kunstbus

Ben jij de slimste mens? Test je kennisniveau op YaGooBle.com.
Dit artikel is 27 09 2017 17:26 voor het laatst bewerkt.

methaan

Methaan (CH4) is de 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 en biogas. 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 (dode planten en dieren).

Ontstaan
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.

Sinds de achttiende eeuw is de hoeveelheid methaan in de atmosfeer met ongeveer 150 procent toegenomen.

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

Een andere belangrijke bron van het stijgende methaan gehalte is de rijstteelt. Methaan producerende bacteriën bevinden zich in de ondergelopen bodems van de rijstvelden. Ook komt methaan vrij bij de productie en het verbranden van fossiele brandstoffen (kolen, olie, gas) en afvalverwerking. Een nieuwe bron van CH4 is het zogenaamde kraken, dat wordt gebruikt om schaliegas te onttrekken uit de bodem.

Sinds een paar jaar wordt methaan gemeten door de Europese milieusatelliet Envisat. De satelliet is uitgerust met verschillende meetinstrumenten waaronder Sciamachy, dat door Nederland, Duitsland en België is gemaakt. De satellietmetingen laten grote hoeveelheden methaan zien boven tropische regenwouden. Die metingen tonen aan dat ook bomen en planten methaan uitstoten.

Al decennialang houdt een netwerk van meetstations de voortdurende toename van methaan door menselijke activiteiten in de gaten. Uit deze metingen blijkt dat de hoeveelheid methaan de laatste twintig jaar steeds minder snel toeneemt. Dit kan komen door de grootschalige ontbossing. Minder bos betekent minder methaanuitstoot. Door ontbossing neemt methaan minder snel toe. Toch blijft het aanplanten van bossen zinvol als een middel ter bestrijding van het broeikaseffect. Bossen nemen het broeikasgas kooldioxide op en zorgen dus voor minder kooldioxide in de atmosfeer. Dat effect is veel groter dan dat van het weinige methaan dat bomen uitstoten.

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

Moleculaire structuur
Een methaanmolecule bestaat uit een centraal koolstofatoom met daarom vier waterstofatomen, gerangschikt volgens een symmetrische tetraëder. Deze symmetrie leidt er onder andere toe dat methaan strikt apolair is, waardoor het gasvormig en weinig reactief is onder standaard omstandigheden.

Deze symmetrie kan theoretisch 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 zeer sterk en verloopt bijvoorbeeld de deprotonering bijzonder moeizaam (de pKa van methaan ligt namelijk boven de 50).

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

Verbrandingsreacties: CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
Als er niet genoeg zuurstof is, zal de verbranding onvolledig zijn en ontstaat ook koolstofmonoxide (CO): '2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2' of cokes: CH4 + O2 -> C + 2H2O.

Stoomreforming
Een andere belangrijke reactie is stoomreforming. Stoomreforming (kortweg reforming genoemd) is een chemisch proces waarbij een koolwaterstof in aanwezigheid van stoom en/of zuurstofgas en eventueel een katalysator wordt omgezet in een waterstofrijk gasmengsel, ook wel reformaat genoemd. Methaan bevat de hoogste H/C verhouding van alle koolwaterstoffen, en daarom wordt methaan vaak gebruikt om waterstof te produceren. De meeste toegepaste reformeringstechniek, tevens de meest toegepaste methode om waterstofgas te maken, is stoomreforming van aardgas. Hierbij wordt aardgas samengevoegd met stoom bij een temperatuur van 850°C en een druk van 25 bar temperatuur over een metalen katalysator geleid: CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2. Feitelijk vindt de reactie plaats in twee stappen, die beide evenwichtsreacties zijn
: CH4 + H2O <-> H2O en CO + H2O <-> CO2 + H2. Deze laatste is de zogenaamde water-gas-shift-reactie. Het waterstofrijke gasmengsel dat ontstaat bevat naast koolstofdioxide ook koolstofmonoxide dat bij toepassing in lagetemperatuurbrandstofcellen nadelig is voor de levensduur van de anodekatalysator. Door enkele extra chemische processtappen (water-gas-shift-reactie) wordt het koolstofmonoxide verwijderd. 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 synthesegas te produceren.

Methaanhydraat
Sedimenten op de oceaanbodems en in permafrostgebieden aan de onderzijde van de bevroren bodemlaag bevatten heel grote methaanvoorraden: methaan dat onder hoge druk een clatraat 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 methaanclatraten 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
Methaan is schadelijk voor het milieu, omdat het bijdraagt aan het versterkte broeikaseffect. Het gaat als broeikasgas door voor ongeveer 25 keer zo sterk als koolstofdioxide (CO2). Sinds 1750 is de hoeveelheid methaan in de lucht meer dan verdubbeld. De levensduur van methaan in de atmosfeer is gemiddeld 12.4 jaar. Maar volgens onderzoekster Célia Sapart, onder meer verbonden aan de Universiteit Utrecht, moeten we hier ons niet blind op staren: want er zit een maximum aan de hoeveelheid methaan die de atmosfeer aankan. Als we boven dit maximum komen blijft het gas hangen. 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.

Terwijl CO2 eeuwen of zelfs millennia in de atmosfeer blijft bestaan, verwarmt methaan de planeet voor ongeveer 12.4 jaar voordat het wordt omgezet in CO2. In die eerste twee decennia zorgt methaan volgens de GWP20 voor een ten opzichte van CO2 86 maal snellere opwarming van de planeet waarmee het door hittestress zoveel extra schade toebrengt aan het plantenleven dat de 100-jarige CO2-equivalent schade waartegenover broeikasgassen worden afgezet voor methaan vijf maal hoger zou uitpakken dan het nu gangbare 100-jarige global warming potential (GWP100) van methaan van 34. - ( https://www.scientificamerican.com/article/how-bad-of-a-greenhouse-gas-is-methane/ )

Nu werkt methaan als broeikasgas op de zelfde infrarood-frequentie als water, er wordt dus ook wel beweerd dat methaan er als broeikasgas eigenlijk niet veel toe doet totdat het wordt afgebroken tot CO2. Wie zal het zeggen?


Test je competentie op YaGooBle.com.

Pageviews vandaag: 57.