Methan im Faktencheck - Welche Aussage stimmt? (WORD)

Was Sie zum Thema wissen müssen

Eigenschaften von Methan

Methan ist der einfachste Kohlenwasserstoff mit der Summenformel CH₄. Er gehört zur Stoff- klasse der Alkane. Die vier gemeinsamen Elektronenpaare, die die Bindungen zwischen dem Kohlenstoffatom und den vier Wasserstoffatomen bewirken, stoßen sich ab. Daher sind die Atome nicht in einer Ebene gelagert, sondern räumlich in Form eines Tetraeders ausgerichtet.

Da zwischen den Molekülen nur schwache Anziehungskräfte wirken, ist Methan bei Normbe- dingungen gasförmig und weist nur eine geringe Dichte von 0,718 g/l auf. Es hat eine geringere Dichte als Luft (1,293 g/l) und steigt demnach in der Atmosphäre auf. Dort wirkt es als Treib- hausgas mit einem Potenzial von 23, d. h., es wirkt 23-mal stärker als Kohlendioxid. Methan hat einen Anteil von 14 % an der weltweiten Gesamtemission von Treibhausgasen.

Methan ist brennbar. Es verbrennt mit blauer Flamme in einer stark exothermen Reaktion. Es hat einen hohen Heizwert.

Das farblose Gas bildet mit Luft explosionsfähige Gemische und gehört zu den hoch entzünd- lichen Stoffen. Explosionen von Methan-Luft-Gemischen in Bergwerken sind als sogenannte Schlagwetter gefürchtet. Auch kommt es immer wieder zu Explosionen durch unbemerkt aus- strömendes Erdgas in Privathaushalten. Daraus sind entsprechende Sicherheitsmaßnahmen im Umgang mit Methan abzuleiten.

Vorkommen und Entstehung von Methan

Methan entsteht oberlächlich bei der anaeroben Zersetzung von organischen Stoffen, z. B. in Faultürmen von Kläranlagen, im Magen von Rindern, in Sumpfgebieten oder in Reisfeldern.

Unter der Erdoberläche entsteht Methan bei der Bildung von Kohle und Erdöl mit hohen Temperaturen und Drücken. Frei wird es in Bergwerken als sogenanntes Grubengas oder bei vulkanischen Aktivitäten. Vulkanische Aktivitäten mit Methanfreisetzung indet man z. B. auf der Halbinsel Methana (Griechenland) und man vermutet, dass sie auf dem Meeresboden im Bermudadreieck eine mögliche Ursache für nicht geklärte Schiffsunglücke sind.

Tritt Methan am Meeresboden aus, wird es bei niedrigen Temperaturen und unter hohem Druck in Methanhydrat (Methaneis) umgewandelt. Dabei bauen Wassermoleküle sogenannte Käigstrukturen (Clathrate) mit eingeschlossenen Methanmolekülen auf. So sind über lange Zeiträume ganze Eispanzer am Meeresboden entstanden.

Bei geschätzten zwölf Trillionen Tonnen Methanhydrat ist auf den Meeresböden mehr als dop- pelt so viel Kohlenstoff gebunden wie in allen Erdöl-, Erdgas- und Kohlevorräten zusammen.

Optimisten sehen in dem brennbaren Methaneis daher schon die Energiequelle der Zukunft.

Eine Bergung des Methanhydrats könnte zur Lösung des Energieproblems beitragen. Im März 2013 ist es Japanern erstmals gelungen, Methangas aus Methanhydrat zu gewinnen. Dabei wurde mit einem Roboter-Bagger das poröse Gestein mit Methanhydrat im Nankaigraben in 1000 Meter Tiefe aufgebrochen. Das Methaneis wurde in einer Unterdruck-Kammer verlüssigt, sodass sich das enthaltene Wasser vom Methangas trennte. Letzteres wurde aufgefangen und nach oben zum Schiff gepumpt. Diese Methode gilt jedoch als unwirtschaftlich.

Immer noch herrscht eine große Unsicherheit, ob die Schätzungen an förderbarem Methan- hydrat der Realität entsprechen. Außerdem birgt der Abbau von Methanhydrat Risiken in sich.

Tritt nämlich Methan unkontrolliert in die Atmosphäre aus, wird der Treibhauseffekt verstärkt.

Das könnte den Wärmehaushalt der Weltmeere verändern, sodass das restliche Methanhydrat am Meeresboden instabil werden würde. Zudem verhindert das Methaneis das Abrutschen der Kontinentalhänge im Atlantik und Paziik, denn es wirkt in den Poren der abgelagerten Sedimente wie Zement. Wird das Methanhydrat abgebaut, könnten die Kontinente abrutschen.

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Verwendung von Methan

Methan hat den höchsten Heizwert aller Kohlenwasserstoffe. Es wird deshalb als Energieträ- ger genutzt. So werden 90 % des hergestellten Methans direkt als Heizgas eingesetzt. Methan dient auch als Energieträger für die Stromerzeugung und wird für spezielle Kraftfahrzeuge als Brennstoff verwendet. Gereinigtes Erdgas (besteht bis zu 90 % aus Methan) verbrennt im Ge- gensatz zu Kohle und Erdöl fast schwefelfrei. Das größte Plus von Erdgas ist die Reduzierung vom CO₂- und Partikel-Ausstoß. Für Vielfahrer und Autos mit hohem Verbrauch bieten erdgas- betriebene Autos, wie sie von vielen Automobilherstellern angeboten werden, wirtschaftliche Vorteile. In Deutschland gibt es ca. 900 Erdgastankstellen mit steigender Tendenz.

Biogas, das durch die bakterielle Zersetzung organischer Verbindungen entsteht, besteht über- wiegend aus Methan (bis zu 80 %) und Kohlenstoffdioxid (etwa 20 %). Daneben enthält es in geringen Mengen noch Wasserstoff, Stickstoff und Schwefelwasserstoff. Die Strom- und Wärmeerzeugung aus Biogas in Kraft-Wärme-Kopplung leistet einen wichtigen Beitrag zum Umweltschutz und verringert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Aufbereitetes Bio- gas kann direkt in das Erdgasnetz eingespeist werden und lässt auch Verbraucher versorgen, die in größerer Entfernung zur Biogasanlage liegen. Deutschland gehört neben Schweden, Österreich und der Schweiz im Bereich der Biogastechnologie zu den führenden Umwelttech- nologieanbietern.

Die Erzeugung von Biogas aus eigens dafür angebauten Planzen ist stark umstritten, da da- durch wertvolle Anbaulächen für Nahrungsplanzen verloren gehen. Der intensive Anbau von Mais in Monokulturen (z. B. in Niedersachsen) belastet Wasser und Boden und beeinträchtigt die Landschaft. Die Nutzung von Biogas aus Reststoffen gewährleistet nicht nur eine positive Ökobilanz, sondern schont auch die natürlichen Ressourcen, indem Abfallstoffe direkt verwertet und natürliche Kreisläufe genutzt werden.

Methan wird auch zur Verwendung als Speicher für Strom aus regenerativen Energiequellen diskutiert: Überschüssiger Strom wird zur Elektrolyse von Wasser verwendet. Der gewonnene Wasserstoff wird zusammen mit Kohlenstoffdioxid zur Synthese von Methan genutzt.

Vorschläge für Ihre Unterrichtsgestaltung

Voraussetzungen der Lerngruppe

Nach der Einführung in die organische Chemie sollten die Schülerinnen und Schüler* die ho- mologe Reihe der Alkane und damit die Struktur und Summenformel des Methans kennen.

Neben den fachlichen Kenntnissen sollte ihnen das selbstständige Arbeiten in kooperativen Lernformen bekannt sein. Auch sollten sie im Umgang mit Texten geübt sein.

* Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet.

Aufbau der Unterrichtseinheit

Der Einstieg in die Unterrichtseinheit erfolgt mit einem Rätsel (Farbfolie M 1). Die Schüler er- kennen, dass es sich um den Stoff Methan handelt. Im Anschluss daran erstellen sie mithilfe der Info-Texte M 4–M 8 einen Stoffsteckbrief M 3 zu Methan. Sollten die Schüler mit der Methode des Gruppenpuzzles gar nicht oder kaum vertraut sein, können Sie die Methode mithilfe des Materials M 2 (auf Folie kopiert) einführen.

In den Stunden 3–4 befassen sich die Schüler in einer arbeitsteiligen Gruppenarbeit mit einer von sieben Aussagen M 10–M 16 zu Methan, die sie mithilfe eines Info-Textes als richtig oder falsch bewerten. Dabei gehen Sie entsprechend der Anleitung M 9 vor. Nachdem die einzel- nen Aussagen vorgestellt sind und begründet wurde, warum diese richtig bzw. falsch sind, werden die Arbeitsblätter mit den Aussagen und die Begründungen auf Karteikarten im Raum aufgehängt, sodass eine kleine Galerie entsteht.

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Gelernte Inhalte werden eingeübt, indem die Schüler während eines „Gal-

lery Walks“ auf Arbeitsblatt M 17 mehrere Fragen zu Methan beantworten. Anschließend korrigieren sie das Ergebnis in Partnerarbeit mithilfe eines Lösungsblattes.

Differenzieren

Angebote zur Differenzierung

Die sieben Aussagen zu Methan sind unterschiedlich in ihrem Schwierigkeitsgrad. Leichtere Texte, deren fachliche Richtigkeit relativ einfach zu beurteilen ist, sind die Texte M 10–M 12.

Dagegen sind die Aussagen der Texte M 13–M 16 ohne Transferleistung nicht zu beantworten.

Differenziert werden kann auch, indem auf Arbeitsblatt M 17 jeweils nur die Fragen 1–4 a zu Methan beantwortet werden müssen. Schnellarbeitende Schüler können die Fragen 1–4 a und b beantworten.

Ideen für die weitere Arbeit

Im Anschluss an die Unterrichtseinheit kann die Lagerung, Entstehung und Verwendung von Erdöl als Gemisch aus Kohlenwasserstoffen besprochen werden.

Diese Kompetenzen trainieren Ihre Schüler

Die Schüler …

• nennen die wichtigsten Eigenschaften von Methan.

• erläutern die Entstehungsweise von Methan in der Natur.

• nennen die Bedeutung von Methan als Treibhausgas auf der Erde.

• beschreiben Methan als wichtigen regenerativen Energieträger.

• überprüfen Thesen und i nden Antworten durch Kooperation und Kommunikation im Team.

• dokumentieren und präsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit situationsge- recht und adressatenbezogen.

• planen, strukturieren, rel ektieren und präsentieren ihre Arbeit als Team.

• nutzen fachtypische und vernetzte Kenntnisse, um lebenspraktische bedeutsame Zusam- menhänge zu erschließen.

• nehmen naturwissenschaftliche Erkenntnisse und Ereignisse in der öffentlichen Diskussion wahr und bewerten sie.

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Welche Aussage stimmt? – Methan im Faktencheck

Ein Beitrag von Dorothe Egger, Denzlingen

Mit Illustrationen von Dr. Wolfgang Zettlmeier, Barbing, und Julia Lenzmann, Stuttgart

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erhilft das Methanhydrat am Meeres- boden den Japanern dazu, unabhän- gig vom Weltmarkt zu werden? Gibt es tatsächlich eine Insel, die nach diesem Stoff benannt wurde? Und muss ein australischer Farmbesitzer wirklich seine Farm aufgeben, weil seine Rinder das gefährliche Treibhausgas Methan in großen Mengen ausstoßen?

In dieser Einheit setzen sich Ihre Schüler mit sieben spannenden Aussagen zum Stoff Me- than auseinander und erstellen einen Steck- brief. Dabei lernen sie diesen vielseitigen Stoff intensiv kennen und können ihr Wissen im Alltag und in energiepolitischen Diskussionen anwenden.

Das Wichtigste auf einen Blick

Klasse: 9/10

Dauer: 3 Stunden (Minimalplan: 2) Kompetenzen: Die Schüler …

• nennen die wichtigsten Eigenschaften von Methan.

• erläutern die Entstehungsweise von Methan in der Natur.

• nennen die Bedeutung von Methan als Treibhausgas auf der Erde.

• beschreiben Methan als wichtigen regenerativen Energieträger.

Versuche:

• Wir stellen Biogas her (LV) Übungsmaterial:

• Wir erstellen einen Steckbrief zu Methan – ein Gruppenpuzzle:

     Eigenschaften

      Dichte und Wirkung in der Erdatmosphäre

     Verwendung

      Entstehung und Vorkommen

• 7 Aussagen zu Methan – Gruppenarbeit

• Teste dich selbst! – 4 Fragen zu Methan Gasherde werden oft mit Erdgas betrieben, dessen Hauptbestandteil Methan ist.

Mit einem V ersuch zur Biogasherst ellung!

Foto: Colourbox

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Die Einheit im Überblick

· V = Vorbereitung FO = Folie AB = Arbeitsblatt

· D = Durchführung LV = Lehrerversuch LEK = Lernerfolgskontrolle = Zusatzmaterial auf CD PP = PowerPoint-Präsentation

Stunde 1: Wir erstellen einen Steckbrief zu Methan M 1 (FO) Wer bin ich?

M 2 (AB) Wir erstellen einen Steckbrief zu Methan – Gruppenpuzzle M 3 (Vorlage) Methan unter der Lupe – ein Steckbrief

M 4 (Text) Methan – Summenformel, Aussehen und Geruch

M 5 (Text) Methan – Aggregatzustand, Brennbarkeit und Gefahrenhinweise M 6 (Text) Methan – seine Dichte und Wirkung in der Erdatmosphäre M 7 (Text) Methan – Verwendung

M 8 (Text) Methan – Entstehung und Vorkommen

Stunden 2–3: Richtig oder falsch? – 7 Aussagen zu Methan M 9 (AB) 7 Aussagen zu Methan – ein Gruppenpuzzle

M 10 (AB) Aussage 1: Methan – ein Gas mit hoher Energiedichte M 11 (AB) Aussage 2: Methan – ein Treibhausgas

M 12 (AB) Aussage 3: Methan – Entstehung und Vorkommen M 13 (AB) Aussage 4: Methan – Verwendung als Kraftstoff

M 14 (AB) Aussage 5: Methan – eine neue Energiequelle aus dem Meer M 15 (AB) Aussage 6: Methan – Verwendung als Biogas

M 16 (AB) Aussage 7: Methan – Vorkommen im Bermudadreieck (Karten) Bastelvorlage für Tischkarten

(PP) 7 Aussagen zu Methan M 17 (LV)

·  V: 30 min + 1 Woche

· D: 5 min

Wir stellen Biogas her       frischer Rinderdung oder

Teichschlamm

      1 Glasfl asche (3 Liter) mit durchbohrtem Gummistopfen       1 Wanne

      1 Glastrichter mit

durchbohrtem Gummistopfen       1 Pasteurpipette mit Schlauch

      1 gebogenes Glasrohr       1 Schlauch mit Glasstück       1 Schlauchklemme

      1 Stativ mit Universalklemme und Doppelmuffe

      1 Stück Eisenwolle als Rückschlag- sicherung

      1 Streichholz M 18 (LEK) Teste dich selbst! – 4 Fragen zu Methan

Minimalplan: Bei Zeitmangel können Sie den Schülern den ausgefüllten Steckbrief M 3 aus- teilen. Dieser wird dann in Einzelarbeit durchgelesen und dient als Grundlage zur Beurteilung

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M 1 Wer bin ich?

k/iStock

Selbst Eis brennt, falls ich darin gebunden vorkomme. Das sieht so aus:

Ich verbrenne mit blauer Flamme.

Ich bin ein Schatz im schlammigen Grund.

Ich bin eine der ersten organischen Verbindungen auf der Erde.

Ich entstehe in großen Mengen bei der Viehhaltung.

Auf dem Mond komme ich fest, lüssig und gasförmig vor.

Ich bin das erste organische Molekül in der homologen Reihe der Alkane.

In dieser Form habt ihr mich bestimmt schon mal gesehen:

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M 4

M 5

Methan – Summenformel, Aussehen und Geruch

Hast du um Urlaub oder bei Freunden schon einmal mit Gas gekocht? Oder habt ihr vielleicht selbst zu Hause einen Gasherd, dessen offene Flamme punktgenau eingestellt werden kann? Dann hattest du auf jeden Fall schon mal mit Methan zu tun. Methan ist nämlich der Hauptbestandteil von Erdgas, mit dem der Gasherd betrieben wird.

Entzündest du das farblose Gas, verbrennt es mit bläulicher Flamme. Methan brennt mit einer stark exothermen Reaktion. Das heißt, es wird viel Wärme frei. Methan hat einen hohen Heizwert.

Methan ist der erste Kohlenwasserstoff in der homologen Reihe der Alkane. Es hat die Sum- menformel CH₄. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas.

Methan ist geruchlos. Durch unbemerktes Ausströmen von Gas kommt es immer wieder zu Unfällen, denn Methan bildet mit Luft ein explosives Gemisch. Schon ein kleiner Funke z. B.

von einer elektrischen Stromquelle genügt, um das Gemisch zu zünden und zur Explosion zu bringen. Heutige Herde sind deshalb mit einer Sicherung ausgestattet, die ein ungewolltes Ausströmen von Gas verhindert. Außerdem wird das Gas mit einem Geruchsstoff versetzt.

Methan – Aggregatzustand, Brennbarkeit und Gefahrenhinweise

Methan wird in Flaschen verkauft, die unter hohem Druck stehen. So wird Methan verflüssigt. Bei Zimmertemperatur und Normaldruck ist Methan gasförmig.

Methan ist brennbar, unterhält aber im Gegensatz zu Sauerstoff die Verbrennung nicht. Das heißt, eine Kerze kann in reinem Methan nicht brennen und wir können in einem mit Methan gefüllten Raum nicht atmen.

In der Europäischen Union müssen für chemische Stoffe, die gefährlich sein können, Sicher- heitsdatenblätter erstellt werden. So wird der Käufer über bestimmte Eigenschaften informiert.

Hier ein Ausschnitt aus dem Sicherheitsdatenblatt für Methan:

x

Ein Mann kocht mit einem Gasherd.

Foto: Colourbox

Gefahrenhinweise – H-Sätze:

H220: Extrem entzündbares Gas.

H280: Enthält Gas unter Druck; kann bei Erwärmung explodieren.

Sicherheitshinweise – P-Sätze:

P210: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten.

Nicht rauchen.

P377: Brand von ausströmendem Gas:

Nicht löschen, bis Undichtigkeit gefahrlos beseitigt werden kann.

P381: Alle Zündquellen entfernen, wenn gefahrlos möglich.

P403: An einem gut belüfteten Ort auf- bewahren.

Sonstige Gefahren:

Erstickende Wirkung durch Sauerstoff- mangel bei extrem hohen Konzentratio- nen.

Chronische Toxizität: Keine Angaben für den Menschen verfügbar.

Es besteht die Gefahr der Bildung explo- sionsfähiger Gas-Luft-Gemische.

Chemische Formel: CH₄ Gefahrensymbole:

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M 15

Methan ist der Hauptbestandteil von Biogas. Biogas ist ein Gasgemisch und entsteht überall dort, wo organische Stoffe unter Luftabschluss von Bakterien zersetzt werden. Die Bakterien gewinnen aus Biogas die Energie, die sie zum Leben brauchen.

Biogas ist brennbar und kann zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt werden. Heute wird Biogas durch gezielte bakterielle Fäulnis von pfl anzlichem Material gewonnen.

Das pfl anzliche Material wird hierfür in einen Gärtank gegeben. Dort wird es unter Luftab- schluss von Methanbakterien zersetzt. Das entstandene Biogas wird in einem Tank gelagert und kann als Gas für die Heizung oder zur Erzeugung von Strom in Generatoren genutzt werden.

Die ersten Biogasanlagen wurden auf landwirtschaftlichen Betrieben gebaut. Im Bild unten siehst du so einen Betrieb. Seit einigen Jahren gibt es jedoch eigens Biogasanlagen zur Stromerzeugung.

Biogasnutzung in einem landwirtschaftlichen Betrieb

Biogas gehört zu den regenerativen Brennstoffen, d. h., es kann im Gegensatz zu den fossilen Brennstoffen immer wieder neu hergestellt werden. Die Nutzung von Biogas aus Reststoffen entspricht somit dem Cradle-to-Cradle-Konzept (Nutzung von Abfällen zur Produktion neuer Stoffe). Biogas enthält weniger Schwefelverbindungen als die fossilen Brennstoffe Kohle und

Methan – Verwendung als Biogas

Die erste Biogasanlage wurde mit Gülle betrieben.

Foto: Thinkstock/PhotoObjects

Bruno Müller, Landwirt

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M 17 Teste dich selbst! – 4 Fragen zu Methan

Was hast du alles über den vielseitigen Stoff Methan gelernt? Teste dein Wissen.

Aufgabe

Beantworte die folgenden vier Fragen zu Methan, indem du die Lösungen auf die vorgesehenen Zeilen schreibst.

k/iStock

a) Warum wird der Abbau von Methanhydrat kontrovers (gegensätzlich) diskutiert?

b) Was befürchten Wissenschaftler?

a) Warum steigt Methan in die höheren Schichten der Erdatmosphäre auf?

b) Kann es sein, dass Methan ein Schiff zum Sinken bringt?

a) Was musst du beim Umgang mit Erdgas beachten?

b) Kann ein Methan-Luft-Gemisch ein Flugzeug entzünden?

n: Thinkstock/iStock

a) Wie kannst du selbst kleine Mengen Methan herstellen?

b) Warum ist Biogas aus Reststoffen umweltschonend?

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So werten Sie den Lehrerversuch aus

Besprechen Sie mit den Schülern den Versuchsaufbau und lassen Sie sich erklären, auf wel- che Weise Methan entstanden ist: Im luftdicht abgeschlossenen Glasbehälter entsteht Methan durch den biologischen Abbau des Rinderdungs mithilfe von Bakterien, die sich im Rinderdung befinden.

Lehrerversuch – Wir stellen Biogas her Das benötigen Sie für den Lehrerversuch

· Vorbereitung: 30 min, 1 Woche Entstehungszeit · Durchführung: 5 min frischer Rinder-

dung oder Teich- schlamm

1 Glasflasche (3 Liter) mit durchbohrtem Gummistopfen 1 Wanne

1 Glastrichter mit durchbohrtem Stopfen 1 gebogenes Glasrohr 1 Schlauch mit Glas-

stück

1 Schlauchklemme 1 Pasteurpipette mit

Schlauch

1 Stativ mit Universalklemme und Doppelmuffe 1 Stück Eisenwolle

als Rückschlag- sicherung 1 Streichholz

So führen Sie den Lehrerversuch durch

1. Verrühren Sie den Rinderdung mit Wasser zu einem dünnen Brei.

2. Befüllen Sie den Glasbehälter zu zwei Dritteln mit dem Brei.

3. Bauen Sie den Versuch gemäß der Versuchsskizze zusammen, schließen Sie die Schlauch- klemme und stellen Sie die Versuchsanordnung an einen warmen Ort. Sie können die Reaktion auch beschleunigen, indem Sie den Brei auf einer Herdplatte auf niedriger Stufe erwärmen.

Vergessen Sie die Rückschlagsicherung im Glasröhrchen nicht!

4. Nach drei bis vier Tagen setzt die Gasbildung ein. Es empfiehlt sich aber, eine Woche zu warten, damit genug Gas entstanden ist, um mit blauer Flamme zu verbrennen.

5. Entleeren Sie nach einer Woche den Trichter durch Öffnen der Schlauchklemme. Auf diese Weise können explosive Gasgemische entweichen. Schließen Sie die Schlauchklemme wieder und warten Sie, bis sich der Trichter erneut gefüllt hat.

Versuchsskizze

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