Kohlenstoffmasse bedeuten, und die Methanmasse beträgt immer das 1,33-fache der CH 4 -C- Masse . [82] [83] CH 4 -C kann auch das Methan-Kohlenstoff-Verhältnis bedeuten, das 1,33 Massenmasse beträgt. [84] Methan in atmosphärischen Maßstäben wird üblicherweise in Teragrammen (Tg CH 4 ) oder Millionen Tonnen (MMT CH 4 ) gemessen , was dasselbe bedeutet. [85] Es werden auch andere Standardeinheiten verwendet, z. B. Nanomol (nmol, ein Milliardstel Mol), Mol (mol), Kilogramm und Gramm .

Sicherheit [ Bearbeiten ]

Methan ist ungiftig , jedoch extrem entflammbar und kann mit Luft explosive Gemische bilden . Methan ist auch erstickend, wenn die Sauerstoffkonzentration durch Verdrängung auf unter 16% gesenkt wird, da die meisten Menschen eine Verringerung von 21% auf 16% ohne negative Auswirkungen tolerieren können . Die Methankonzentration, bei der das Erstickungsrisiko signifikant wird, ist viel höher als die Konzentration von 5–15% in einem brennbaren oder explosiven Gemisch. Methanabgas kann in die Innenräume von Gebäuden in der Nähe von Deponien eindringen und die Bewohner erheblichen Mengen an Methan aussetzen. Einige Gebäude verfügen über speziell entwickelte Rückgewinnungssysteme unter ihren Kellern, um dieses Gas aktiv aufzufangen und vom Gebäude abzulassen.

Methangasexplosionen sind für viele tödliche Bergbaukatastrophen verantwortlich. [86] Eine Methangasexplosion war die Ursache für die Katastrophe der Kohlemine Upper Big Branch in West Virginia am 5. April 2010, bei der 29 Menschen getötet wurden. [87]

Siehe auch [ Bearbeiten ]

  • 2007 Zasyadko Minenkatastrophe
  • Abiogener Erdölursprung
  • Aerobe Methanproduktion
  • Anaerobe Gärung
  • Anaerobe Atmung
  • Arktische Methanemissionen
  • Biogas
  • Sickerfeld des Kohleölpunkts
  • Energiedichte
  • Flüchtige Gasemissionen
  • Globale Methaninitiative
  • Halogenmethan , halogenierte Methanderivate.
  • Wasserstoffkreislauf
  • Industriegas
  • Kivu-See (allgemeiner: limnischer Ausbruch )
  • Liste der geradkettigen Alkane
  • Methanisierung
  • Methanemissionen
  • Methan auf dem Mars: Atmosphäre
  • Methan auf dem Mars: Klima
  • Methanogen , Archaeen , die Methan produzieren.
  • Methanogenese , Mikroben , die Methan produzieren.
  • Methanotrophe , Bakterien , die mit Methan wachsen.
  • Methylgruppe , eine mit Methan verwandte funktionelle Gruppe.
  • Thomas Gold

Notizen [ Bearbeiten ]

  1. ^ Es gibt viele Serpentinisierungsreaktionen . Olivin ist eine feste Lösung zwischen Forsterit und Fayalit, deren allgemeine Formel (Fe, Mg) 2 SiO 4 lautet. Die Reaktion, die Methan aus Olivin erzeugt, kann wie folgt geschrieben werden: Forsterit + Fayalit + Wasser + Kohlensäure → Serpentin + Magnetit + Methan oder (in ausgewogener Form): 18 Mg 2 SiO 4 + 6 Fe 2 SiO 4 + 26 H 2 O + CO 2 → 12 Mg 3 Si 2 O 5 (OH) 4+ 4 Fe 3 O 4 + CH 4

Referenzen [ bearbeiten ]

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Zitierte Quellen [ Bearbeiten ]

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Externe Links [ Bearbeiten ]

  • Methan im Periodensystem der Videos (University of Nottingham)
  • Internationale Chemikaliensicherheitskarte 0291
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