24.1. Methan
Methan ist der einfachste Vertreter der aliphatischen Kohlenwasserstoffe. Seine Formel lautet CH4 .
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Bild 2 : |
Ansehen : Starten Sie die JSmol–Visualisierung durch Anklicken des Links unter dem Molekül.
24.1.1. Struktur
Koordination : Das Molekül ist nicht etwa eben und quadratisch, wie man beim Anblick der Strukturformel vermuten könnte, sondern tetraedrisch. Das heißt, das Kohlenstoffatom befindet sich in der Mitte eines Tetraeders, die 4 Wasserstoffatome an seinen Ecken.
Aggregatzustände : Während sich die Moleküle im gasförmigen Zustand (wie in allen Gasen) regellos im Raum bewegen, lagern sie sich im festen Zustand zu einem Kristall zusammen.
- Mehr über die Kristallstruktur von festem Methan in Kapitel 24.1.5.
- Mehr über die Beschreibung des Methanmoleküls mit dem VSEPR–Modell in Kapitel 6.1.3.
- Mehr über die Aggregatzustände in Kapitel 11.
- Mehr über die kleinsten Teilchen in gasförmigem Methan in Kapitel 10.5.2.
24.1.2. Vorkommen
Methan kommt in der Luft zu 0,00013 % (= 1,3 ppm) vor. Es ist der Hauptbestandteil des Erdgases. In die Atmosphäre gelangt Methan, wenn Erdgas, das bei der Erdölförderung mit auftritt, nicht verbrannt oder verbraucht wird. Methan entsteht bei Fäulnisprozessen in Sümpfen, außerdem bei Vergärungsvorgängen in der Landwirtschaft (tierische Verdauung, Reisanbau).
Auf dem Meeresgrund lagern riesige Mengen Methanhydrat. Dabei ist Methan in Eiskristallen eingeschlossen.
Methan wirkt als Treibhausgas. Trotz seines geringen Anteils in der Atmosphäre ist es zu ca. 20 % am Treibhauseffekt beteiligt.
24.1.3. Physikalische Eigenschaften
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| Steckbrief Methan | |
| Summenformel | CH4 |
| Schmelzpunkt | –182,48 °C |
| Siedepunkt | –164 °C |
| Dichte bei Normbedingungen (0 °C und 1,01325 bar) | 0,7175 g/l |
| CAS–Nr. | 74–82–8 |
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- Eine Erklärung, warum der Siedepunkt von Methan so niedrig ist, und einen Vergleich mit den Siedepunkten anderer Stoffe finden Sie in Kapitel xxx.
24.1.4. Mehr Informationen über Methan
Die Links dieser Seite wurden zuletzt im Januar 2025 überprüft.
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Ausführliche Seite über die Entstehung, Gewinnung und Verarbeitung
von Erdgas in den USA. Von der Natural Gas Supply Association, einer Organisation, die Erdgasunternehmen
vertritt. -
Methanhydrat auf dem Meeresgrund.
Von maribus, einer Gesellschaft, die die Belange der Meere vertreten will.
24.1.5. Die Kristallstruktur von Methan
Warum beschäftigen sich Menschen damit ?
Bild 3 : Glaubhaft aussehende, aber sehr stark schematisierende Darstellung der Elementarzelle von Methan. Mehr Info im Text.
Im Jahr startete die US–Raumsonde „New Horizons” zum Pluto. Sie erreichte ihn 2015 und schickte viele Bilder und Messdaten von dort zur Erde. Die Temperaturen auf Pluto sind sehr niedrig (24 K bis 54 K, das ist zwischen –250 °C und –220 °C), und um die Bilder und Daten auswerten zu können, ist es wichtig, das Verhalten der Stoffe, die man in der Atmosphäre von Pluto findet (dazu gehören Wasser, Stickstoff und Methan), bei diesen Temperaturen zu verstehen.
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Mehr über die Mission „New Horizons”.
Von Wikipedia.
Daher hat im Jahr 2020 eine australische Forschungsgruppe die Eigenschaften von festem Methan mit modernen Methoden untersucht. Die Ergebnisse stehen in L–291 und sind Grundlage des folgenden Textes.
Ein allzu einfaches Modell
Zwischen dem Schmelzpunkt (–182,48 °C) und –252,75 °C hat Methan eine kubische Kristallstruktur. Das heißt, die Elementarzelle ist ein Würfel. Die Kohlenstoffatome der Methanmoleküle besetzen die Positionen einer kubisch flächenzentrierten Kugelpackung. Man könnte sich die Kristallstruktur von Methan so wie in Bild 3 vorstellen. An den Ecken eines Würfels und auf den Mittelpunkten der Würfelflächen ist jeweils ein Kohlenstoffatom, und drumherum die Wasserstoffatome.
Jedoch hat Methan nicht die Kristallstruktur von Bild 3. Das Modell, das ich dort benutzt habe (nur einmal, um Sie auf ein besseres, komplexeres vorzubereiten), ist gar zu simpel. Sie werden gleich eine Begründung dafür kennenlernen, zusammen mit einer realistischen Beschreibung der tatsächlichen Struktur.
- Mehr über die kubisch dichteste Kugelpackung in Kapitel 7.3.2.
Bild 4 : Methankristall, Ausschnitt. Gezeigt werden 3 Momentaufnahmen der rotierenden Methanmoleküle.
Ein dynamisches Modell
Könnte es sein, dass wir beim vorigen Einfach–Modell etwas übersehen haben ? Diese Frage kann man immer mit Ja beantworten, denn jedes Modell (→ Kapitel 3) ist ein Bild der Wirklichkeit und lässt damit notwendigerweise das eine oder andere weg. Im vorigen Modell wurde aber etwas Wichtiges weggelassen.
Wir haben nichts zur thermischen Bewegung (den thermischen Schwingungen) der einzelnen Moleküle gesagt. In den meisten Fällen gibt es da auch nicht viel zu sagen. Die thermische Bewegung ist eben da, die einzelnen Atome schwingen ein bißchen hin und her, und das Bemerkenswerteste dabei ist, die thermische Bewegung hat keine echten Konsequenzen (→ Kapitel 3.7.5).
Und hier soll das anders sein ? Bei Temperaturen, die maximal 50 Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen ? Soll man die Schwingungen hier überhaupt noch thermisch nennen, bei dieser Eiseskälte ?
Ja, hier ist es anders. Hier, bei der unerwartetsten Gelegenheit, hat die thermische Bewegung tatsächlich Auswirkungen.
Fehlende Polarität. – Die 4 Bindungen im Methanmolekül sind völlig unpolar. Es sind dort keine permanenten Dipole (→ Kapitel 5.5.) vorhanden. Wo keine Dipole sind, können auch keine anderen Dipole induziert werden – von wem denn ? Es sind keine induzierten Dipole (→ Kapitel 5.8.) vorhanden. Das Methanmolekül ist klein, die Bindungen relativ kurz. Das sind gute Voraussetzungen dafür, dass temporäre Dipole (→ Kapitel 5.9.) nur in ganz geringem Maß entstehen. Das heißt, zwischen den Molekülen wirken nur van–der–Waals–Kräfte, und die sind schwach und wenig zahlreich, können also ihre Ameisenrolle (→ Kapitel 5.9.2.) nicht ausspielen. Zwischen den Methanmolekülen besteht so gut wie kein Zusammenhalt.
Kugelform. – Methanmoleküle sind kugelförmig. Nun ja, exakt kugelförmig sind sie nicht, aber die Moleküle, so wie ich sie in Bild 3 gezeichnet habe, kommen der Kugelform schon recht nahe. Und die Darstellung in Bild 3 ist realistisch, das heißt, sie zeigt die tatsächliche Raumerfüllung der Moleküle gut. In den Kugel–Stab–Zeichnungen in Bild 4 (und an vielen anderen Stellen des Projekts) geht es mehr darum, alle Atome und ihre gegenseitige Lage zu verstehen, und deshalb sind Atome dort verkleinert.
Innere Energie. – Sie ist auch bei Pluto–Temperaturen vorhanden, aber wenig. Thermische Bewegung findet statt, wenn auch schwach. Diese Bewegung umfasst nicht nur Schwingungen (zum Beispiel Biege– und Streckschwingungen), sondern auch Rotationen, und damit sind Rotationen des gesamten Moleküls gemeint (→ Kapitel 4.1.2.3). Aber geht das im festen Zustand, in Kristallen überhaupt ? Ja. Gerade annähernd kugelförmige Moleküle brauchen beim Rotieren keinen zusätzlichen Platz, und so wird die innere Energie zu einem großen Teil in Molekülrotationen realisiert. Dazu kommt der nur geringe Zusammenhalt zwischen den Molekülen. Er kann die Molekülrotationen nicht ausbremsen. Methanmoleküle können im Methankristall frei rotieren. Das Zentrum der Rotation ist immer das Kohlenstoffatom. Die Rotationsachse kann in beliebige Richtungen zeigen, muss aber immer durch das Kohlenstoffatom gehen. Der Methankristall ist, selbst bei solch tiefen Temperaturen wie hier betrachtet, ein dynamisches System.
In Bild 4 habe ich die Rotationen der Methanmoleküle simuliert. Es zeigt 3 Momentaufnahmen eines Ausschnitts des Methankristalls, gut eine Elementarzelle umfassend. Im obersten Teil des Bildes haben die Methanmoleküle ihre feste Position (Kohlenstoffatome auf den Stellen der kubisch dichtesten Packung), aber eine zufällige Orientierung. Im mittleren Teil haben die Moleküle dieselbe Position. Sie haben sich aber ein Stück gedreht, jedes individuell um eine andere Achse, und nehmen dadurch andere Orientierungen im Raum ein. Im unteren Teil haben sie sich noch ein Stück weiter gedreht.
Bild 5 : Methankristall, Ausschnitt. 3 Moleküle sind mit einer Kugel umgeben, innerhalb der sie rotieren.
In Bild 5 habe ich rund um 3 Methanmoleküle eine rote transparente Kugel gezeichnet. Es ist der kugelförmige Raum (ein wenig verkleinert, wegen der besseren Übersicht), in dem die Moleküle rotieren. Diese Kugeln sind nicht größer als die Moleküle darin.
Kugelpackung. – Die Teilchen, die zusammengehalten werden (Methanmoleküle), sind, leicht idealisiert gesehen, kugelförmig, und es wirken nur van–der–Waals–Kräfte. Das ist aber genau die Situation, die ich zu Beginn von Kapitel 7.3. (über Kugelpackungen) beschrieben habe. Die Methanmoleküle (oder wenn man ganz genau sein will, die roten Kugeln aus Bild 5) lagern sich also zu einer dichtesten Kugelpackung zusammen. Hier ist es die kubisch dichteste.
Plastische Kristalle. – Methan ist nicht das einzige Beispiel, bei dem Moleküle im Kristall rotieren. Diese Erscheinung kommt öfter vor, und daher hat sie einen Namen bekommen. Solche Kristalle heißen Plastische Kristalle, und sie haben ungewohnte Eigenschaften. Weiter oben habe ich geschrieben, dass zwischen den Methanmolekülen so gut wie kein Zusammenhalt besteht. Konsequent interpretiert, bedeutet dieser Satz, dass doch ein minimaler Zusammenhalt vorhanden ist, bewirkt durch die minimalen van–der–Waals–Kräfte. Sie reichen gerade mal aus, die Moleküle in einer Kugelpackung zusammen zu halten, nicht aber, sie an einem festen Platz zu halten. Das ist der Grund, weshalb der Methankristall plastisch, das heißt verformbar ist. Die bei der „New Horizons”–Mission beobachteten Phänomene können damit erklärt werden.
Noch kälter
Die Beschreibung von oben gilt für Methan im Temperaturbereich von –182,48 °C, dem Schmelzpunkt, bis zu –252,75 °C (90,7 K bis 20,4 K). Bei noch tieferen Temperaturen bilden sich andere Modifikationen, bei denen die Methanmoleküle weniger frei oder gar nicht mehr rotieren.
Kristallstruktur von Methan :
Die Moleküle bilden eine kubisch dichteste Kugelpackung.
Die Moleküle rotieren frei an ihren Positionen.
Methan bildet plastische Kristalle.
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