Methaan

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Methaan
Structuurformule en molecuulmodel
Structuurformule van methaan
Structuurformule van methaan
Algemeen
Molecuulformule
     (uitleg)
CH4
IUPAC-naam methaan
Andere namen moerasgas, grauwvuurgas
Molmassa 16,04 g/mol
SMILES
C
CAS-nummer 74-82-8
Beschrijving Brandbaar gas
Waarschuwingen en veiligheidsmaatregelen
Ontvlambaar Drukhouder
Gevaar[1]
H-zinnen H220 - H280[1]
EUH-zinnen geen
P-zinnen P210 - P410+P403[1]
Omgang Verwijderd houden van hitte, vonken en open vuur
Opslag Brandveilig en koel bewaren. Verluchting langs de vloer en het plafond.
Fysische eigenschappen
Aggregatietoestand gasvormig
Kleur kleurloos
Dichtheid 0,656 × 10-3 g/cm³
Smeltpunt -182,48 °C
Kookpunt -164 °C
Vlampunt -188 °C
Zelfontbrandings- temperatuur 537 °C
Oplosbaarheid in water (bij 20°C) 3,3 g/L
Thermodynamische eigenschappen
ΔfHog -74,81 kJ/mol
Sog, 1 bar 83,7 J/mol·K
Waar mogelijk zijn SI-eenheden gebruikt. Tenzij anders vermeld zijn standaardomstandigheden gebruikt (298,15 K of 25 °C, 1 bar).
Portaal  Portaalicoon   Scheikunde

Methaan (CH4) is het eenvoudigste koolwaterstof en behoort tot de groep der alkanen. Het bezit een tetraëdrische moleculaire geometrie. Het centrale sp3-gehybridiseerde koolstofatoom is volledig verzadigd. Methaan is bij kamertemperatuur en bij atmosferische druk een gas. Het werd in 1778 ontdekt door Alessandro Volta.

Methaan, ook bekend onder de naam moerasgas, is het voornaamste bestanddeel van aardgas. Aardgas wordt in de natuur aangetroffen in samenhang met aardolie en andere fossiele brandstoffen en heeft een vergelijkbare geologische oorsprong, ontstaan uit vergane resten organisch materiaal.

Ontstaan[bewerken]

Methaan ontstaat onder andere bij afbraak van organische stoffen door bacteriën onder anaerobe (zuurstofloze) omstandigheden. Anaerobe omstandigheden komen veelal in moerasbodems voor. Ook in zuurstofarme grond wordt onder andere door de afbraak van dode plantenwortels methaan gevormd. Ook bij bosbranden kan methaan ontstaan door verhitting van organische stof.

In de omgeving van rundveehouderijen is een verhoogde concentratie van methaan aanwezig, omdat het gas gevormd wordt door de bacteriën in de voormagen van runderen bij het verteren van het voedsel. Er zijn gevallen bekend waarbij stallen in brand vlogen door een verhoogde concentratie methaan.[2]

Uit anaerobe vergisting van biologische afvalstoffen wordt methaan gewonnen voor productie van groene stroom of warmtekrachtkoppeling.

In januari 2006 is een artikel gepubliceerd waaruit zou blijken dat planten mogelijk grote hoeveelheden methaan produceren.[3] Andere onderzoeken hebben echter geen methaanproductie door planten aan kunnen tonen.[4][5]

Chemie[bewerken]

Moleculaire structuur[bewerken]

Een methaanmolecule bestaat uit een centraal koolstofatoom met daarom vier waterstofatomen, gerangschikt volgens een symmetrische tetraëder. Deze symmetrie bepaalt in belangrijke mate de eigenschappen van methaan. Zo leidt de symmetrie er toe dat methaan strikt apolair is, waardoor het gasvormig en weinig reactief is onder standaard omstandigheden.

Deze symmetrie kan theoretische worden voorspeld met MO-theorie en is ook experimenteel aangetoond met onder andere röntgendiffractie en UV/VIS-spectroscopie. Deze ontdekkingen hebben geleid tot de vorming van het hybridisatiemodel. Het koolstofatoom in methaan is sp3-gehybridiseerd. Dientengevolge zijn de koolstof-waterstofbindingen in methaan zijn zeer sterk en verloopt bijvoorbeeld de deprotonering bijzonder moeizaam (de pKa van methaan ligt namelijk boven de 50).

Reacties[bewerken]

Methaan is net als alle alkanen weinig reactief. Eigenlijk reageert het alleen met sterke oxidatoren zoals zuurstof(verbranding) of de halogenen. Een andere belangrijke reactie is stoomreforming.

Verbrandingsreacties[bewerken]

De verbranding is als volgt:[6]

\mathrm{ CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O \qquad \Delta H^0 = - 891 \;kJ\cdot mol^{-1}}

Als er niet genoeg zuurstof is, dan zal de verbranding onvolledig zijn en ontstaan ook koolstofmonoxide (CO):

\mathrm{ 2\,CH_4 + 3\,O_2 \rightarrow 2\,CO + 4\,H_2O }

Of zelfs cokes:

\mathrm{CH_4 + O_2 \rightarrow C + 2\,H_2O }

Chloormethaanproductie[bewerken]

Chloormethanen worden gemaakt door radicalaire reactie met chloorgas:[7]

\mathrm{CH_4 + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + HCl} (chloormethaan)
\mathrm{CH_3Cl + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl_2 + HCl} (dichloormethaan)
\mathrm{CH_2Cl_2 + Cl_2 \rightarrow CHCl_3 + HCl} (chloroform)
\mathrm{CHCl_3 + Cl_2 \rightarrow CCl_4 + HCl} (tetrachloormethaan)

Stoomreforming[bewerken]

Methaan bevat de hoogste H/C verhouding van alle koolwaterstoffen en daarom wordt methaan vaak gebruikt om waterstof te produceren. Hierbij worden methaan (doorgaans aardgas) en stoom onder verhoogde druk en temperatuur over een metalen katalysator geleid:

\mathrm{CH_4 +2 H_2O\ \xrightarrow{katalysator}CO_2 + 4H_2}

Deze reactie wordt vooral toegepast in het Haber-Boschproces waarbij grote hoeveelheden waterstof nodig zijn voor de productie van ammoniak en bij vergassing van biomassa om synthese gas te produceren.

Synthese[bewerken]

Tegenwoordig wordt er geen methaan op industriële schaal geproduceerd Methaan kan worden gevormd uit gemakkelijk afbreekbare organische stoffen, zoals azijnzuur:

\mathrm{CH_3COOH\ \longrightarrow\ CH_4\ +\ CO_2}

Natriumacetaat kan ook samen met natriumhydroxide methaan vormen:

\mathrm{CH_3COONa\ +\ NaOH\ \longrightarrow\ CH_4\ +\ Na_2CO_3}

Methaan kan ook uit koolstofdioxide en waterstofgas gevormd worden volgens een langzaam verlopende reactie:

\mathrm{CO_2\ +\ 4\ H_2\ \longrightarrow\ CH_4\ +\ 2\ H_2O}

Methaanhydraat[bewerken]

Sedimenten op de oceaanbodems en in permafrostgebieden aan de onderzijde van de bevroren bodemlaag bevatten heel grote methaanvoorraden: methaan dat onder hoge druk een clathraat of insluitverbinding vormt met water (ijs), methaanhydraat of methaanijs, waarin methaan als gashydraat in vaste vorm aanwezig is. Soms ontsnapt een deel van dit methaan in gasvorm naar de oppervlakte. De methaanclathraten zouden, vanwege de grote omvang van de voorraden, potentieel een belangrijke energiebron kunnen vormen, maar de winning ervan op de bodem van de oceaan is met de huidige stand der techniek nog zeer moeilijk.

Schadelijkheid[bewerken]

Methaan is schadelijk voor het milieu, omdat het bijdraagt aan het broeikaseffect en de vorming van ozon. Het is als broeikasgas ongeveer 25 keer zo sterk als koolstofdioxide. Sinds 1750 is de hoeveelheid methaan in de lucht meer dan verdubbeld. De levensduur van methaan in de atmosfeer is om en nabij de tien jaar.

Er wordt gevreesd dat stijging van de temperatuur op aarde zal leiden tot het ontdooien van de permafrost. Dit zou kunnen leiden tot het vrijkomen van grote hoeveelheden methaan, en een verdere toename van het broeikaseffect.

Zie ook[bewerken]

Externe links[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties
  1. a b c Online catalogus van Sigma Aldrich, geraadpleegd op 5 juli 2011.
  2. Koeien doen eigen stal ontploffen, deredactie.be, 27 januari 2014
  3. F. Keppler:  Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions.  Nature  439  p. 187 - 191 
  4. T.A. Dueck:  No evidence for substantial aerobic methane emission by terrestrial plants: a 13C-labelling approach.  New Phytologist  175  p. 29 - 35 (juli 2007) 
  5. D.J. Beerling:  Missing methane emissions from leaves of terrestrial plants  Global Change Biology  14  p. 1821 - 1826 (aug. 2008) 
  6. Standardreaktionsenthalpie für die Verbrennung von Methan und diversen Erdölprodukten vgl. S. 3 ff. in: Herbert Mayr: Vorlesung 9: Erdölverarbeitung, LMU München: Physikalisch-organische Chemie, 2006 (PDF-Datei; ca. 190 kB)
  7. The reaction between methane and chlorine
Zoek dit woord op in WikiWoordenboek