Es kommt in der Natur unter anderem als Hauptbestandteil vonErdgas vor. Da es in Lagerstätten in großen Mengen existiert, ist es eine attraktiveEnergiequelle. Der Transport erfolgt durchPipelines oder als tiefgekühlte Flüssigkeit (LNG) mittelsTankschiffen. Des Weiteren kommt es alsMethanhydrat gebunden amMeeresboden und inPermafrostgebieten vor, wobei die genaue Menge unbekannt ist. Methan dient alsHeizgas und ist in derchemischen Industrie alsAusgangsstoff für technische Synthesen wie etwa derMethanolherstellung oder der Herstellung von halogenierten Methanderivaten von großer Bedeutung. Es wird weiterhin zur Herstellung vonWasserstoff im großindustriellen Maßstab verwendet.
Der NameMethan leitet sich vonMéthylène her. Dies war der Name, den die französischen ChemikerJean-Baptiste Dumas undEugène-Melchior Péligot 1834 der Flüssigkeit, die heute alsMethanol bezeichnet wird, gaben; er setzt sich seinerseits ausaltgriechischμέθυ (méthy) für „Wein, berauschendes Getränk“ undὕλη (hýlē) für „Holz“ zusammen.[10] Der deutsche ChemikerAugust Wilhelm von Hofmann schlug 1866 in einer englischen Veröffentlichung erstmals eine systematischeNomenklatur vor, wonach der Name für das Gas sich vonMethylene ableitete undMethane genannt werden sollte.[11] Daraus entstand die deutsche FormMethan. In alten Texten wurde Methan gelegentlich alsMethylwasserstoff bezeichnet.
Methan speist als Bestandteil von austretendem Erdgas sogenannte „Ewige Feuer“. Diese wurden so genannt, da das Vorhandensein einer Flamme in historischen Aufzeichnungen über lange Zeiträume berichtet wurde.[12] Diese Feuer treten oft in erdölführenden Gebieten mit tektonischen Verwerfungen auf, etwa inChimaira (Lykien). Bereits seit 2000 v. Chr. sind diese Feuer bekannt. Bei dem ewigen Feuer inBaba Gurgur imIrak handelt es sich möglicherweise um denFeuerofen, der bereits in der Bibel imBuch Daniel beschrieben ist und in den KönigNebukadnezar Daniels Begleiter Shadrach, Meshach und Abednego warf, weil sie sich weigerten, eine goldene Statue anzubeten (Dan 3,23 EU).[13] DasOrakel von Delphi befand sich imApollon-Tempel, der um etwa 1000 v. Chr. über einer ewigen Flamme errichtet wurde. Möglicherweise erfolgten die Wahrsagungen derPythia unter Einfluss der Inhalation von narkotisch wirkenden Gasen wie Methan, Ethan und Ethen, alsPneuma bezeichnet, die in Spuren in einer dort vorhandenen Quelle nachgewiesen wurden.[14]
Methan als Bestandteil des Erdgases wurde bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. in China energetisch zum Eindampfen vonSalzsole verwendet. Zum Teil traten aus den Bohrlöchern sowohl Methan als auch Sole aus, zum Teil wurde das Gas mittels Bambuspipelines von sogenannten trockenen Bohrlöchern aus zur Soleverarbeitung herangeführt.[15] Die Natur des Gases war damals unbekannt, aber es war denAlchemisten imMittelalter bekannt als Bestandteil vonFäulnisgasen, auch als „Sumpfluft“ bezeichnet. Das Auftreten vonSchlagwettern, einemGasgemisch aus Methan undLuft, war imUntertagebau schon früh als Gefahr bekannt, da eine Zündquelle eineSchlagwetterexplosion auslösen konnte.
Im Februar 1659 untersuchte der Engländer Thomas Shirley beiWigan eine Quelle mit brennbarem Wasser. Er konnte zeigen, dass nicht das Wasser, sondern ein Gas, das vom Boden des aufgestauten Wassers aufstieg, das Phänomen verursachte. Er vermutete, dass das Gas aus einer darunterliegenden Kohlelagerstätte stammte und dass esGrubengas war.[16]
Volta-Pistole
Der PriesterCarlo Giuseppe Campi wies im Herbst 1776Alessandro Volta auf das Phänomen der „entflammbaren Luft“ hin, die an einer Biegung des Flusses Lambro aufstieg. Dieses Phänomen war bereits einige Jahre zuvor vonAntoine Laurent de Lavoisier,Benjamin Franklin undJoseph Priestley untersucht und beschrieben worden. Volta versuchte in den Sümpfen desLago Maggiore den Boden mit Hilfe eines Stocks umzurühren, wobei er Gasblasen aufsteigen sah. Er sammelte das Gas in Flaschen, welches er mittels eines von ihm entwickeltenEudiometers quantitativ untersuchte.
Volta entwickelte auch die sogenannteVolta-Pistole, ein Eudiometer, in dem eine Luft-Methan-Mischung gezündet werden konnte. Er schlug 1777 vor, die Volta-Pistole als eine ArtFernschreiber zu nutzen. Über eine Drahtleitung zwischenMailand undComo sollte ein elektrischer Impuls ein Luft-Methan-Gemisch in Volta-Pistolen zur Explosion bringen, wobei eine Reihe solcher Entladungen einenalphanumerischen Code zur Informationsübertragung darstellen würde.[17] Seine Untersuchungen beschrieb Volta in als Buch herausgegebenen Briefen an Carlo Campi.[18]
Um 1800 begannen Versuche zur Verwendung vonStadtgas, einer Mischung aus Methan,Kohlenstoffmonoxid,Wasserstoff undStickstoff, für die Straßenbeleuchtung.William Henry untersuchte zu dieser Zeit die Eigenschaften von Mischungen brennbarer Gase, etwa ihre Löslichkeit in Flüssigkeiten in Abhängigkeit vomPartialdruck. Diese Arbeiten führten zur Formulierung desHenry-Gesetzes. Er bestimmte die relative Leuchtkraft von Gasen und die Unterschiede ihrer Zusammensetzung. Seine Ergebnisse bestätigten die VermutungJohn Daltons über die Zusammensetzung von Methan und Ethen und, dass Kohlenstoff und Wasserstoff nur in bestimmten Verhältnissen miteinander verbunden sind.[19]
Felling Mine im späten 19. Jahrhundert
Nach dem Grubenunglück vonFelling (Tyne and Wear) im Jahr 1812, einem der größtenGrubenunglücke der damaligen Zeit, stellteHumphry Davy fest, dass das gefürchtete Grubengas hauptsächlich aus Methan bestand. Der Verlust von 92 Menschenleben war eine der Triebfedern für die Entwicklung derDavy-Lampe mit Flammsieb.[20]
Um 1821 fand William Hart, der als „Vater des Erdgases“ gilt, inFredonia die erste Erdgasquelle in den Vereinigten Staaten.[21] Das Gas wurde lokal für Beleuchtungszwecke genutzt. Hart gründete 1858 die erste US-amerikanische Erdgasgesellschaft, die Fredonia Gas Light Company.
Mit Beginn der Erdölförderung wurde Methan als Hauptbestandteil des gleichzeitig geförderten Erdgases meist am Bohrlochkopfabgefackelt. Eine der ersten großen Pipelines wurde im Jahr 1891 gebaut. Sie war 193 Kilometer lang und verband Erdgasbohrungen in Indiana mitChicago. Zu Beginn des Ausbaus und intensiveren Nutzung der Erdgaspipelines in den 1930er Jahren wurde Methanhydrat in den Erdgaspipelines gefunden, das sich aus Methan und Wasser bildete und die Pipelines verstopfte. Erst nach demZweiten Weltkrieg erlaubten Fortschritte in der Pipelinetechnik den Ausbau einer Pipelineinfrastruktur und der Nutzung von Methan als Bestandteil des Erdgases zur industriellen Nutzung sowie zur privaten Nutzung zu Heiz- und Kochzwecken.[22] Mit steigendemglobalem Energiebedarf wurde Methan ein stetig wachsender Faktor der Weltprimärenergieproduktion. Zwischen 1980 und 1990 stieg der Anteil von etwa 18 auf etwa 22 %.[23]
Methan war nebenAmmoniak undWasserdampf ein Hauptbestandteil derirdischen Uratmosphäre. Es kommt vielfältig vor und wird auf derErde ständig neu gebildet, etwa bei technischen,biologischen odergeologischen Prozessen wie derSerpentinisierung.[25][26] Die Methankonzentration in der Erdatmosphäre hat sich vom Jahr 1750 bis zum Jahr 2021 von 0,73 auf 1,896 ppm mehr als verdoppelt und damit den höchsten Wert seit 800.000 Jahren erreicht.[27][28] Seit dem Ausfall desEnvisat-Satelliten liefern der japanischeGreenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) sowie das Tropomi-Spektrometer desSentinel-5P-Satelliten Daten der globalen Verteilung der Methankonzentration in der Atmosphäre. Im Jahr 2023 ist der Beginn einer weiterenSentinel-Mission zur Beobachtung der Atmosphärenzusammensetzung geplant.
Die Bildung erfolgt oberflächennahbiotisch: einerseitsanaerob im Zuge derMethanogenese vor allem ausAcetat, aber auch unter anderem aus Kohlenstoffdioxid, durch eine Gruppe vonArchaeen, denMethanogenen. Sie nutzen einfache Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid oderMethanol und reduzieren diese zu Methan, wobei sie – vor allem über die damit verbundene Oxidation von Reaktionspartnern – Energie gewinnen. Beispielsweise werden bei der Bildung von Methan und Wasser aus CO2 und Wasserstoff (H2) unter Standardbedingungen bei einem pH-Wert von sieben etwa 131 kJ/mol anFreier Enthalpie (Gibbs-Energie, ΔG0’) freigesetzt:[29]
Unterhalb der Oberfläche der Erde entsteht Methan im tieferen Untergrund bei hohen Temperaturen und Drücken und wird meist beivulkanischen Aktivitäten frei. Als Bestandteil desErdgases schwankt seine Konzentration je nach Lagerstätte zwischen 35 und 98 %. Andere Erdgasbestandteile können höhere Kohlenwasserstoffe, besondersEthan sein, sowie Kohlenstoffdioxid und Stickstoff. Das meist zusammen mitErdöl auftretende „Naßgas“ enthält Kohlenwasserstoffe wie Pentan, Hexan, Heptan und noch höhere Kohlenwasserstoffe, während „trockenes“ Erdgas Methan als Hauptbestandteil enthält. Das inSteinkohlelagern eingeschlosseneGrubengas enthält hauptsächlich Methan.[32]
Methan, das am Meeresgrund austritt, reagiert unter hohem Druck und niedriger Temperatur mit Wasser zu festemMethanhydrat, das auch als „Methaneis“ bezeichnet wird. Der Kohlenstoffgehalt der weltweiten Methanhydratvorkommen wurde Ende der 1980er Jahre etwa 11.000Gigatonnen geschätzt, der Kohlenstoffgehalt der nachgewiesenen Erdgas, Kohle- und Ölreserven beträgt etwa 5000 Gigatonnen.[34] Neuere Schätzungen gehen von wesentlich geringeren Vorkommen aus, wobei die Vorkommen auf etwa 1800 Gigatonnen Kohlenstoff geschätzt werden.[35][36][37]
Die Atmosphären der PlanetenMars,Jupiter,Saturn,Uranus,Neptun und des ZwergplanetenPluto enthalten ebenfalls Methan, ebenso die Atmosphären von Monden wieTitan oderEnceladus.[40] Nach Wasserstoff und Helium ist Methan die dritthäufigste Komponente der Uranusatmosphäre. Durch dessen Absorptionsbanden im roten Bereich und im nahen Infrarot erscheint Uranus aquamarin oder cyanfarben. Die etwas helleren blauen Farbtöne des Saturns sind wahrscheinlich auf denselben Effekt zurückzuführen.[41]
Außerhalb unseres Sonnensystems ist Methan als erstes organisches Molekül auf demExoplanetenHD 189733 b vom TypHot Jupiter nachgewiesen worden.[42] Die Absorptionsspektren von kühlenBraunen Zwergen, die als Methan-T-Zwerge bezeichnet werden, werden von Methan und Wasser dominiert. Daneben gibt es heißere, sogenannteL-Zwerge, die ebenfalls Methanabsorptionsmerkmale aufweisen, die jedoch schwächer sind als die der T-Zwerge.[43]
2009 wurde über Methaneruptionen auf demMars berichtet; in derAtmosphäre des Mars wurde Methan nachgewiesen, etwa 10,5 ppb.[44] Da es sich normalerweise nicht in der Atmosphäre halten kann und es keine Hinweise auf Meteoriten als Quelle gibt, muss es auf dem Planeten neu gebildet worden sein, was ein Indiz fürLeben auf dem Mars sein könnte.[45] Das Methan könnte vulkanischen Ursprungs sein, wofür auf dem Mars noch keine Hinweise gefunden wurden.
Eine methanreiche Ur-Atmosphäre auf dem Mars und der dadurch verursachteTreibhauseffekt könnte eine Erklärung für dasParadoxon der schwachen jungen Sonne bieten. Die in der Frühzeit geringe Strahlungsleistung der jungen Sonne steht im Widerspruch zu einer Oberflächentemperatur auf dem Mars über dem Gefrierpunkt von Wasser, für die es Hinweise durch Spuren von fließenden und stehenden Gewässern in der Urgeschichte des Mars gibt.[46]
Mercatorprojektion desSaturnmondsTitan, aufgenommen vomHuygens-Lander in 10 Kilometern Höhe. Im oberen, mittleren Bereich sind Strukturen zu sehen, die eventuell von Methanflüssen stammen (14. Januar 2005).
Auf dem SaturnmondTitan herrscht bei −180 °C und etwa 1,6 bar Atmosphärendruck fast derTripelpunkt des Methans. Methan kann deshalb auf diesem Mond in allen drei Aggregatzuständen auftreten. Es gibt Wolken aus Methan, aus denen Methan regnet, das durch Flüsse, darunter derVid Flumina, in Methanseen fließt, dort wieder verdunstet und so einen geschlossenen Methankreislauf bildet, analog zumWasserkreislauf auf der Erde. Flüssiges Methan ist fürRadarstrahlen durchsichtig, so konnte die Raumsonde Cassini die Tiefe des SeesLigeia Mare zu 170 m bestimmen.[47]
Wahrscheinlich gibt es auf diesen Seen Eisberge aus Methan und Ethan. Diese schwimmen auf den Methanseen, wenn sie mindestens 5 % gasförmigenStickstoff enthalten. Wenn die Temperatur nur geringfügig sinkt, zieht sich der Stickstoff soweit zusammen, dass das Eis zum Grund hinabsinkt. Steigt die Temperatur wieder, kann das Grundeis wieder zur Seeoberfläche aufsteigen. Bei bestimmten Temperaturen kann Oberflächen- und Grundeis gleichzeitig vorkommen.[48][49] Für denOntario Lacus, einen See nahe dem Südpol des Titan, wurde als HauptbestandteilEthan nachgewiesen.
Hochfackel auf der Ula-Plattform beim Verbrennen von Methan
Neben Methan kann Erdgas andere Gase wie Ethan, höhere Kohlenwasserstoffe, Sauergase wieSchwefelwasserstoff und Kohlenstoffdioxid sowie Inertgase wie Stickstoff,Helium und weitereEdelgase enthalten. Sogenannte „Trockene Erdgase“ enthalten etwa 75 bis 95 % Methan. Eine Abtrennung von anderen Kohlenwasserstoffkomponenten erfolgt meist nicht, Sauergase und Inertgase werden dagegen abgetrennt.
Im 19. Jahrhundert trat Methan als Bestandteil des Erdgases zunächst als unerwünschtes Nebenprodukt der Erdölförderung auf. Da es zu dieser Zeit keine genügenden Transport- und Speichermedien für die geförderten Mengen gab, wurde es meist einfach inGasfackeln verbrannt. Diese Methode wird noch in der heutigen Zeit angewandt, falls es keine kommerziell einträglichen Alternativen gibt. Zum Teil wird das Gas wieder zurück in die Erde gepresst. Alternativ kann es durch Abkühlung verflüssigt werden und alsFlüssigerdgas transportiert werden.[50]
Biogas ist ein Gasgemisch, das bei der mikrobiellen Zersetzung organischer Materie in Abwesenheit von Sauerstoff entsteht und zu etwa zwei Dritteln aus Methan und zu einem Drittel aus Kohlenstoffdioxid besteht.[51] Biogas wird vonMethanbildnern durchMethanogenese von landwirtschaftlichen und Grünabfällen, Abwässern, Lebensmittelabfällen sowie Abfällen aus der Viehzuchtindustrie gebildet und gilt als erneuerbare Energiequelle. Das inBiogasanlagen erzeugte Methan kann etwa als Brennstoff verwendet werden.[52]
Eine Gewinnung des Methanhydrats könnte zur Lösung irdischer Energieprobleme beitragen, ist jedoch problematisch. Ein besonderes Problem besteht zum Beispiel darin, dass bei der Bergung viel Methan in dieErdatmosphäre gelangen würde und dort als sehr wirksamesTreibhausgas zu einer weiterenErwärmung und damit weiterer Freisetzung von Methan beitragen würde. Außerdem ist die Förderung von Methanhydrat nicht ungefährlich. Erste Förderversuche sind bereits im Gange. Die Folgen einesRaubbaus sind weitgehend ungeklärt; Forscher befürchten das Abrutschen derKontinentalhänge, die zu großen Teilen aus Methaneis, das durch die Förderung instabil werden könnte, bestehen. Wegen derglobalen Erwärmung und der damit verbundenen Meerwassererwärmung befürchten einige Forscher das Schmelzen und Verdampfen des Methanhydrats. Das würde zusätzlich Methan als Treibhausgas in die Erdatmosphäre bringen und den anthropogenenTreibhauseffekt verstärken. Die Freisetzung von Methan aus tauendenPermafrostböden ist ein weiteresKippelement des Klimawandels.[53]
DieMethanisierung oder Sabatier-Prozess ist ein Prozess zur Erzeugung von synthetischem Erdgas. Dabei werden Kohle oder andere Kohlenstoff-haltige Materialien durchKohlevergasung inKohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid konvertiert, welche mit Wasserstoff katalytisch zu Methan umgesetzt werden. Diese Reaktion wurde im 19. Jahrhundert durch den Franzosen und NobelpreisträgerPaul Sabatier entdeckt und nach ihm benannt.[54]
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Die Reaktion wird nicht großtechnisch zur Herstellung von Methan eingesetzt, sie spielt jedoch eine Rolle beim Entfernen von Kohlenstoffmonoxid-Spuren, die in manchen Prozessen als Katalysatorgift wirken.
Methan schmilzt bei −182,6 °C und siedet bei −161,7 °C. Aufgrund derunpolaren Eigenschaften ist es in Wasser kaum löslich, inEthanol undDiethylether löst es sich jedoch gut. Die molareSchmelzenthalpie und die molareVerdampfungsenthalpie betragen 1,1 kJ·mol−1 und 8,17 kJ·mol−1. DerHeizwert Hi liegt bei 35,89 MJ·m−3 beziehungsweise 50,013 MJ kg−1 (13,893 kWh/kg). DieStandardentropie beträgt 188 J·mol−1·K−1, dieWärmekapazität 35,69 J·mol−1·K−1. DerTripelpunkt von Methan liegt bei 90,67 K (−182,48 °C) und 0,117 bar, derkritische Punkt liegt bei 190,56 K und 45,96 bar.
Festes Methan existiert in mehrerenModifikationen, zurzeit sind neun verschiedene bekannt.[58] Bei der Abkühlung von Methan bei normalem Druck entsteht Methan I. Dabei handelt es sich um einen kubisch kristallisierenden StoffRaumgruppeFm3m (Raumgruppen-Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225. Die Positionen der Wasserstoffatome sind nicht fixiert, das heißt, die Methanmoleküle können frei rotieren. Deshalb handelt es sich um einenplastischen Kristall.[59]
Im Methan betragen dieBindungswinkel 109,471°.Ausschnitt aus dem Infrarotspektrum von Methan. In den Absorptionsbanden um ca. 3000 cm−1 (links) finden sich die Übergänge der Pentade, in der um ca. 1300 cm−1 (rechts) jene der Dyade.
Das Methanmolekül besteht aus einemKohlenstoffatom (C), an welches vierWasserstoffatome (H)kovalent gebunden sind, was es zum einfachsten Vertreter derAlkane CnH2n+2 (mitn = 1) macht. Im Zentrum des Moleküls liegt das C-Atom, um das herum die H-Atometetraedrisch im Abstand von 108,7 Picometer (pm) angeordnet sind. Die im Falle des Methanmoleküls optimal realisierte Tetraederstruktur mit einem zeitgemittelten H–C–H-Bindungswinkel von 109,471° ist für den Aufbaugesättigter Kohlenwasserstoffe grundlegend und steht daher meist am Beginn jeder Einführung in dieOrganische Chemie. Qualitativ lässt sich diese regelmäßige Anordnung der vier gleichen H-Atome um das zentrale C-Atom bereits im einfachenVSEPR-Bild verstehen, da auf diese Weise die H-Atome – und damit die entlang der C–H-Bindungsachsen erhöhtenElektronendichten – die größtmögliche Entfernung zueinander einnehmen, was Abstoßungseffekte minimiert. Die vier gleich langen C–H-Bindungen lassen sich im Rahmen einer lokalisiertenValenzbindungstheorie mithilfe vonHybridorbitalen so beschreiben: Das C-Atom ist sp3-hybridisiert, die vier C–H-σ-Bindungen kommen durch paarweise Überlappung je eines der vier sp3-Hybridorbitale mit dem 1s-Orbital je eines H-Atoms zustande.[60] Dieses Modell mit vier energetisch äquivalenten Orbitalen ist jedoch nicht in der Lage, das experimentell ermittelteElektronenspektrum von Methan zu erklären und widerspricht auchtheoretischen Berechnungen.[61] Eine Beschreibung, die Theorie und Experiment in Einklang bringt, liefert dieMolekülorbitaltheorie. So erhält man alsElektronenkonfiguration von Methan imGrundzustand (1a1)2(2a1)2(1t2)6, wobei das Molekülorbital 1a1 im Wesentlichen dem kernnahen 1s-Atomorbital des C-Atoms entspricht. Die beiden unterschiedlichen Energieniveaus fürValenzelektronen – das relativ energiearme 2a1-Orbital sowie das dreifachentartete t2-HOMO – entsprechen den gemessenenIonisierungsenergien von 23 und 14 Elektronenvolt.[62] Aufgrund derTetraedersymmetrie lassen sie sich im Rahmen einesLCAO-Ansatzes mitsymmetrieadaptierten Linearkombinationen der H-1s-Orbitale entwickeln. Durch Überlagerung aller so formulierten Molekülorbitale erhält man auch hier wieder vier äquivalente C–H-Bindungen wie aus dem Hybridorbitalmodell.[63]
Dichteplots im Grundzustand besetzter Molekülorbitale von Methan auf demCCSD(T)/cc-pVQZ-Niveau
1a1
2a1
1t2
1t2
1t2
Die mittelsInfrarot- undRaman-Spektroskopie gewonnenen Messergebnisse stimmen mit einer Tetraedersymmetrie überein. Es gibt vierNormalmoden fürMolekülschwingungen bei etwa 2914, 1534, 3018 und 1306 cm−1, die mit ν1, ν2, ν3 und ν4 bezeichnet werden. Die Schwingungen ν2 (nur bei Wechselwirkungen mit anderen Molekülen, das heißt Symmetriestörung), ν3 und ν4 sind infrarotaktiv.[64][65] Das messbare Schwingungsspektrum setzt sich ausLinearkombinationen dieser Normalmoden zusammen, die im Bereich bis 4800 cm−1 zu jeweils einer Dyade[66] (zwei Kombinationen im Bereich 940–1850 cm−1), Pentade[67] (fünf Kombinationen im Bereich 2150–3350 cm−1) und Octade (acht Kombinationen im Bereich 3550–4800 cm−1) gruppiert werden können, zuzüglich einiger Übergänge zwischen angeregten Zuständen unterschiedlicher Polyaden, sogenanntehot bands.[68][69]
Im Vergleich zu anderen Alkanen weist die C-H-Bindung im Methan eine höhereBindungsenergie auf. In Reaktionen mit radikalischer Abstraktion des Wasserstoffatoms ist Methan gewöhnlich das am wenigsten reaktive Alkan. Das Methylkation (CH3+) ist das instabilsteCarbeniumion. Daher ist Methan in Reaktionen unterHydrid-Abstraktion ebenfalls wenig reaktiv. InElektronentransferreaktionen reagiert Methan aufgrund seines hohenIonisierungspotentials meist träge.[23] Mit Eisen-, Kupfer- oder Aluminiumatomen reagiert photochemisch angeregtes Methan in einer Methanmatrix bei tiefen Temperaturen unter Insertion des Metalls in die H–C-Bindung unter Bildung eines Metallkomplexes wie etwa H–Fe–CH3.[70]
MitSauerstoff geht Methan unterschiedlicheReaktionen ein, je nachdem wie viel Sauerstoff für die Reaktion zur Verfügung steht. Nur bei genügend großem Sauerstoffangebot ist eine vollständigeVerbrennung des Methans mit optimaler Energieausbeute möglich.[73]
MitChlor undBrom geht Methan unter Lichteinfluss Substitutionsreaktion ein, wobei die Wasserstoffatome durch Halogenatome ersetzt werden. Bei einer solchen Reaktion kommt es oft zu Mehrfachsubstitutionen, da das zunächst gebildete monohalogenierte Produkt tendenziell schwächere H-C-Bindungen aufweist als Methan selbst und daher selektiv weiter oxidiert wird. Iodverbindungen lassen sich durch Halogenaustausch herstellen.
Mit Dampf bildet sich bei hohen Temperaturen und unterKatalyse Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid. Diese sogenannte Dampfreformierung ist der technische Prozess, mit dem technisch Wasserstoff und Synthesegas hergestellt werden.
Bei Temperaturen von etwa 2000 °C bildet sich bei schneller AbkühlungEthin. Ohne Abkühlung zerfällt Methan ab etwa 1100 °C in die Elemente.[74] Bei einer Temperatur von etwa 1200 °C reagiert Methan mit Ammoniak zu Cyanwasserstoff und Wasserstoff.[75]
Erdgasverbrauch der Vereinigten Staaten von 1949 bis 2020[76]
Methan wird vorwiegend alsHeizgas zur Wärmeerzeugung und zum Betrieb von Motoren durch Verbrennung genutzt. Die Verwendung von Methan als Bestandteil von Erdgas stieg von 1950 bis 2020 etwa um den Faktor 5.[76] Neben Methan ausErdgas wird zu diesem ZweckBiogas (Biomethan) mit einem Methangehalt von etwa 50 bis 70 % ausMist,Gülle,Klärschlamm oder organischem Abfall gewonnen. Früher wurde Methan durchPyrolyse vonHolz gewonnen, bei derHolzgas entsteht (Holzvergasung). Holzgas, das unter anderem Methan enthält, diente wegen des Erdölmangels imZweiten Weltkrieg zum Betrieb von zivilenAutomobilen. Die aufheizendenHolzvergaser wurden meist außen angebaut. Rohes Biogas aus Abwasserreinigungsanlagen wird heute oft direkt mit Verbrennungsmotoren in Strom umgewandelt.
Durch das hohe Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff im Methan wird bei der Verbrennung eine größere Menge an Energie pro freigesetztem Kohlenstoffdioxidmolekül geliefert als von flüssigen Kohlenwasserstoffen auf Basis von Erdöl, deren ungefähres Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff etwa zwei beträgt oder von Kohle mit einem ungefähren Wasserstoff zu Kohlenstoffverhältnis von eins. Durch das hohe molare Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff von 4 : 1 im Methan wird bei der Verbrennung von Methan eine größere Menge an Energie pro freigesetztem Kohlenstoffdioxidmolekül geliefert als bei allen anderen kohlenstoffhaltigen Energieträgern.
Bei Verwendung von Methan alsalternativem Kraftstoff in Motoren werden etwa 2 % des Methans nicht verbrannt und müssen durch einenFahrzeugkatalysator umgesetzt werden. Vor der Einführung einerAbgasnachbehandlung und schwefelfreien Kraftstoffs hatten methanbasierte Kraftstoffe ein geringeres Versauerungs- und Eutrophierungspotential sowie geringere Effekte auf die menschliche Gesundheit als die Verbrennung vonDieselkraftstoff. Dies war auf die geringeren Stickoxidemissionen bei der Verbrennung zurückzuführen.[78] In Fahrzeugen nach der aktuellenAbgasnorm sind die Emissionen nach der Abgasnachbehandlung unabhängig vom Kraftstoff auf ähnlichem Niveau.
Methalox, ein Gemisch aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Methan, wird alsRaketentreibstoff verwendet. Die ersten Versuche hierzu wurden von dem deutschen RaketenpionierJohannes Winkler Anfang der 1930er Jahre durchgeführt; am 14. März 1931 erreichte eine Hückel-Winkler-1 eine Höhe von 60 m.[79] Am 12. Juli 2023 erreichte schließlich eineZhuque 2 des chinesischen RaketenbauersLandSpace als erste methangetriebene Rakete der Welt den Orbit.[80] Verflüssigtes Methan hat zwar einen geringerenspezifischen Impuls als flüssiger Wasserstoff, lässt sich aber aufgrund seines höheren Siedepunktes und der fehlenden Versprödungsneigung im Vergleich zu Wasserstoff leichter lagern und handhaben.Bei Raumfahrzeugen wie demStarship, die für künftigeMarsmissionen verwendet werden sollen, ist außerdem die perspektivischeHerstellung von Raketentreibstoff auf dem Mars ein weiteres Argument für die Verwendung von Methalox als Treibstoff.
Methan dient als wichtiges Ausgangsprodukt für die technische Synthese vonEthin,Cyanwasserstoff,Schwefelkohlenstoff,Halogenalkane und vielen anderenorganischen Verbindungen. Methan ist ein wichtiger Rohstoff für die Herstellung von Wasserstoff sowie Kohlenstoffmonoxid. Die Folgechemie von Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemischen ist vielfältig. Sie werden unter anderem zur Herstellung von Methanol oder in derFischer-Tropsch-Synthese für die Herstellung von Alkanen genutzt.
Die partielle Oxidation von Methan wird ebenfalls als katalytisches Verfahren durchgeführt. Dabei reagiert Methan mit Sauerstoff in einer exothermen Reaktion zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Der Energiebedarf der partiellen Oxidation ist daher geringer ist als bei der Dampfreformierung, erfordert jedoch den Einsatz von reinem Sauerstoff als Reaktand. Weiterhin besteht die Gefahr einer Explosion bei instabilen Prozessbedingungen.[81]
Eine Kombination beider Prozesse, bei der die partielle Oxidation den Energiebedarf der Dampfreformierung deckt, wirdAutothermale Reformierung genannt.[81]
Ist Wasserstoff das Zielprodukt, wird das entstandene Kohlenstoffmonoxid mit weiterem Wasser in einem sogenannten Sekundärreformer einerWassergas-Shift-Reaktion zu Kohlenstoffdioxid und weiterem Wasserstoff umgesetzt.[82] Als Katalysatoren dienenEisen(III)-oxid-Kontakte.
Der im Jahr 2010 hergestellte Wasserstoff wurde zu 98 % durch Dampfreformierung hergestellt.[83] Die Folgeprodukte der Dampfreformierung und der partiellen Oxidation sind vielfältig. Je nach Kohlenstoffmonoxid zu Wasserstoffverhältnis wird das Synthesegas zurMethanolherstellung oder zurHydroformylierung vonOlefinen eingesetzt.[84][85] Reiner Wasserstoff wird zur Produktion vonAmmoniak imHaber-Bosch-Verfahren oder fürHydrierungen eingesetzt.
Bei den genannten drei Verfahren fällt entweder Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid als weiteres Produkt an.[83] Eine Kohlenstoffdioxid-freie Route zu Wasserstoff besteht in der thermischen oder thermokatalytischen Zersetzung von Methan inKohlenstoff und Wasserstoff.[83] Die Herstellung von Wasserstoff aus Methan unter Abtrennung von Kohlenstoff bietet einen Weg, Energie aus Wasserstoff durch Verbrennung oder inBrennstoffzellen ebenfalls ohne Kohlenstoffdioxid zu erzeugen.
Als Katalysator dientNickel, der entweder als Netz oder als Nickelsalz auf verschiedenen Trägern eingesetzt werden kann. Gegenüber dem rein thermischen Zerfall, der bei etwa 1200 °C stattfindet, liegt das Temperaturniveau der thermokatalytischen Zersetzung bei etwa 500 bis 600 °C.
Für die Herstellung von Ethin aus Methan sind verschiedene Prozesse entwickelt worden, etwa die autotherme Verbrennung imSachsse-Bartholomé-Verfahren.[86] Die Herstellung von Ethin gelingt weiterhin durch die thermische Spaltung von Methan im Lichtbogen bei Temperaturen von 2000 bis 3000 °C gemäß folgender Gleichung:[74]
Als Nebenprodukt fällt Ruß an. Die oxidative Kopplung von Methan zu Ethin durch die Reaktion mit Sauerstoff ist ebenfalls möglich, die Selektivität zu Ethin ist mit 20 % eher gering.[74]
BeimBMA-Verfahren der Degussa reagiert Methan mit Ammoniak in Gegenwart einesPlatin-Katalysators bei Temperaturen von etwa 1200 °C direkt zu Cyanwasserstoff.
Die Chlorierung von Methan kann katalytisch, thermisch oder photochemisch erfolgen. Bei derChlorierung nach allen drei Prozessen entstehen nebenChlormethan auch die höhere chlorierten ProdukteDichlormethan,Chloroform undTetrachlormethan. Die höher substituierten Produkte entstehen bereits zu Beginn der Reaktion, wenn noch genügend unreagiertes Methan vorliegt. Die Reaktion ist stark exotherm mit etwa 100 Kilojoule pro Substitutionsreaktion:[89]
mit ΔRH = −103,5 kJ·mol−1
mit ΔRH = −102,5 kJ·mol−1
mit ΔRH = −99,2 kJ·mol−1
mit ΔRH = −94,8 kJ·mol−1
DiePhotochlorierung von Methan läuft bei Belichtung unter Beteiligung von Methyl- undChlorradikalen als Kettenträger nach dem folgenden Schema ab:
Höherhalogenierte Produkte entstehen nach demselben Schema, wobei die gezielte Synthese vonChloroform bevorzugt über die Chlorierung vonAceton und die Synthese vonTetrachlormethan über die Chlorierung von Kohlenstoffdisulfid erfolgt.
Die chlorierten Methanderivate finden vielfältige industrielle Anwendung.Methylchlorid wird zur Herstellung vonMethylzellulose verwendet, früher wurde es zur Herstellung vonTetramethylblei verwendet.Dichlormethan wird vor allem als Lösungsmittel verwendet.Brommethan wird in der Schädlingsbekämpfung zu Bodenbegasung und Begasung von Transportbehältern eingesetzt.
Die Methanogenese inMethanbildnern aus derDomäne derArchaeen oder Urbakterien ist eine Form deranaeroben Atmung. Als Kohlenstoffquelle dienen zum Beispiel Kohlenstoffdioxid,Essigsäure sowie C1-Verbindungen wie Methanol und Ameisensäure. Der überwiegende Teil des irdischen Methans stammt aus der biotischen Methanogenese durch die Reduktion von Kohlenstoffdioxid durch biologisch erzeugtenWasserstoff sowie durch den Zerfall von Essigsäure in Kohlenstoffdioxid und Methan durch Essigsäure-spaltende, acetoklastische Methanbildner.[90][91]
Methan wird durch bestimmte methanotropheProkaryoten, etwaMethylococcus capsulatus (FamilieMethylococcaceae derGammaproteobakterien) in Gewässern und Böden mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert. Es kann sich dabei umBakterien oderArchaeen handeln, die unteraeroben oder anaeroben Bedingungen wachsen. Diese Umsetzung istexergon und die Prokaryoten nutzen sie als Energiequelle. Diese sind oft in der Nähe von Methanquellen zu finden, etwa in Feuchtgebieten oder in aquatischen Umgebungen.[92] Aufgrund ihrer Rolle als Methansenke, welche die Freisetzung von Methan in die Atmosphäre reduziert, wird ihr möglicher positiver Einfluss auf die Reduktion der globalen Erwärmung untersucht.
In den Höhlen und unterirdischen Flüssen der HalbinselYucatán ist Methan die treibende Kraft für das dortige Leben. Das im Wasser gelöste Methan wird durch Bakterien umgewandelt und stellt somit die Grundlage des lokalen Nahrungsnetzes dar. Die dort lebenden Krebstiere beispielsweise beziehen bis zu 21 % ihrer Nahrung indirekt über methanotrophe Mikroben aus Methan.[93]
Die Umsetzung des Methans erfolgt unter anderem über das EnzymMethan-Monooxygenase, welches die Oxidation zuMethanol katalysiert. Die Methan-Monooxygenase liegt in einer löslichen Form mit zwei sauerstoffverbrücktenEisenatomen im aktiven Zentrum und einer unlöslichen Form vor, die einKupferatom im aktiven Zentrum enthält.[94]
Meeresalgen wieEmiliania huxleyi und andereHaptophyta produzieren im Ozean signifikante Mengen Methan: Versuche mit13C-markierten Substraten wieHydrogencarbonat, methylierten Schwefelverbindungen wieDimethylsulfid,Dimethylsulfoxid undMethioninsulfoxid[S 1] führten zur Bildung von13C-angereichertem Methan. Feldstudien etwa imPazifischen Ozean zeigten, dass die Methanproduktion durch Algen wahrscheinlich ein häufig ablaufender und wichtiger Prozess in marinen Oberflächengewässern ist.[95] Zooplankton setzt bei der Konsumtion von Algen ebenfalls Methan frei, das vermutlich im Verdauungstrakt gebildet wird. Ein möglicher Mechanismus ist Umsetzung neu gebildeter Methylamine wieMethylamin undTrimethylamin.[96]
Methan könnte als Treibhausgas vor etwa 252 Mio. Jahren das größteMassenaussterben desPhanerozoikums mit verursacht haben. Der Anstieg seiner Konzentration in der Erdatmosphäre in derModerne ist einer der Aspekte desAnthropozäns.[97] Laut zweier Studien desGlobal Carbon Project stammten 2017 mehr als 60 % der Methan-Emissionen aus der menschlichen Wirtschaft.[98][99]
2021 erreichte die Konzentration in der Atmosphäre 262 % des Niveaus vor der Industrialisierung. Die globale Durchschnittskonzentration von Methan stieg lautWMO-Schätzungen 2021 um 18 auf 1908ppb. 2020 stieg die Konzentration um 15 ppb, ebenfalls mehr als im langjährigen Durchschnitt.[100]
In einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre wird Methan langsam oxidiert, insbesondere durchHydroxyl-Radikalen zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Dieser Prozess verläuft langsam; dieHalbwertszeit wird auf 12 Jahre geschätzt.[8][101]
In derErdatmosphäre reagiert Methan mit Sauerstoff zunächst zuFormaldehyd und gegebenenfalls zuOzon.[102] Durch weitereOxidation entsteht schließlich Kohlenstoffdioxid und Wasser.
In der Stratosphäre ist Methan die Hauptquelle für Hydroxyl-Radikale und Wasser sowie die Konvertierung von atomarem Chlor in Chlorwasserstoff.[103]
DasTreibhauspotenzial von Methan ist, auf einen Zeitraum von 100 Jahren bezogen, 28-mal höher als das der gleichen GewichtsmengeKohlenstoffdioxid. Nach einer neueren Untersuchung beträgt dieserFaktor 33, wenn Wechselwirkungen mit atmosphärischenAerosolen berücksichtigt werden.[8][104] Auf einen Zeitraum von 20 Jahren bezogen steigt dieser Faktor auf 84. Methan trägt rund 20 bis 30 % zum anthropogenen Treibhauseffekt bei.[105] Nach Einschätzung desUmweltprogramms der Vereinten Nationen (UNEP) könnte mit Maßnahmen gegen Methan-Emissionen erreicht werden, dass die mittlere globale Temperatur bis 2045 um fast 0,3 °C langsamer steigt als erwartet.[105] Im Vergleich zu Kohlenstoffdioxid hat Methan eine kürzere Verweildauer in der Erdatmosphäre (12 Jahre ggü. 5–200 Jahre).[106] Das UN-Umweltprogramm UNEP hat im Oktober 2021 die Gründung einer Internationalen Beobachtungsstelle für Methanemissionen (IMEO – International Methane Emissions Observatory) angekündigt, mit der die von den USA und der EU initiierte „Globale Methan-Verpflichtung“ ergänzt werden soll.[107][108] IMEO nutzt Satellitenbilder, um Methanlecks zu identifizieren.[109] Parallel dazu verzeichnete dieWeltorganisation für Meteorologie (WMO) 2021 den höchsten Anstieg der Methan-Konzentration in der Atmosphäre seit Beginn der systematischen Messungen. Am schnellsten und kostengünstigsten ließe sich der Methanausstoß im Energiesektor vermindern. Laut Einschätzung derInternationalen Energieagentur (IEA) könnten 60 bis 80 % dieser Emissionen ohne Mehrkosten unterbunden werden.[110]
Die Methankonzentrationen stiegen zwischen 2000 und 2006 jährlich um etwa 0,5 ppb, seit 2006 mit einer mehr als zehnfach höheren Rate.[111] Damit ist weit mehr Methan in derErdatmosphäre als jemals während der letzten 650.000 Jahre.[112] Eine im Februar 2020 erschienene Studie von Forschern derUniversity of Rochester sieht starke Indizien dafür, dass rund zehnmal weniger Methan auf natürliche Weise aus geologischen Quellen austritt als bislang angenommen. Im Umkehrschluss hat die Förderung fossiler Energien (Öl, Gas und Kohle) einen deutlich höheren Anteil an den Methanemissionen.[113]
Jährlich werden auf der Erde etwa 600 Millionen Tonnen Methan emittiert. In Deutschland sank die Emission zwischen 1990 und 2018 von 121,2 Millionen Tonnen auf etwa 52,6 Millionen TonnenCO2-Äquivalent.[114]
Anfang 2014 berichtete das ForschungsmagazinScience nach einerMetaanalyse von über 200 Studien, die US-amerikanische UmweltschutzbehördeEnvironmental Protection Agency (EPA) habe den Methangas-Ausstoß in denUSA seit 20 Jahren zu gering angegeben.[115] In den USA wurden jährlich 40 Millionen Tonnen mehr in die Atmosphäre emittiert als bisher offiziell angenommen, sowohl aus natürlichen Quellen als auch aus der Viehhaltung von beispielsweise 88 Millionen Rindern im Land sowie ausLecks in Förderanlagen undPipelines. Basierend auf Daten aus Feldmessungen werden die jährlichen Methanemissionen aus der Öl- und Gaslieferkette auf etwa 13 Millionen Tonnen pro Jahr geschätzt und liegen damit 60 % über den Schätzungen der US-Umweltschutzbehörde. Bei der Öl- und Gasproduktion sind die gemessenen Emissionen doppelt so hoch wie die behördlichen Schätzwerte. Mittels des Tropomi-Spektrometers wurden allein imPermian Basin in Texas 2018 eine jährliche Emission von 2,9 ±0,5 Millionen Tonnen gemessen.[116] Unklar ist (Stand 2014), wieweit die fehlerhaften Angaben Einfluss auf die Rechenmodelle zur Entwicklung des Weltklimas haben.[117]
Der Ausstoß von Methan hat besonders in den Vereinigten Staaten signifikant zugenommen. Dieser könnte mit der Förderung vonSchiefergas durch Fracking (Hydraulic Fracturing) zusammenhängen.[118][119] Es gibt erhebliche Unsicherheiten über das Ausmaß der Methanleckagen im Zusammenhang mit Fracking und Hinweise darauf, dass die Leckagen die Vorteile der Verbrennung von Erdgas gegenüber anderen fossilen Brennstoffen zunichtemachen könnten. Laut einer 2020 veröffentlichten Studie emittieren Fracking-Anlagen doppelt so viel Methan wie zuvor geschätzt. Für die Hydraulic-Fracturing-Anlagen inPennsylvania wird eine Leckagerate von etwa 10 % angenommen, die als repräsentativ für die Hydraulic-Fracturing-Industrie in den USA im Allgemeinen angesehen wird. Die Methanemissionen im Gebiet derMarcellus-Formation wurden pro Jahr zu etwa 0,67 Millionen Tonnen bestimmt.[120]
Die Freisetzung von Methan ausPermafrost und vom Meeresboden ist eine mögliche Folge und eine weitere Ursache für die globale Erwärmung.[121] Aus arktischen Permafrostböden wird Methan sowohl geologischen als auch biologischen Ursprungs freigesetzt, biogenes durchUmwandlung von Permafrost in Feuchtgebiete. Biogenes Methan wird in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen wie Temperatur und Sonneneinfall freigesetzt, während Methan geologischen Ursprungs unabhängig davon freigesetzt wird.[122]
Durch unerkannte Lecks inRaffinerien und beim Transport von Öl und Gas durchPipelines entweichen erhebliche Mengen Methan in die Erdatmosphäre. DieInternationale Energieagentur (IEA) in Paris schätzte diese Menge Ende 2017 auf rund 75 Mio. Tonnen pro Jahr und damit 1,7 % der Gesamtfördermenge.[123]
Studien deuten darauf hin, dass die Methan-Emissionen aus Kohleminen stark unterschätzt wurden.[124] So wurde 2014 in der Gegend umFour Corners durch Satellitendaten eine gewaltige Methanemission aus nahe gelegenenKohleabbaustätten detektiert.[125] Mit geschätzten 600.000 Tonnen Methan pro Jahr sind die Emissionen größer als die der gesamten britischen Öl-, Gas- und Kohleindustrie.[126]
Durch Leckagen in der Erdgasinfrastruktur kann es zu bedeutenden Freisetzungen von Methan kommen. So führte 2015 ein Leck in einer unterirdischen Speicheranlage imAliso Canyon zu einer massiven Freisetzung von Erdgas, bei der etwa 100.000 Tonnen Methan entwichen.[127] Bei einemBlowout in Ohio im Jahr 2018 wurden über einen Zeitraum von 20 Tagen etwa 57.000 Tonnen Methan emittiert.[128]
Etwa 70 % der mikrobiellen Methanemission der Erde ist auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen. Die Methanemissionen in derLandwirtschaft und bei derTierhaltung tragen dazu etwa 40 bis 46 % bei. Davon entfallen etwa 66 % auf dieRinderhaltung, 20 % auf denNassreisanbau und etwa 7 % aufWirtschaftsdünger.[129] Viele Pflanzen produzieren ständig Methan und tragen so seit jeher zum Methangehalt der Atmosphäre bei.[130]
DiearchaeellenMethanbildner imPansen wiederkäuender Tiere sind für die ständige Neubildung von Methan verantwortlich. EinHausrind stößt täglich etwa 150 bis 250 Liter Methan aus, weil im Rindermagen Methanogene an der Zersetzung vonCellulose beteiligt sind. Die Senkung der Methanemission von Kühen durch Futterzusätze wird intensiv erforscht.[131][132][133][134][135] Einer der inzwischen auf dem Markt erhältlichen Futterzusätze istBovaer.[136] Möglicherweise können die Methanemissionen der Wiederkäuer durch spezielle Impfungen gesenkt werden.[137] Die Methanbildung reduziert auch die Energie, die den Tieren durch die Nahrungsaufnahme zur Verfügung gestellt wird und damit nicht für die Produktion von Milch, Fleisch oder Fasern zur Verfügung steht. Der Energieverlust ist auf etwa 6 bis 10 % der Bruttoenergieaufnahme geschätzt worden.[138]
Methan ist hoch entzündlich, derFlammpunkt liegt bei −188 °C, dieZündtemperatur bei 595 °C.[1] Methan bildet bei einem Volumenanteil zwischen 4,4 und 16,5 % in Luft explosive Gemische.
Durch unbemerktes Ausströmen von Erdgas kommt es immer wieder zu folgenschweren Gasexplosionen, etwa die Explosion derNew London School 1937. In Folge wurde die Beimengung vonMethanthiol,Tetrahydrothiophen oder ähnlichen, leicht wahrnehmbarenOdoriermitteln zum Erdgas vorgeschrieben.[139] Methanbehälter sollen an gut belüfteten Orten aufbewahrt und von Zündquellen ferngehalten werden und es sollten Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladung getroffen werden. Die gefürchteten Grubengasexplosionen in Kohlebergwerken, sogenannteSchlagwetter, sind auf Methan-Luft-Gemische zurückzuführen.
Methan wird, um die Dichte zu erhöhen, unter hohem Druck in Gasflaschen bei 200 bar aufbewahrt. Methan liegt in der handelsüblichen 50 Liter-Stahlflasche oder in Kraftfahrzeugtanks, oft mitKohlenstofffasernverstärktes Epoxidharz über Aluminium-Liner, komprimiert auf 200 bar gasförmig vor, sogenanntesCompressed Natural Gas (CNG).[140]
DerSchifftransport in großen Mengen erfolgt in fast überdrucklosen Membrantanks, jedoch bei etwa −162 °C tiefkalt verflüssigt, sogenanntesLiquified Natural Gas (LNG).[141] Schiffe mit Rohr- und Kugeltanks transportieren Erdgas bei einem Druck von etwa 200 bis 300 bar und bei höherer Temperatur.[142]
Methan wird bei tiefen Temperaturen flüssig gelagert, weil die Dichte dadurch auf knapp das 600-fache erhöht wird. Aus diesem Grund kann es beim Austritt dieses gekühlten Methans leicht zu Erfrierungen kommen. Methan selbst istungiftig, durch Verdrängung von Sauerstoff aus der normalen Atemluft jedoch kann die Aufnahme von Methan zu erhöhter Atemfrequenz (Hyperventilation) und erhöhter Herzfrequenz führen, kurzzeitig niedrigenBlutdruck, Taubheit in den Extremitäten, Schläfrigkeit, mentaleVerworrenheit undGedächtnisverlust auslösen, alles hervorgerufen durch Sauerstoffmangel. Methan führt nicht zu bleibenden Schäden.[143] Wenn die Symptome auftreten, sollte das betroffene Areal verlassen und tief eingeatmet werden, falls daraufhin die Symptome nicht verschwinden, sollte die betroffene Person in ein Krankenhaus gebracht werden.
Moderne Methoden zur Methanmessung basieren auf unter anderem auf der Infrarottechnik oder katalytischen Wärmetönungssensoren. EinMethanometer besteht aus einer Anordnung von vier beheizten Drähten, von denen zwei Drähte mit einemKatalysator beschichtet und in einerWheatstone-Brücke mit zwei unbeschichteten inaktiven Elementen angeordnet sind. Durch katalytische Oxidation des Methans werden die beschichteten Drähte in methanhaltiger Luft erwärmt. Mittels Eichung kann die daraus resultierende Änderung des Widerstands der aktiven und inaktiven Elemente als entsprechende Methankonzentration angezeigt werden.[146]
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