Quelltext der Seite Methan

{{Infobox Chemikalie
| Strukturformel      = [[Datei:Methane.Structural formula.V1.svg|100px|Strukturformel von Methan]]
| Strukturhinweis     = 
| Suchfunktion        = CH4
| Andere Namen        = * Methylwasserstoff
* Carban
* [[Kältemittel|R-50]]
| Summenformel        = CH<sub>4</sub>
| CAS                 = {{CASRN|74-82-8}}
| EG-Nummer           = 200-812-7
| ECHA-ID             = 100.000.739
| PubChem             = 297
| ChemSpider          = 
| DrugBank            = DB15994
| Beschreibung        = farb- und geruchsloses Gas<ref name="GESTIS" />
| Molare Masse        = 16,04 g·mol<sup>−1</sup>
| Aggregat            = gasförmig
| Dichte              = 0,72&nbsp;kg·m<sup>−3</sup> gasförmig, 0&nbsp;°C, 1013&nbsp;hPa 422,6&nbsp;kg·m<sup>−3</sup> flüssig am Siedepunkt<ref name="GESTIS" />
| Schmelzpunkt        = −182 [[Grad Celsius|°C]]<ref name="GESTIS" />
| Siedepunkt          = −162&nbsp;°C<ref name="GESTIS" />
| Dampfdruck          = 
| pKs                 = 48<ref name="EvansDA" />
| Löslichkeit         = wenig löslich in Wasser (36,7 ml·l<sup>−1</sup>)<ref name="GESTIS" /> gut löslich in [[Ethanol]] und [[Diethylether]]<ref name="Merck-Index 12th Ed" />
| Dipolmoment         = 0<ref name="CRC90_6_188" />
| Brechungsindex      = 1,000444 (0&nbsp;°C, 101,325&nbsp;kPa)<ref name="CRC90_10_254" />
| CLH                 = {{CLH-ECHA|ID=100.000.739|Name=Methane|Abruf=2016-02-01}}
| Quelle GHS-Kz       = <ref name="GESTIS" />
| GHS-Piktogramme     = {{GHS-Piktogramme|02|04}}
| GHS-Signalwort      = Gefahr
| H                   = {{H-Sätze|220|280}}
| EUH                 = {{EUH-Sätze|-}}
| P                   = {{P-Sätze|210|377|381|403}}
| Quelle P            = <ref name="GESTIS" />
| MAK                 = Schweiz: 10000&nbsp;ml·m<sup>−3</sup> oder 6700&nbsp;mg·m<sup>−3</sup><ref name="Suva" />
| GWP                 = 28 (bezogen auf 100 Jahre)<ref name="IPCC" />
| Standardbildungsenthalpie = −74,6 kJ·mol<sup>−1</sup> (Gas)<ref name="CRC97_5-26" />
}}

'''Methan''' ist eine [[chemische Verbindung]] aus [[Kohlenstoff]] und [[Wasserstoff]] mit der [[Summenformel]] CH<sub>4</sub> und der einfachste Vertreter der [[Stoffgruppe]] der [[Alkane]]. Unter [[Normalbedingungen]] ist es ein farb- und geruchloses, brennbares [[Gas]]. Methan ist in Wasser kaum löslich und bildet mit [[Luft]] explosive Gemische. Es [[Verbrennung (Chemie)|verbrennt]] mit bläulich-heller Flamme in Gegenwart von ausreichend [[Sauerstoff]] zu [[Kohlenstoffdioxid]] und [[Wasser]].

Es kommt in der Natur unter anderem als Hauptbestandteil von [[Erdgas]] vor. Da es in Lagerstätten in großen Mengen existiert, ist es eine attraktive [[Energiequelle]]. Der Transport erfolgt durch [[Pipeline]]s oder als tiefgekühlte Flüssigkeit ([[Flüssigerdgas|LNG]]) mittels [[Tankschiff]]en. Des Weiteren kommt es als [[Methanhydrat]] gebunden am [[Ozeanboden|Meeresboden]] und in [[Permafrostboden|Permafrostgebieten]] vor, wobei die genaue Menge unbekannt ist. Methan dient als [[Heizgas]] und ist in der [[Chemische Industrie|chemischen Industrie]] als [[Edukt|Ausgangsstoff]] für technische Synthesen wie etwa der [[Methanolherstellung#Dampfreformierung von Erdgas|Methanolherstellung]] oder der Herstellung von halogenierten Methanderivaten von großer Bedeutung. Es wird weiterhin zur Herstellung von [[Wasserstoff]] im großindustriellen Maßstab verwendet.

Das Gas entsteht in beträchtlichen Mengen durch biotische Prozesse, entweder [[Anaerobie|anaerob]] durch [[Mikroorganismus|Mikroorganismen]] oder [[Aerobie|aerob]] durch [[Phytoplankton]], Pflanzen und Pilze. [[Anthropogen]]e Quellen sind indirekt etwa der [[Reis#Reisanbau|Reisanbau]] und die [[Hausschaf|Schaf]]- und [[Hausrind|Rinderzucht]]. [[Abiotisch]]e Quellen wie Waldbrände oder Vulkanausbrüche setzen ebenfalls Methan frei.

Methan ist der meist vertretene Kohlenwasserstoff in der irdischen Atmosphäre, wobei die Konzentration sowohl zwischen der Nord- und Südhalbkugel als auch jahreszeitlich schwankt. Als [[Treibhausgas]] besitzt Methan ein hohes [[Treibhauspotential]]. Es trug zur [[Klimageschichte|klimageschichtlichen Erderwärmung]] bei und beeinflusst die aktuelle [[globale Erwärmung]]. In der [[Erdatmosphäre]] wird es zu [[Methanol]], [[Formaldehyd]], [[Ameisensäure]] und schließlich zu [[Kohlenstoffdioxid]] oxidiert, wobei auch Wasser gebildet wird. Methan ist Bestandteil der Atmosphäre anderer Planeten und Monde und wurde sowohl in [[Komet]]en als auch im [[Interstellares Medium|interstellaren Medium]] nachgewiesen.

== Etymologie ==
Der Name ''Methan'' leitet sich von ''Méthylène'' her. Dies war der Name, den die französischen Chemiker [[Jean-Baptiste Dumas]] und [[Eugène-Melchior Péligot]] 1834 der Flüssigkeit, die heute als [[Methanol]] bezeichnet wird, gaben; er setzt sich seinerseits aus [[Altgriechische Sprache|altgriechisch]] {{lang|grc|μέθυ}} (''méthy'') für „Wein, berauschendes Getränk“ und {{lang|grc|ὕλη}} (''hýlē'') für „Holz“ zusammen.<ref name="OlahGA" /> Der deutsche Chemiker [[August Wilhelm von Hofmann]] schlug 1866 in einer englischen Veröffentlichung erstmals eine systematische [[Nomenklatur (Chemie)|Nomenklatur]] vor, wonach der Name für das Gas sich von ''Methylene'' ableitete und ''Methane'' genannt werden sollte.<ref name="HofmannAWv" /> Daraus entstand die deutsche Form ''Methan''. In alten Texten wurde Methan gelegentlich als ''Methylwasserstoff'' bezeichnet.

== Geschichte ==
=== Altertum und Spätmittelalter ===
[[Datei:Columns of the Temple of Apollo at Delphi, Greece.jpeg|mini|Ruine des Apollon-Tempels in Delphi]]
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.<ref name="EtiopeG" /> Diese Feuer treten oft in erdölführenden Gebieten mit tektonischen Verwerfungen auf, etwa in [[Chimaira (Lykien)]]. Bereits seit 2000 v. Chr. sind diese Feuer bekannt. Bei dem ewigen Feuer in [[Baba Gurgur]] im [[Irak]] handelt es sich möglicherweise um den [[Daniel#Dan 3: Der Feuerofen|Feuerofen]], der bereits in der Bibel im [[Daniel|Buch Daniel]] beschrieben ist und in den König [[Nabū-kudurrī-uṣur II.|Nebukadnezar]] Daniels Begleiter Shadrach, Meshach und Abednego warf, weil sie sich weigerten, eine goldene Statue anzubeten {{Bibel|Dan|3|23}}.<ref name="GalettiM" /> Das [[Orakel von Delphi]] befand sich im [[Apollon]]-Tempel, der um etwa 1000 v. Chr. über einer ewigen Flamme errichtet wurde. Möglicherweise erfolgten die Wahrsagungen der [[Pythia]] unter Einfluss der Inhalation von narkotisch wirkenden Gasen wie Methan, Ethan und Ethen, als [[Pneuma]] bezeichnet, die in Spuren in einer dort vorhandenen Quelle nachgewiesen wurden.<ref name="SpillerHA" />

Methan als Bestandteil des Erdgases wurde bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. in China energetisch zum Eindampfen von [[Salzsole]] 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.<ref name="WrightDC" /> Die Natur des Gases war damals unbekannt, aber es war den [[Alchemie|Alchemisten]] im [[Mittelalter]] bekannt als Bestandteil von [[Fäulnisgas]]en, auch als „Sumpfluft“ bezeichnet. Das Auftreten von [[Schlagwetter]]n, einem [[Gasgemisch]] aus Methan und [[Luft]], war im [[Untertagebau]] schon früh als Gefahr bekannt, da eine Zündquelle eine [[Schlagwetterexplosion]] auslösen konnte.

=== 17. bis 19. Jahrhundert ===
[[Datei:Alessandro Volta.jpeg|mini|links|Alessandro Volta]]
Im Februar 1659 untersuchte der Engländer Thomas Shirley bei [[Wigan]] 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 es [[Grubengas]] war.<ref name="ShirleyT" />
[[Datei:Pistola elettrica di Volta inv.1244 IF 20728.jpg|links|mini|Volta-Pistole]]
Der Priester [[Carlo Giuseppe Campi]] wies im Herbst 1776 [[Alessandro Volta]] auf das Phänomen der „entflammbaren Luft“ hin, die an einer Biegung des Flusses Lambro aufstieg. Dieses Phänomen war bereits einige Jahre zuvor von [[Antoine Laurent de Lavoisier]], [[Benjamin Franklin]] und [[Joseph Priestley]] untersucht und beschrieben worden. Volta versuchte in den Sümpfen des [[Lago 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 entwickelten [[Eudiometer]]s quantitativ untersuchte.

Volta entwickelte auch die sogenannte [[Volta-Pistole]], ein Eudiometer, in dem eine Luft-Methan-Mischung gezündet werden konnte. Er schlug 1777 vor, die Volta-Pistole als eine Art [[Fernschreiber]] zu nutzen. Über eine Drahtleitung zwischen [[Mailand]] und [[Como]] sollte ein elektrischer Impuls ein Luft-Methan-Gemisch in Volta-Pistolen zur Explosion bringen, wobei eine Reihe solcher Entladungen einen [[Alphanumerische Zeichen|alphanumerischen Code]] zur Informationsübertragung darstellen würde.<ref name="SethiAK" /> Seine Untersuchungen beschrieb Volta in als Buch herausgegebenen Briefen an Carlo Campi.<ref name="VoltaA" />

Um 1800 begannen Versuche zur Verwendung von [[Stadtgas]], einer Mischung aus Methan, [[Kohlenstoffmonoxid]], [[Wasserstoff]] und [[Stickstoff]], für die Straßenbeleuchtung. [[William Henry (Chemiker)|William Henry]] untersuchte zu dieser Zeit die Eigenschaften von Mischungen brennbarer Gase, etwa ihre Löslichkeit in Flüssigkeiten in Abhängigkeit vom [[Partialdruck]]. Diese Arbeiten führten zur Formulierung des [[Henry-Gesetz]]es. Er bestimmte die relative Leuchtkraft von Gasen und die Unterschiede ihrer Zusammensetzung. Seine Ergebnisse bestätigten die Vermutung [[John Dalton]]s über die Zusammensetzung von Methan und Ethen und, dass Kohlenstoff und Wasserstoff nur in bestimmten Verhältnissen miteinander verbunden sind.<ref name="WisniakJ" />
[[Datei:Felling MIne.jpg|mini|Felling Mine im späten 19. Jahrhundert]]
Nach dem Grubenunglück von [[Felling (Tyne and Wear)]] im Jahr 1812, einem der größten [[Grubenunglück]]e der damaligen Zeit, stellte [[Humphry Davy]] fest, dass das gefürchtete Grubengas hauptsächlich aus Methan bestand. Der Verlust von 92&nbsp;Menschenleben war eine der Triebfedern für die Entwicklung der [[Grubenlampe#Davy-Lampe mit Flammsieb|Davy-Lampe mit Flammsieb]].<ref name="MortonC" />

Um 1821 fand William Hart, der als „Vater des Erdgases“ gilt, in [[Fredonia (New York)|Fredonia]] die erste Erdgasquelle in den Vereinigten Staaten.<ref name="FaramawyS" /> Das Gas wurde lokal für Beleuchtungszwecke genutzt. Hart gründete 1858 die erste US-amerikanische Erdgasgesellschaft, die Fredonia Gas Light Company.

=== 20. Jahrhundert ===
Mit Beginn der Erdölförderung wurde Methan als Hauptbestandteil des gleichzeitig geförderten Erdgases meist am Bohrlochkopf [[Abfackelung|abgefackelt]]. Eine der ersten großen Pipelines wurde im Jahr 1891 gebaut. Sie war 193&nbsp;Kilometer lang und verband Erdgasbohrungen in Indiana mit [[Chicago]]. 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 dem [[Zweiter Weltkrieg|Zweiten 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.<ref name="naturalgas" /> Mit steigendem [[Weltenergiebedarf|globalem Energiebedarf]] wurde Methan ein stetig wachsender Faktor der Weltprimärenergieproduktion. Zwischen 1980 und 1990 stieg der Anteil von etwa 18 auf etwa 22 %.<ref name="CrabtreeRH" />

== Vorkommen ==
=== Irdisch ===
[[Datei:Global Tropospheric Methane for August 2005-de.jpg|mini|[[Erdatmosphäre|Atmosphärische]] Methanverteilung im August 2005, gemessen mit dem Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) an Bord des [[Aqua (Satellit)|Aqua-Satelliten]]<ref name="XiongX" />]]
Methan war neben [[Ammoniak]] und [[Wasserdampf]] ein Hauptbestandteil der [[Uratmosphäre|irdischen Uratmosphäre]]. Es kommt vielfältig vor und wird auf der [[Erde]] ständig neu gebildet, etwa bei technischen, [[Biologie|biologischen]] oder [[Geologie|geologischen]] Prozessen wie der [[Serpentinisierung]].<ref name=" ProskurowskiG" /><ref name="MartinW" /> Die Methankonzentration in der Erdatmosphäre hat sich vom Jahr 1750 bis zum Jahr 2021 von 0,73 auf 1,896&nbsp;[[parts per million|ppm]] mehr als verdoppelt und damit den höchsten Wert seit 800.000&nbsp;Jahren erreicht.<ref name="XieB" /><ref name="Spiegel1" /> Seit dem Ausfall des [[Envisat]]-Satelliten liefern der japanische [[Greenhouse Gases Observing Satellite]] (GOSAT) sowie das Tropomi-Spektrometer des [[Sentinel-5P]]-Satelliten Daten der globalen Verteilung der Methankonzentration in der Atmosphäre. Im Jahr 2023 ist der Beginn einer weiteren [[Sentinel (Satellit)|Sentinel]]-Mission zur Beobachtung der Atmosphärenzusammensetzung geplant.

[[Datei:Anaerobic food chain.svg|mini|Übersicht über die [[Anaerobie|anaerobe]] Verwertung von [[Polymer|polymeren]] [[Substrat (Biochemie)|Substraten]] und [[Lipide]]n]]
[[Mikroorganismus|Mikroorganismen]] bilden einen großen Teil des terrestrischen Methans. Beim [[Fäulnis|Faulen]] [[Organische Chemie|organischer Stoffe]] unter Luftabschluss in Sümpfen oder im [[Sedimentation|Sediment]] auf dem Grund von Gewässern bildet sich [[Faulgas|Sumpfgas]], ein Gemisch aus Methan und [[Kohlenstoffdioxid]]. [[Biogas]] enthält etwa 60 % Methan und etwa 35 % Kohlenstoffdioxid, neben geringeren Mengen [[Wasserstoff]], [[Stickstoff]] und [[Schwefelwasserstoff]].

Die Bildung erfolgt oberflächennah [[biotisch]]: einerseits [[anaerob]] im Zuge der [[Methanogenese]] vor allem aus [[Acetat]], aber auch unter anderem aus Kohlenstoffdioxid, durch eine Gruppe von [[Archaeen]], den [[Methanbildner|Methanogenen]]. Sie nutzen einfache Verbindungen wie Kohlenstoffdioxid oder [[Methanol]] 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 CO<sub>2</sub> und Wasserstoff (H<sub>2</sub>) unter Standardbedingungen bei einem pH-Wert von sieben etwa 131&nbsp;kJ/mol an [[Gibbs-Energie|Freier Enthalpie]] (Gibbs-Energie, ΔG<sup>0’</sup>) freigesetzt:<ref name="DeppenmeierU" />

:<math>\mathrm{CO_2 + 4\ H_2 \rightarrow CH_4 + 2\ H_2O}</math>

Ein kleiner Teil der biotischen Entstehung basiert auf der [[Aerobie|aeroben]] Spaltung von [[Phosphonate|Methylphosphonaten]].<ref name="KarlDM" /><ref name="KamatSS" />

Unterhalb der Oberfläche der Erde entsteht Methan im tieferen Untergrund bei hohen Temperaturen und Drücken und wird meist bei [[Vulkan|vulkanischen Aktivitäten]] frei. Als Bestandteil des [[Erdgas]]es schwankt seine Konzentration je nach Lagerstätte zwischen 35 und 98 %. Andere Erdgasbestandteile können höhere Kohlenwasserstoffe, besonders [[Ethan]] sein, sowie Kohlenstoffdioxid und Stickstoff. Das meist zusammen mit [[Erdöl]] auftretende „Naßgas“ enthält Kohlenwasserstoffe wie Pentan, Hexan, Heptan und noch höhere Kohlenwasserstoffe, während „trockenes“ Erdgas Methan als Hauptbestandteil enthält. Das in [[Steinkohle]]lagern eingeschlossene [[Grubengas]] enthält hauptsächlich Methan.<ref name="KisselFN" />

Es kann [[abiotisch]] thermal im Rahmen des Reifeprozesses von Kohle in der [[Geochemie|geochemische]] Phase der [[Inkohlung]] sowie aus allen Typen von [[Kerogen]]en und Erdöl entstehen.<ref name="HuntMJ" /> 2008 wurde nachgewiesen, dass Methan aus den [[Lost City (Hydrothermalfeld)|Lost-City-Hydrothermalquellen]] geochemischen Ursprungs ist.<ref name="ProskurowskiG" />

Methan, das am Meeresgrund austritt, reagiert unter hohem Druck und niedriger Temperatur mit Wasser zu festem [[Methanhydrat]], das auch als „Methaneis“ bezeichnet wird. Der Kohlenstoffgehalt der weltweiten Methanhydratvorkommen wurde Ende der 1980er Jahre etwa 11.000 [[Tonne (Einheit)#Dezimale Vielfache|Gigatonnen]] geschätzt, der Kohlenstoffgehalt der nachgewiesenen Erdgas, Kohle- und Ölreserven beträgt etwa 5000 Gigatonnen.<ref name="KvenvoldenKA" /> Neuere Schätzungen gehen von wesentlich geringeren Vorkommen aus, wobei die Vorkommen auf etwa 1800 Gigatonnen Kohlenstoff geschätzt werden.<ref name="RuppelCD" /><ref name="BuffetB" /><ref name="MilkovAV" />

=== Außerirdisch ===
{| class="wikitable float-right" style="text-align:center"
|+ Methananteil in Planeten-Atmosphären
|-
! [[Planet]] !! Anteil
|-
| [[Erde]] || 1,89 ppm
|-
| [[Mars (Planet)|Mars]] || 0,0105 ppm
|-
| [[Jupiter (Planet)|Jupiter]]<ref name="GuzmanA" /> || 2000 ppm
|-
| [[Saturn (Planet)|Saturn]] || 4500 ± 2000 ppm
|-
| [[Uranus (Planet)|Uranus]]<ref name="SromovskyLA" /> || 20–40.000 ppm
|-
| [[Neptun (Planet)|Neptun]] || 15.000 ± 5000 ppm
|}
Die Atmosphären der Planeten [[Mars (Planet)|Mars]], [[Jupiter (Planet)|Jupiter]], [[Saturn (Planet)|Saturn]], [[Uranus (Planet)|Uranus]], [[Neptun (Planet)|Neptun]] und des Zwergplaneten [[Pluto]] enthalten ebenfalls Methan, ebenso die Atmosphären von Monden wie [[Titan (Mond)|Titan]] oder [[Enceladus (Mond)|Enceladus]].<ref name="WaiteJH" /> 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.<ref name="LunineJI" />

Außerhalb unseres Sonnensystems ist Methan als erstes organisches Molekül auf dem [[Exoplanet]]en [[HD 189733 b]] vom Typ ''[[Hot Jupiter]]'' nachgewiesen worden.<ref name="Nasa" /> Die Absorptionsspektren von kühlen [[Brauner Zwerg|Braunen Zwergen]], die als Methan-[[Spektralklasse#Einteilung|T-Zwerge]] bezeichnet werden, werden von Methan und Wasser dominiert. Daneben gibt es heißere, sogenannte [[L-Zwerge]], die ebenfalls Methanabsorptionsmerkmale aufweisen, die jedoch schwächer sind als die der T-Zwerge.<ref name="LeggettSK" />

==== Mars ====
2009 wurde über Methaneruptionen auf dem [[Mars (Planet)|Mars]] berichtet; in der [[Atmosphäre (Astronomie)|Atmosphäre]] des Mars wurde Methan nachgewiesen, etwa 10,5&nbsp;[[parts per billion|ppb]].<ref name="MummaMJ" /> 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 für [[Leben auf dem Mars]] sein könnte.<ref name="ChangK" /> 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 verursachte [[Treibhauseffekt]] könnte eine Erklärung für das [[Paradoxon 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.<ref name="WordsworthR" />

==== Titan ====
[[Datei:Mercator region by huygens.jpg|mini|hochkant=1|[[Mercator-Projektion|Mercatorprojektion]] des [[Saturnmond]]s [[Titan (Mond)|Titan]], aufgenommen vom [[Cassini-Huygens|Huygens-Lander]] in 10&nbsp;Kilometern Höhe. Im oberen, mittleren Bereich sind Strukturen zu sehen, die eventuell von Methanflüssen stammen (14. Januar 2005).]]
{{Siehe auch|Methanseen auf Titan}}
Auf dem Saturnmond [[Titan (Mond)|Titan]] herrscht bei −180&nbsp;°C und etwa 1,6&nbsp;Bar Atmosphärendruck fast der [[Tripelpunkt]] 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 der [[Vid Flumina]], in Methanseen fließt, dort wieder verdunstet und so einen geschlossenen Methankreislauf bildet, analog zum [[Wasserkreislauf]] auf der Erde. Flüssiges Methan ist für [[Radar]]strahlen durchsichtig, so konnte die Raumsonde Cassini die Tiefe des Sees [[Ligeia Mare]] zu 170&nbsp;m bestimmen.<ref name="Nasa2" />

Wahrscheinlich gibt es auf diesen Seen Eisberge aus Methan und Ethan. Diese schwimmen auf den Methanseen, wenn sie mindestens 5 % gasförmigen [[Stickstoff]] 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.<ref name="RichterRM" /><ref name="Nasa3" /> Für den [[Ontario Lacus]], einen See nahe dem Südpol des Titan, wurde als Hauptbestandteil [[Ethan]] nachgewiesen.

==== Enceladus ====
[[Enceladus (Mond)|Enceladus]] stößt [[Eruptionssäule]]n von salzhaltigem Wasser aus, das mit Ammoniak und Spuren von Methan und höheren Kohlenwasserstoffen versetzt ist. Dies wird als Resultat hydrothermaler Aktivität in einem Ozean aus flüssigen Wasser unter der Oberfläche des Mondes gedeutet. Dort könnten ähnliche chemischen Reaktionen ablaufen, die das Leben in der Nähe von Hydrothermalquellen in der Tiefsee auf der Erde ermöglichen.<ref name="AffholderA" /> Molekularer Wasserstoff, der von methanogenen Mikroben verstoffwechselt werden kann, ist ebenfalls vorhanden.<ref name="WaiteJH1" /> Daher wurden mehrere Missionen vorgeschlagen, um Enceladus weiter zu erforschen und seine Bewohnbarkeit zu beurteilen.

== Gewinnung und Darstellung ==
=== Gewinnung als Erdgas ===
{{Hauptartikel|Erdgas}}
[[Datei:First gas from the Oselvar module on the Ula platform on April 14th, 2012.jpg|mini|Hochfackel auf der Ula-Plattform beim Verbrennen von Methan]]
Neben Methan kann Erdgas andere Gase wie Ethan, höhere Kohlenwasserstoffe, Sauergase wie [[Schwefelwasserstoff]] und Kohlenstoffdioxid sowie Inertgase wie Stickstoff, [[Helium]] und weitere [[Edelgas]]e 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 in [[Gasfackel]]n 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 als [[Flüssigerdgas]] transportiert werden.<ref name="ZhangJ" />

=== Gewinnung als Biogas ===
{{Hauptartikel|Biogas}}
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.<ref name="MärklH" /> Biogas wird von [[Methanbildner]]n durch [[Methanogenese]] von landwirtschaftlichen und Grünabfällen, Abwässern, Lebensmittelabfällen sowie Abfällen aus der Viehzuchtindustrie gebildet und gilt als erneuerbare Energiequelle. Das in [[Biogasanlagen]] erzeugte Methan kann etwa als Brennstoff verwendet werden.<ref name="PeterssonA" />

=== Gewinnung aus Methanhydrat ===
{{Hauptartikel|Methanhydrat}}
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 die [[Erdatmosphäre]] gelangen würde und dort als sehr wirksames [[Treibhausgas]] zu einer weiteren [[Globale Erwärmung|Erwärmung]] und damit weiterer Freisetzung von Methan beitragen würde. Außerdem ist die Förderung von Methanhydrat nicht ungefährlich. Erste Förderversuche sind bereits im Gange. Die Folgen eines [[Raubbau (Bergbau)|Raubbaus]] sind weitgehend ungeklärt; Forscher befürchten das Abrutschen der [[Kontinentalhang|Kontinentalhänge]], die zu großen Teilen aus Methaneis, das durch die Förderung instabil werden könnte, bestehen. Wegen der [[Globale Erwärmung|globalen 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 anthropogenen [[Treibhauseffekt]] verstärken. Die Freisetzung von Methan aus tauenden [[Permafrostboden|Permafrostböden]] ist ein weiteres [[Kippelemente im Erdsystem|Kippelement des Klimawandels]].<ref name="GuttC" />

=== Methanisierung ===
Die [[Methanisierung]] oder Sabatier-Prozess ist ein Prozess zur Erzeugung von synthetischem Erdgas. Dabei werden Kohle oder andere Kohlenstoff-haltige Materialien durch [[Kohlevergasung]] in [[Kohlenstoffmonoxid]] oder Kohlenstoffdioxid konvertiert, welche mit Wasserstoff katalytisch zu Methan umgesetzt werden. Diese Reaktion wurde im 19. Jahrhundert durch den Franzosen und Nobelpreisträger [[Paul Sabatier (Chemiker)|Paul Sabatier]] entdeckt und nach ihm benannt.<ref name="SabatierP" />

:<math>\mathrm{CO + 3\;H_{2} \rightarrow CH_{4} + H_2O}\qquad \Delta H^0=-206{,}2\, \mathrm{kJ/mol}</math>.

:<math>\mathrm{CO_{2} + 4\;H_{2} \rightarrow CH_{4} + 2\;H_2O}\qquad \Delta H^0=-165{,}0\, \mathrm{kJ/mol}</math>.

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.

=== Laborsynthesen ===
Für die Herstellung aus [[Aluminiumcarbid]] gibt es zwei Methoden. Aluminiumcarbid kann dazu mit Wasser zu [[Aluminiumoxid]] und Methan umgesetzt werden, oder mit [[Chlorwasserstoff]] zu [[Aluminiumchlorid]] und Methan. Die Methoden werden meist nur im Labor eingesetzt.<ref name="CampbellC" />

:<math>\mathrm{Al_{4}C_{3} + 12\,H_{2}O \longrightarrow 4\,Al(OH)_{3} + 3\,CH_{4}}</math>

:<math>\mathrm{Al_{4}C_{3} + 12\,HCl \longrightarrow 4\,Al^{3+} + 12\,Cl^{-} + 3\,CH_{4}}</math>

Eine weitere Quelle für die Darstellung im Labormaßstab bietet die thermische Zersetzung von [[Natriumacetat]].

:<math>\mathrm{ CH_3-COONa + NaOH \longrightarrow Na_2CO_3 + CH_4}</math>

== Eigenschaften ==
=== Physikalische Eigenschaften ===

Methan schmilzt bei −182,6&nbsp;°C und siedet bei −161,7&nbsp;°C. Aufgrund der [[Polarität (Chemie)|unpolaren]] Eigenschaften ist es in Wasser kaum löslich, in [[Ethanol]] und [[Diethylether]] löst es sich jedoch gut. Die molare [[Schmelzenthalpie]] und die molare [[Verdampfungsenthalpie]] betragen 1,1&nbsp;kJ/mol und 8,17&nbsp;kJ/mol. Der [[Heizwert]] H<sub>i</sub> liegt bei 35,89&nbsp;MJ·m<sup>−3</sup> beziehungsweise 50,013&nbsp;MJ kg<sup>−1</sup> (13,893 kWh/kg). Die [[Standardentropie]] beträgt 188&nbsp;J·mol<sup>−1</sup>·K<sup>−1</sup>, die [[Wärmekapazität]] 35,69&nbsp;J·mol<sup>−1</sup>·K<sup>−1</sup>. Der [[Tripelpunkt]] von Methan liegt bei 90,67&nbsp;K und 0,117&nbsp;bar, der [[Kritischer Punkt (Thermodynamik)|kritische Punkt]] liegt bei 190,56&nbsp;K und 45,96&nbsp;bar.

Der [[Dampfdruck]] bzw. [[Sättigungsdampfdruck]] von Methan in Abhängigkeit der [[Temperatur]] <math>\vartheta</math><ref>{{Literatur | Autor=Rolf Prydz, Robert D. Goodwin | Titel=Experimental melting and vapor pressures of methane | Sammelwerk=The Journal of Chemical Thermodynamics | Band=4 | Nummer=1 | Datum=1972 | Seiten=127–133 | DOI=10.1016/S0021-9614(72)80016-8}}</ref> lässt sich mit hinreichender Genauigkeit (<math>|\Delta p/p|</math> < 4 %) nach folgender Gleichung<ref>{{Internetquelle |autor=Olaf Babel |url=https://www.unternehmensberatung-babel.de/industriegase-lexikon/industriegase-lexikon-a-bis-m/dampfdruckgleichung/index.html |titel=Dampfdruckgleichung|werk=Industriegase Lexikon |abruf=2024-07-24}}</ref> berechnen:

:<math> p_{\mathrm {Methan}}(\vartheta) = 1 \, \mathrm {bar} \cdot \exp\left(9{,}249 - \frac{1032{,}944\,^\circ\text{C}}{\vartheta + 273{,}15\,^\circ\text{C}}\right)</math>.

Festes Methan existiert in mehreren [[Modifikation (Chemie)|Modifikationen]], zurzeit sind neun verschiedene bekannt.<ref name="BiniR" /> Bei der Abkühlung von Methan bei normalem Druck entsteht Methan I. Dabei handelt es sich um einen kubisch kristallisierenden Stoff {{Raumgruppe|Fm-3m|lang}}. Die Positionen der Wasserstoffatome sind nicht fixiert, das heißt, die Methanmoleküle können frei rotieren. Deshalb handelt es sich um einen [[Plastischer Kristall|plastischen Kristall]].<ref name="log" />

=== Molekulare Eigenschaften ===
[[Datei:Methane-2D-dimensions.svg|mini|Im Methan betragen die [[Bindungswinkel]] 109,471°.]]
[[Datei:Methan Infrarotspektrum.png|mini|Ausschnitt aus dem Infrarotspektrum von Methan. In den Absorptionsbanden um ca. 3000&nbsp;cm<sup>−1</sup> (links) finden sich die Übergänge der Pentade, in der um ca. 1300&nbsp;cm<sup>−1</sup> (rechts) jene der Dyade.]]

Das Methanmolekül besteht aus einem [[Kohlenstoff]]atom (C), an welches vier [[Wasserstoff]]atome (H) [[Kovalente Bindung|kovalent gebunden]] sind, was es zum einfachsten Vertreter der [[Alkane]] C<sub>''n''</sub>H<sub>2''n''+2</sub> (mit ''n'' = 1) macht. Im Zentrum des Moleküls liegt das C-Atom, um das herum die H-Atome [[Tetraeder|tetraedrisch]] im Abstand von 108,7&nbsp;[[Meter#Gebräuchliche dezimale Vielfache|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 Aufbau [[Gesättigte Verbindungen|gesättigter]] Kohlenwasserstoffe grundlegend und steht daher meist am Beginn jeder Einführung in die [[Organische Chemie]]. Qualitativ lässt sich diese regelmäßige Anordnung der vier gleichen H-Atome um das zentrale C-Atom bereits im einfachen [[VSEPR-Modell|VSEPR-Bild]] verstehen, da auf diese Weise die H-Atome – und damit die entlang der C–H-Bindungsachsen erhöhten [[Elektronendichte]]n – die größtmögliche Entfernung zueinander einnehmen, was Abstoßungseffekte minimiert. Die vier gleich langen C–H-Bindungen lassen sich im Rahmen einer lokalisierten [[Valenzbindungstheorie]] mithilfe von [[Hybridorbital]]en so beschreiben: Das C-Atom ist sp<sup>3</sup>-hybridisiert, die vier C–H-σ-Bindungen kommen durch paarweise Überlappung je eines der vier sp<sup>3</sup>-Hybridorbitale mit dem 1s-Orbital je eines H-Atoms zustande.<ref name="HuheeyJ" /> Dieses Modell mit vier energetisch äquivalenten Orbitalen ist jedoch nicht in der Lage, das experimentell ermittelte [[Elektronenspektroskopie|Elektronenspektrum]] von Methan zu erklären und widerspricht auch [[Quantenchemie|theoretischen Berechnungen]].<ref name="WangF" /> Eine Beschreibung, die Theorie und Experiment in Einklang bringt, liefert die [[Molekülorbitaltheorie]]. So erhält man als [[Elektronenkonfiguration]] von Methan im [[Grundzustand]] (1a<sub>1</sub>)<sup>2</sup>(2a<sub>1</sub>)<sup>2</sup>(1t<sub>2</sub>)<sup>6</sup>, wobei das Molekülorbital 1a<sub>1</sub> im Wesentlichen dem kernnahen 1s-[[Atomorbital]] des C-Atoms entspricht. Die beiden unterschiedlichen Energieniveaus für [[Valenzelektronen]] – das relativ energiearme 2a<sub>1</sub>-Orbital sowie das dreifach [[Entartung (Quantenmechanik)|entartete]] t<sub>2</sub>-[[Grenzorbital|HOMO]] – entsprechen den gemessenen [[Ionisierungsenergie]]n von 23 und 14&nbsp;[[Elektronenvolt]].<ref name="ClarkS" /> Aufgrund der [[Tetraedergruppe|Tetraedersymmetrie]] lassen sie sich im Rahmen eines [[LCAO-Methode|LCAO-Ansatzes]] mit [[Symmetrieadaptierte Linearkombination|symmetrieadaptierten 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.<ref name="HousecroftC" />

<gallery class="center" perrow="5" caption="Dichteplots im Grundzustand besetzter Molekülorbitale von Methan auf dem [[Coupled Cluster|CCSD(T)]]/[[Korrelationskonsistente Basen|cc-pVQZ]]-Niveau">
  Methan 1a1.png | 1a<sub>1</sub>
  Methan 2a1.png | 2a<sub>1</sub>
  Methan 1t2 a.png | 1t<sub>2</sub>
  Methan 1t2 b.png | 1t<sub>2</sub>
  Methan 1t2 c.png | 1t<sub>2</sub>
</gallery>

Die mittels [[Infrarotspektroskopie|Infrarot-]] und [[Raman-Spektroskopie]] gewonnenen Messergebnisse stimmen mit einer Tetraedersymmetrie überein. Es gibt vier [[Eigenmode|Normalmoden]] für [[Molekülschwingung]]en bei etwa 2914, 1534, 3018 und 1306&nbsp;cm<sup>−1</sup>, die mit ν<sub>1</sub>, ν<sub>2</sub>, ν<sub>3</sub> und ν<sub>4</sub> bezeichnet werden. Die Schwingungen ν<sub>2</sub> (nur bei Wechselwirkungen mit anderen Molekülen, das heißt Symmetriestörung), ν<sub>3</sub> und ν<sub>4</sub> sind infrarotaktiv.<ref name="PlyerEK" /><ref name="WeidleinJ" /> Das messbare Schwingungsspektrum setzt sich aus [[Linearkombination]]en dieser Normalmoden zusammen, die im Bereich bis 4800&nbsp;cm<sup>−1</sup> zu jeweils einer Dyade<ref name="RocheC" /> (zwei Kombinationen im Bereich 940–1850&nbsp;cm<sup>−1</sup>), Pentade<ref name="HilicoJC1994"/> (fünf Kombinationen im Bereich 2150–3350&nbsp;cm<sup>−1</sup>) und Octade (acht Kombinationen im Bereich 3550–4800&nbsp;cm<sup>−1</sup>) gruppiert werden können, zuzüglich einiger Übergänge zwischen angeregten Zuständen unterschiedlicher Polyaden, sogenannte ''hot bands''.<ref name="NiedererHM" /><ref name="AlbertS" />

=== Chemische Eigenschaften ===
Im Vergleich zu anderen Alkanen weist die C-H-Bindung im Methan eine höhere [[Bindungsenergie (Chemie)|Bindungsenergie]] auf. In Reaktionen mit radikalischer Abstraktion des Wasserstoffatoms ist Methan gewöhnlich das am wenigsten reaktive Alkan. Das Methylkation (CH<sub>3</sub><sup>+</sup>) ist das instabilste [[Carbeniumion]]. Daher ist Methan in Reaktionen unter [[Hydrid]]-Abstraktion ebenfalls wenig reaktiv. In [[Elektronentransfer]]reaktionen reagiert Methan aufgrund seines hohen [[Ionisierungspotential]]s meist träge.<ref name="CrabtreeRH" /> 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–CH<sub>3</sub>.<ref name="OzinGA" />

Methan ist stabil gegenüber herkömmlichen Säuren und Laugen. Mit [[Supersäure]]n wie [[Hexafluorantimonsäure]] lässt sich Methan zum [[Methanium (Chemie)|Methaniumion]] (CH<sub>5</sub><sup>+</sup>) protonieren. Der Name Methanium wurde in Analogie zum [[Ammonium]]ion gewählt.<ref name="KingCR" /> Mit Oxidationsmitteln wie [[Kaliumpermanganat]] oder [[Kaliumdichromat]] lässt es sich nicht oxidieren. Mit Oxidationsmitteln wie [[Peroxodisulfate]]n oder Cer(IV)-Salzen bildet Methan in [[Schwefelsäure]] einen Monomethylester (CH<sub>3</sub>-OSO<sub>3</sub>H).<ref name="SenA" />

Methan ist [[Brennbarkeit|brennbar]] und verbrennt an der [[Luft]] mit bläulicher, nicht rußender [[Flamme]]. Aus der [[Chemische Reaktion|Reaktion]] eines Methanmoleküls mit zwei Sauerstoffmolekülen entstehen zwei [[Wasser]]- und ein Kohlenstoffdioxidmolekül. Es kann [[explosion]]sartig mit [[Sauerstoff]] oder [[Chlor]] reagieren, wozu eine [[Initialzündung]] (Zufuhr von [[Aktivierungsenergie]]) oder [[Katalyse]] erforderlich ist.

Mit [[Sauerstoff]] geht Methan unterschiedliche [[Chemische Reaktion|Reaktionen]] ein, je nachdem wie viel Sauerstoff für die Reaktion zur Verfügung steht. Nur bei genügend großem Sauerstoffangebot ist eine vollständige [[Verbrennung (Chemie)|Verbrennung]] des Methans mit optimaler Energieausbeute möglich.<ref name="Standard" />

: <math>\mathrm{ CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O} \qquad \Delta H^0 = - 802{,}4 \;\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}</math>

Bei ungenügender Sauerstoffzufuhr hingegen entstehen [[Nebenprodukt]]e wie [[Kohlenstoffmonoxid]] (CO) und [[Kohlenstoff]] ([[Ruß]]). Ferner ist in diesem Fall die Nutzenergie geringer.

: <math>\mathrm{ 2\,CH_4 + 3\,O_2 \rightarrow 2\,CO + 4\,H_2O }</math>
: <math>\mathrm{CH_4 + O_2 \rightarrow C + 2\,H_2O }</math>

Mit [[Chlor]] und [[Brom]] 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 unter [[Katalyse]] Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid. Diese sogenannte Dampfreformierung ist der technische Prozess, mit dem technisch Wasserstoff und Synthesegas hergestellt werden.

Bei Temperaturen von etwa 2000&nbsp;°C bildet sich bei schneller Abkühlung [[Ethin]]. Ohne Abkühlung zerfällt Methan ab etwa 1100&nbsp;°C in die Elemente.<ref name="DinhDK" /> Bei einer Temperatur von etwa 1200&nbsp;°C reagiert Methan mit Ammoniak zu Cyanwasserstoff und Wasserstoff.<ref name="EndterF" />

== Verwendung ==
[[Datei:US Erdgasverbrauch 1949 bis 2020.png|mini|Erdgasverbrauch der Vereinigten Staaten von 1949 bis 2020<ref name="eiagov" />]]
Methan wird vorwiegend als [[Gasheizung|Heizgas]] 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.<ref name="eiagov" /> Neben Methan aus [[Erdgas]] wird zu diesem Zweck [[Biogas]] ([[Biomethan]]) mit einem Methangehalt von etwa 50 bis 70 % aus [[Mist]], [[Gülle]], [[Klärschlamm]] oder organischem Abfall gewonnen. Früher wurde Methan durch [[Pyrolyse]] von [[Holz]] gewonnen, bei der [[Holzgas]] entsteht ([[Holzvergasung]]). Holzgas, das unter anderem Methan enthält, diente wegen des Erdölmangels im [[Zweiter Weltkrieg|Zweiten Weltkrieg]] zum Betrieb von zivilen [[Automobil]]en. Die aufheizenden [[Holzgas|Holzvergaser]] wurden meist außen angebaut. Rohes Biogas aus Abwasserreinigungsanlagen wird heute oft direkt mit Verbrennungsmotoren in Strom umgewandelt.

=== Verwendung als Brenn- und Kraftstoff ===
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&nbsp;:&nbsp;1 im Methan wird bei der Verbrennung von Methan eine größere Menge an Energie pro freigesetztem Kohlenstoffdioxidmolekül geliefert als bei allen anderen kohlenstoffhaltigen Energieträgern.

: <math>\mathrm{ C + O_2 \rightarrow CO_2} \qquad \Delta H_S = 393{,}5 \;\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}</math><ref name="HoppR" />

: <math>\mathrm{ CH_4 + 2\,O_2 \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O} \qquad \Delta H_S = 890{,}4 \;\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}</math><ref name="HoppR" />

Bei Verwendung von Methan als [[Alternativer Kraftstoff|alternativem Kraftstoff]] in Motoren werden etwa 2 % des Methans nicht verbrannt und müssen durch einen [[Katalysator|Fahrzeugkatalysator]] umgesetzt werden. Vor der Einführung einer [[Abgasnachbehandlung]] und schwefelfreien Kraftstoffs hatten methanbasierte Kraftstoffe ein geringeres Versauerungs- und Eutrophierungspotential sowie geringere Effekte auf die menschliche Gesundheit als die Verbrennung von [[Dieselkraftstoff]]. Dies war auf die geringeren Stickoxidemissionen bei der Verbrennung zurückzuführen.<ref name="BengtssonSK" /> In Fahrzeugen nach der aktuellen [[Abgasnorm]] sind die Emissionen nach der Abgasnachbehandlung unabhängig vom Kraftstoff auf ähnlichem Niveau.

[[Methalox]], ein Gemisch aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Methan, wird als [[Raketentreibstoff]] verwendet. Die ersten Versuche hierzu wurden von dem deutschen Raketenpionier [[Johannes Winkler (Raumfahrtingenieur)|Johannes Winkler]] Anfang der 1930er Jahre durchgeführt; am 14. März 1931 erreichte eine Hückel-Winkler-1 eine Höhe von 60&nbsp;m.<ref name="JackUW" /> Am 12. Juli 2023 erreichte schließlich eine [[Zhuque 2]] des chinesischen Raketenbauers [[LandSpace]] als erste methangetriebene Rakete der Welt den Orbit.<ref name="JonesA" /> Verflüssigtes Methan hat zwar einen geringeren [[Spezifischer Impuls|spezifischen 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 dem [[Starship]], die für künftige [[Marsmission]]en verwendet werden sollen, ist außerdem die perspektivische [[Methanisierung#Herstellung von Raketentreibstoff auf dem Mars|Herstellung von Raketentreibstoff auf dem Mars]] ein weiteres Argument für die Verwendung von Methalox als Treibstoff.

=== Verwendung als Chemierohstoff ===
Methan dient als wichtiges Ausgangsprodukt für die technische Synthese von [[Ethin]], [[Cyanwasserstoff]], [[Schwefelkohlenstoff]], [[Halogenkohlenwasserstoffe#Halogenalkane|Halogenalkane]] und vielen anderen [[Organische Chemie|organischen 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 der [[Fischer-Tropsch-Synthese]] für die Herstellung von Alkanen genutzt.

==== Dampfreformierung und partielle Oxidation ====
{{Hauptartikel|Dampfreformierung}}
[[Datei:Dampfreformierung.svg|mini|350px|Dampfreformierung mit partieller Oxidation, CO-Konvertierung und Kohlenstoffdioxidabsorption
{|
| {{Farbindex|ecbae7|Primärreformer}} || {{Farbindex|4d94e1|Sauerstoffeinspeisung}}
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| {{Farbindex|f2c500|Sekundärreformer}} || {{Farbindex|cadaeb|CO-Konvertierung}}
|-
| {{Farbindex|cadaeb|Waschturm}} ||
|}]]
{| class="wikitable float-right"
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 |class="hintergrundfarbe-basis" style="font-size:90%;; line-height:1.2em;"| {{Stammbaum/Start |style=margin:1em;}}
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{{Stammbaum | aaa | | bbb | | ccc |aaa=[[Kohlenstoffmonoxid]]&nbsp;+<br>Wasserstoff 2:1 |bbb=Kohlenstoffmonoxid&nbsp;+<br>Wasserstoff 1:1 |ccc=[[Wasserstoff]]}}
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{{Stammbaum | aaa | | bbb | | ccc |border=0 |aaa=[[Methanolsynthese]] |bbb=[[Hydroformylierung]] |ccc=[[Haber-Bosch-Verfahren]]}}
{{Stammbaum | |!| | | |!| | | |!| }}
{{Stammbaum | aaa | | bbb | | ccc |aaa=[[Methanol]] |bbb=[[Oxo (Chemie)|Oxo-Produkte]] |ccc=[[Ammoniak]]}}
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{{Stammbaum | aaa | | | | | | | | |aaa=[[Harze]]}}
{{Stammbaum/Ende}}
|- 
| Folgeprodukte der Dampfreformierung von Methan (Auswahl).
|}
Die [[Dampfreformierung]], die [[partielle Oxidation]] und die [[Wassergas-Shift-Reaktion]] sind großtechnische durchgeführte Reaktionen. Das zunächst entstehende Produkt der Dampfreformierung ist ein als [[Synthesegas]] bezeichnetes Gasgemisch, das unter anderem für die Produktion von [[Methanol]] verwendet wird.

: <math>\mathrm{ CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3\,H_2}\qquad \,\Delta H= +206{,}2\,\mathrm{kJ/mol} </math>

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.<ref name="NeivaLS" />

:<math>\mathrm{ 2\ CH_4 + O_2 \rightarrow 2\ CO + 4\,H_2} </math>

Eine Kombination beider Prozesse, bei der die partielle Oxidation den Energiebedarf der Dampfreformierung deckt, wird [[Autothermale Reformierung]] genannt.<ref name="NeivaLS" />

Ist Wasserstoff das Zielprodukt, wird das entstandene Kohlenstoffmonoxid mit weiterem Wasser in einem sogenannten Sekundärreformer einer [[Wassergas-Shift-Reaktion]] zu Kohlenstoffdioxid und weiterem Wasserstoff umgesetzt.<ref name="LeValleyTL" /> Als Katalysatoren dienen [[Eisen(III)-oxid]]-Kontakte.

:<math>\mathrm{ CO + H_2O \rightleftharpoons CO_2 + H_2}  \qquad  \Delta H_{R\ 298}^0 = -41{,}2\ \mathrm{kJ/mol}</math>

Der im Jahr 2010 hergestellte Wasserstoff wurde zu 98 % durch Dampfreformierung hergestellt.<ref name="AbbasHF" /> Die Folgeprodukte der Dampfreformierung und der partiellen Oxidation sind vielfältig. Je nach Kohlenstoffmonoxid zu Wasserstoffverhältnis wird das Synthesegas zur [[Methanolherstellung]] oder zur [[Hydroformylierung]] von [[Olefine]]n eingesetzt.<ref name="OffermannsH" /><ref name="CornilsB" /> Reiner Wasserstoff wird zur Produktion von [[Ammoniak]] im [[Haber-Bosch-Verfahren]] oder für [[Hydrierung]]en eingesetzt.

==== Thermokatalytische Zersetzung ====
Bei den genannten drei Verfahren fällt entweder Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid als weiteres Produkt an.<ref name="AbbasHF" /> Eine Kohlenstoffdioxid-freie Route zu Wasserstoff besteht in der thermischen oder thermokatalytischen Zersetzung von Methan in [[Kohlenstoff]] und Wasserstoff.<ref name="AbbasHF" /> Die Herstellung von Wasserstoff aus Methan unter Abtrennung von Kohlenstoff bietet einen Weg, Energie aus Wasserstoff durch Verbrennung oder in [[Brennstoffzelle]]n ebenfalls ohne Kohlenstoffdioxid zu erzeugen.

:<math>\mathrm{CH_4 \longrightarrow C + 2\ H_2}\ + 75,6\ \mathrm{kJ/mol}</math>

Als Katalysator dient [[Nickel]], der entweder als Netz oder als Nickelsalz auf verschiedenen Trägern eingesetzt werden kann. Gegenüber dem rein thermischen Zerfall, der bei etwa 1200&nbsp;°C stattfindet, liegt das Temperaturniveau der thermokatalytischen Zersetzung bei etwa 500 bis 600&nbsp;°C.

==== Herstellung von Ethin ====
Für die Herstellung von Ethin aus Methan sind verschiedene Prozesse entwickelt worden, etwa die autotherme Verbrennung im [[Sachsse-Bartholomé-Verfahren]].<ref name="BartholoméE" /> Die Herstellung von Ethin gelingt weiterhin durch die thermische Spaltung von Methan im Lichtbogen bei Temperaturen von 2000 bis 3000&nbsp;°C gemäß folgender Gleichung:<ref name="DinhDK" />

:<math>\mathrm{ 2\,CH_4 \rightarrow C_2H_2 + 3\,H_2 }\qquad \Delta H^0 = +398 \;\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}</math>

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.<ref name="DinhDK" />

==== Herstellung von Kohlenstoffdisulfid ====
Methan geht außer mit [[Sauerstoff]] noch vielfältige weitere Reaktionen ein, etwa mit [[Schwefel]]. Die Reaktion zu [[Kohlenstoffdisulfid]] läuft bei einer Temperatur von etwa 600&nbsp;°C in Gegenwart von [[Kieselgel]]- oder [[Aluminiumoxid]]katalysatoren ab:

:<math>\mathrm{ CH_4 + 4\,S \rightarrow CS_2 + 2\,H_2S} </math>

Kohlenstoffdisulfid wird in großem Umfang zur Produktion von [[Kunstseide]] verwendet.<ref name="Ullmann" />

==== Herstellung von Cyanwasserstoff ====
{{Hauptartikel|BMA-Verfahren|Andrussow-Verfahren}}
Beim [[Andrussow-Verfahren]] reagiert Methan mit Ammoniak in Gegenwart von Sauerstoff zu [[Cyanwasserstoff]] und Wasser.

: <math>\mathrm{ 2\,CH_4 + 2\,NH_3 + 3\,O_2 \rightarrow 2\,HCN + 6\,H_2O}</math>

Beim [[BMA-Verfahren]] der Degussa reagiert Methan mit Ammoniak in Gegenwart eines [[Platin]]-Katalysators bei Temperaturen von etwa 1200&nbsp;°C direkt zu Cyanwasserstoff.

: <math>\mathrm{ CH_4 + NH_3 \rightarrow HCN + 3\,H_2}</math>

Cyanwasserstoff wird zur Herstellung von [[Adiponitril]], einem Zwischenprodukt für die Herstellung von [[Polyamide#Nylon|Nylon 6,6]], durch [[Hydrocyanierung]] verwendet, der katalytischen Addition von Cyanwasserstoff an [[1,3-Butadien]].<ref name="SteinbornD" /> Die Herstellung von [[Acetoncyanhydrin]] erfolgt durch die katalytische Addition von Cyanwasserstoff an Aceton. Weiterhin werden die α-[[Aminosäure]] <small>DL</small>-[[Methionin]], die Verwendung in der [[Futtermittel]]-[[Supplementierung]] findet, sowie der Heterocyclus [[Cyanurchlorid]] aus Cyanwasserstoff hergestellt.

==== Herstellung von Halogenmethanen ====
{{Hauptartikel|Photochlorierung}}
[[Datei:Photochemical immersion well reactor 750 mL.JPG|mini|Photochemischer Laborreaktor]]
Die Chlorierung von Methan kann katalytisch, thermisch oder photochemisch erfolgen. Bei der [[Chlorierung]] nach allen drei Prozessen entstehen neben [[Chlormethan]] auch die höhere chlorierten Produkte [[Dichlormethan]], [[Chloroform]] und [[Tetrachlormethan]]. Die höher substituierten Produkte entstehen bereits zu Beginn der Reaktion, wenn noch genügend unreagiertes Methan vorliegt. Die Reaktion ist stark exotherm mit etwa 100&nbsp;Kilojoule pro Substitutionsreaktion:<ref name="ErnestI" />

:<math>\mathrm{CH_4 + Cl_2 \longrightarrow CH_3Cl + HCl}</math> mit Δ<sub>R</sub>''H'' = −103,5 kJ·mol<sup>−1</sup>
:<math>\mathrm{CH_3Cl + Cl_2 \longrightarrow CH_2Cl_2 + HCl}</math> mit Δ<sub>R</sub>''H'' = −102,5 kJ·mol<sup>−1</sup>
:<math>\mathrm{CH_2Cl_2 + Cl_2 \longrightarrow CHCl_3 + HCl}</math> mit Δ<sub>R</sub>''H'' = −99,2 kJ·mol<sup>−1</sup>
:<math>\mathrm{CHCl_3 + Cl_2 \longrightarrow CCl_4 + HCl}</math> mit Δ<sub>R</sub>''H'' = −94,8 kJ·mol<sup>−1</sup>

Die [[Photochlorierung]] von Methan läuft bei Belichtung unter Beteiligung von Methyl- und [[Radikal (Chemie)|Chlorradikalen]] als Kettenträger nach dem folgenden Schema ab:

:<math>\mathrm{Cl_2 \ \xrightarrow {h\nu} \ Cl{\cdot} + {\cdot}Cl \quad (Kettenstart)}</math>
:<math>\mathrm{Cl{\cdot} + CH_4 \longrightarrow {\cdot}CH_3 + HCl \quad (Kettenfortpflanzung)}</math>
:<math>\mathrm{CH_3{\cdot} + Cl_2 \longrightarrow {\cdot}Cl + CH_3Cl \quad (Kettenfortpflanzung)}</math>
:<math>\mathrm{Cl{\cdot} + {\cdot}CH_3 \longrightarrow CH_3Cl \quad (Kettenabbruch)}</math>
:<math>\mathrm{Cl{\cdot} + {\cdot}Cl \longrightarrow Cl_2 \quad (Kettenabbruch)}</math>

Höherhalogenierte Produkte entstehen nach demselben Schema, wobei die gezielte Synthese von [[Chloroform]] bevorzugt über die Chlorierung von [[Aceton]] und die Synthese von [[Tetrachlormethan]] über die Chlorierung von Kohlenstoffdisulfid erfolgt.

:<math>\mathrm{CH_3Cl + Cl_2 \longrightarrow CH_2Cl_2 + HCl}</math> ([[Dichlormethan]])
:<math>\mathrm{CH_2Cl_2 + Cl_2 \longrightarrow CHCl_3 + HCl}</math> ([[Chloroform]])
:<math>\mathrm{CHCl_3 + Cl_2 \longrightarrow CCl_4 + HCl}</math> ([[Tetrachlormethan]])

Die chlorierten Methanderivate finden vielfältige industrielle Anwendung. [[Methylchlorid]] wird zur Herstellung von [[Methylzellulose]] verwendet, früher wurde es zur Herstellung von [[Tetramethylblei]] verwendet. [[Dichlormethan]] wird vor allem als Lösungsmittel verwendet. [[Brommethan]] wird in der Schädlingsbekämpfung zu Bodenbegasung und Begasung von Transportbehältern eingesetzt.

== Biologische Bedeutung ==
=== Methanogene Archaeen ===
{{Hauptartikel|Methanogenese}}
[[Datei:Methanogenesis cycle.png|mini|320px|Methanogeneszyklus mit Zwischenstufen]]
Die Methanogenese in [[Methanbildner]]n aus der [[Domäne (Biologie)|Domäne]] der [[Archaeen]] oder Urbakterien ist eine Form der [[anaerob]]en 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 erzeugten [[Wasserstoff]] sowie durch den Zerfall von Essigsäure in Kohlenstoffdioxid und Methan durch Essigsäure-spaltende, acetoklastische Methanbildner.<ref name="ConradR" /><ref name="HedderichR" />

=== Methanotrophe Mikroben ===
{{Hauptartikel|Methylotrophe Mikroben}}
Methan wird durch bestimmte [[Methanotroph|methanotrophe]] [[Prokaryoten]], etwa ''[[Methylococcus capsulatus]]'' ([[Familie (Biologie)|Familie]] [[Methylococcaceae]] der [[Gammaproteobakterien]]) in Gewässern und Böden mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert. Es kann sich dabei um [[Bakterien]] oder [[Archaeen]] handeln, die unter [[aerob]]en oder anaeroben Bedingungen wachsen. Diese Umsetzung ist [[Exergone und endergone Reaktion|exergon]] und die Prokaryoten nutzen sie als Energiequelle. Diese sind oft in der Nähe von Methanquellen zu finden, etwa in Feuchtgebieten oder in aquatischen Umgebungen.<ref name="HansonRS" /> 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 Halbinsel [[Yucatán (Halbinsel)|Yucatán]] 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.<ref name="BrankovitsD" />

Die Umsetzung des Methans erfolgt unter anderem über das Enzym [[Methan-Monooxygenase]], welches die Oxidation zu [[Methanol]] katalysiert. Die Methan-Monooxygenase liegt in einer löslichen Form mit zwei sauerstoffverbrückten [[Eisen]]atomen im aktiven Zentrum und einer unlöslichen Form vor, die ein [[Kupfer]]atom im aktiven Zentrum enthält.<ref name="RossMO" />

=== Zoo- und Phytoplankton ===
Meeresalgen wie ''[[Emiliania huxleyi]]'' und andere [[Haptophyta]] produzieren im Ozean signifikante Mengen Methan: Versuche mit <sup>13</sup>C-markierten Substraten wie [[Hydrogencarbonat]], methylierten Schwefelverbindungen wie [[Dimethylsulfid]], [[Dimethylsulfoxid]] und [[Methioninsulfoxid]]<ref group="S">{{Substanzinfo|Name=Methioninsulfoxid |CAS=3226-65-1|Wikidata= Q27102175|ECHA-ID=|EG-Nummer=|ZVG=|PubChem= 158980}}</ref>  führten zur Bildung von <sup>13</sup>C-angereichertem Methan. Feldstudien etwa im [[Pazifischer Ozean|Pazifischen Ozean]] zeigten, dass die Methanproduktion durch Algen wahrscheinlich ein häufig ablaufender und wichtiger Prozess in marinen Oberflächengewässern ist.<ref name="KlintzschT" /> Zooplankton setzt bei der Konsumtion von Algen ebenfalls Methan frei, das vermutlich im Verdauungstrakt gebildet wird. Ein möglicher Mechanismus ist Umsetzung neu gebildeter Methylamine wie [[Methylamin]] und [[Trimethylamin]].<ref name="AngelisMA" />

== Umweltrelevanz ==
[[Datei:Methane Mauna Loa.svg|mini|hochkant=2.5|Entwicklung der Methankonzentration am [[Vulkan]] [[Mauna Loa]] auf [[Hawaii]]]]
[[Datei:Atmospheric Concentrations of Methane Over Time.svg|mini|hochkant=2.5|Methan-Konzentration in der [[Erdatmosphäre]] seit 800.000 vor unserer Zeit]]
Methan könnte als Treibhausgas vor etwa 252&nbsp;Mio.&nbsp;Jahren das größte [[Massenaussterben]] des [[Phanerozoikum]]s mit verursacht haben. Der Anstieg seiner Konzentration in der Erdatmosphäre in der [[Moderne]] ist einer der Aspekte des [[Anthropozän]]s.<ref name="ChengCH" /> Laut zweier Studien des ''Global Carbon Project'' stammten 2017 mehr als 60 % der Methan-Emissionen aus der menschlichen Wirtschaft.<ref name="JacksonRB" /><ref name="SaunoisM" />

2021 erreichte die Konzentration in der Atmosphäre 262 % des Niveaus vor der Industrialisierung. Die globale Durchschnittskonzentration von Methan stieg laut [[Weltorganisation für Meteorologie|WMO]]-Schätzungen 2021 um 18 auf 1908 [[parts per billion|ppb]]. 2020 stieg die Konzentration um 15&nbsp;ppb, ebenfalls mehr als im langjährigen Durchschnitt.<ref name="dpa" />

=== Atmosphärenchemie ===
In einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre wird Methan langsam oxidiert, insbesondere durch [[Hydroxyl-Radikal]]en zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Dieser Prozess verläuft langsam; die [[Halbwertszeit]] wird auf 12&nbsp;Jahre geschätzt.<ref name="IPCC" /><ref name="UBA3" />

In der [[Erdatmosphäre]] reagiert Methan mit Sauerstoff zunächst zu [[Formaldehyd]] und gegebenenfalls zu [[Ozon]].<ref name="PradosC" /> Durch weitere [[Oxidation]] entsteht schließlich Kohlenstoffdioxid und Wasser.

: <math>\mathrm{ CH_4 + \ 4 \ O_2 \ \longrightarrow CH_2O \ + \ 2 \ O_3 + \ H_2O }</math>

: <math>\mathrm{ CH_4 + \ O_2 \ \longrightarrow CH_2O \ + \ H_2O }</math>

In der Stratosphäre ist Methan die Hauptquelle für Hydroxyl-Radikale und Wasser sowie die Konvertierung von atomarem Chlor in Chlorwasserstoff.<ref name="BrasseurGP" />

: <math>\mathrm{CH_4 + O{(^1D)} \ \longrightarrow CH_3 +  OH}</math>

: <math>\mathrm{CH_4 + Cl \ \longrightarrow CH_3 +  HCl}</math>

=== Treibhauspotenzial ===
Das [[Treibhauspotenzial]] von Methan ist, auf einen Zeitraum von 100 Jahren bezogen, 28-mal höher als das der gleichen Gewichtsmenge [[Kohlenstoffdioxid]]. Nach einer neueren Untersuchung beträgt dieser [[Multiplikation#Namensgebung|Faktor]] 33, wenn Wechselwirkungen mit atmosphärischen [[Aerosol]]en berücksichtigt werden.<ref name="IPCC" /><ref name="ShindellDT" /> Auf einen Zeitraum von 20 Jahren bezogen steigt dieser Faktor auf 84. Methan trägt rund 20 bis 30 % zum anthropogenen Treibhauseffekt bei.<ref name="WilleJ" /> Nach Einschätzung des [[Umweltprogramm der Vereinten Nationen|Umweltprogramms der Vereinten Nationen]] (UNEP) könnte mit Maßnahmen gegen Methan-Emissionen erreicht werden, dass die mittlere globale Temperatur bis 2045 um fast 0,3&nbsp;°C langsamer steigt als erwartet.<ref name="WilleJ" /> Im Vergleich zu Kohlenstoffdioxid hat Methan eine kürzere Verweildauer in der Erdatmosphäre (12&nbsp;Jahre ggü. 5–200&nbsp;Jahre).<ref name="IPCC1" /> 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.<ref name="WilleJ1" /><ref name="Tagesschau" /> Parallel dazu verzeichnete die [[Weltorganisation 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 der [[Internationale Energieagentur|Internationalen Energieagentur]] (IEA) könnten 60 bis 80 % dieser Emissionen ohne Mehrkosten unterbunden werden.<ref name="Tagesspiegel" />

=== Emissionsquellen für atmosphärisches Methan ===
[[Datei:MethaneInfographicGlobalCarbonProject2016ccBySa de.png|mini|Globaler Methankreislauf (2016), [[Global Carbon Project]]]]
Die Methankonzentrationen stiegen zwischen 2000 und 2006 jährlich um etwa 0,5&nbsp;[[parts per billion|ppb]], seit 2006 mit einer mehr als zehnfach höheren Rate.<ref name="ERL" /> Damit ist weit mehr Methan in der [[Erdatmosphäre]] als jemals während der letzten 650.000&nbsp;Jahre.<ref name="SolomonS" /> Eine im Februar 2020 erschienene Studie von Forschern der [[University 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.<ref name="HmielB" />

Jährlich werden auf der Erde etwa 600&nbsp;Millionen Tonnen Methan emittiert. In Deutschland sank die Emission zwischen 1990 und 2018 von 121,2&nbsp;Millionen Tonnen auf etwa 52,6&nbsp;Millionen Tonnen [[Treibhauspotential|CO<sub>2</sub>-Äquivalent]].<ref name="UBA2" />

Anfang 2014 berichtete das Forschungsmagazin [[Science]] nach einer [[Metaanalyse]] von über 200&nbsp;Studien, die US-amerikanische Umweltschutzbehörde [[Environmental Protection Agency]] (EPA) habe den Methangas-Ausstoß in den [[USA]] seit 20&nbsp;Jahren zu gering angegeben.<ref name="BrandtAR" /> In den USA wurden jährlich 40&nbsp;Millionen Tonnen mehr in die Atmosphäre emittiert als bisher offiziell angenommen, sowohl aus natürlichen Quellen als auch aus der Viehhaltung von beispielsweise 88&nbsp;Millionen Rindern im Land sowie aus [[Leck]]s in Förderanlagen und [[Pipeline]]s. Basierend auf Daten aus Feldmessungen werden die jährlichen Methanemissionen aus der Öl- und Gaslieferkette auf etwa 13&nbsp;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 im [[Permian Basin]] in Texas 2018 eine jährliche Emission von 2,9 ±0,5&nbsp;Millionen Tonnen gemessen.<ref name="ZhangY" /> Unklar ist (Stand 2014), wieweit die fehlerhaften Angaben Einfluss auf die Rechenmodelle zur Entwicklung des Weltklimas haben.<ref name="HasselmannS" />

==== Fracking ====
Der Ausstoß von Methan hat besonders in den Vereinigten Staaten signifikant zugenommen. Dieser könnte mit der Förderung von [[Schiefergas]] durch Fracking ([[Hydraulic Fracturing]]) zusammenhängen.<ref name="HowarthRW" /><ref name="LeahyS" /> 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 in [[Pennsylvania]] 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 der [[Marcellus-Formation]] wurden pro Jahr zu etwa 0,67&nbsp;Millionen Tonnen bestimmt.<ref name="RenX" />

==== Permafrost ====
Die Freisetzung von Methan aus [[Permafrost]] und vom Meeresboden ist eine mögliche Folge und eine weitere Ursache für die globale Erwärmung.<ref name="Reuters" /> Aus arktischen Permafrostböden wird Methan sowohl geologischen als auch biologischen Ursprungs freigesetzt, biogenes durch [[Permafrost#Rückgang von Permafrost|Umwandlung 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.<ref name="KohnertK" />

==== Öl- und Kohlegewinnung und Transport ====
Durch nicht bemerkte Lecks in [[erdölraffinerie|Raffinerien]] und beim Transport von Öl und Gas durch [[Pipeline]]s entweichen erhebliche Mengen Methan in die Erdatmosphäre. Die [[Internationale Energieagentur]] (IEA) in Paris schätzte diese Menge Ende 2017 auf rund 75&nbsp;Mio.&nbsp;Tonnen pro Jahr und damit 1,7 % der Gesamtfördermenge.<ref name="Methanverlust" />

Studien deuten darauf hin, dass die Methan-Emissionen aus Kohleminen stark unterschätzt wurden.<ref name="GabbatissJ" /> So wurde 2014 in der Gegend um [[Four Corners]] durch Satellitendaten eine gewaltige Methanemission aus nahe gelegenen [[Kohle]]abbaustätten detektiert.<ref name="AmbroseJ" /> Mit geschätzten 600.000 Tonnen Methan pro Jahr sind die Emissionen größer als die der gesamten britischen Öl-, Gas- und Kohleindustrie.<ref name="Spiegel" />

Durch Leckagen in der Erdgasinfrastruktur kann es zu bedeutenden Freisetzungen von Methan kommen. So führte 2015 ein Leck in einer unterirdischen Speicheranlage im [[Porter Ranch#Aliso Canyon Gasleck|Aliso Canyon]] zu einer massiven Freisetzung von Erdgas, bei der etwa 100.000&nbsp;Tonnen Methan entwichen.<ref name="ConleyS" /> Bei einem [[Blowout (Tiefbohrtechnik)|Blowout]] in Ohio im Jahr 2018 wurden über einen Zeitraum von 20&nbsp;Tagen etwa 57.000&nbsp;Tonnen Methan emittiert.<ref name="PandeyS" />

==== Reisanbau, Ziegen-, Schaf- und Rinderzucht ====
[[Datei:Methan-kuhmagen hg.svg|mini|Methanentstehung im Kuhmagen]]
Etwa 70 % der mikrobiellen Methanemission der Erde ist auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen. Die Methanemissionen in der [[Landwirtschaft]] und bei der [[Tierhaltung]] tragen dazu etwa 40 bis 46 % bei. Davon entfallen etwa 66 % auf die [[Rinderproduktion|Rinderhaltung]], 20 % auf den [[Reis#Nassreisanbau|Nassreisanbau]] und etwa 7 % auf [[Wirtschaftsdünger]].<ref name="SearchingerT" /> Viele Pflanzen produzieren ständig Methan und tragen so seit jeher zum Methangehalt der Atmosphäre bei.<ref name="Kehse 2006" />

Die [[Archaeen|archaeellen]] [[Methanbildner]] im [[Pansen]] wiederkäuender Tiere sind für die ständige Neubildung von Methan verantwortlich. Ein [[Hausrind]] stößt täglich etwa 150 bis 250&nbsp;Liter Methan aus, weil im Rindermagen Methanogene an der Zersetzung von [[Cellulose]] beteiligt sind. Die Senkung der Methanemission von Kühen durch Futterzusätze wird intensiv erforscht.<ref name="KamraDN" /><ref name="MaiaMRG" /><ref name="KinleyRD" /><ref name="RoqueBM" /><ref name="RoqueBM1" /> Einer der inzwischen auf dem Markt erhältlichen Futterzusätze ist [[Bovaer]].<ref name="MathisM" /> Möglicherweise können die Methanemissionen der Wiederkäuer durch spezielle Impfungen gesenkt werden.<ref name="Baca-GonzalesV" /> 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.<ref name="AgVic" />

== Sicherheitsaspekte ==
[[Datei:Flammability diagram methane.svg|mini|[[Diagramm]] zur [[Entflammbarkeit]] von Methan]]
Methan ist hoch entzündlich, der [[Flammpunkt]] liegt bei −188&nbsp;°C, die [[Zündtemperatur]] bei 595&nbsp;°C.<ref name="GESTIS" /> 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 der [[New London School]] 1937. In Folge wurde die Beimengung von [[Methanthiol]], [[Tetrahydrothiophen]] oder ähnlichen, leicht wahrnehmbaren [[Odorierung|Odoriermitteln]] zum Erdgas vorgeschrieben.<ref name="Mouli-CastilloJ" /> 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, sogenannte [[Schlagwetter]], sind auf Methan-Luft-Gemische zurückzuführen.

Methan wird, um die Dichte zu erhöhen, unter hohem Druck in Gasflaschen bei 200&nbsp;bar aufbewahrt. Methan liegt in der handelsüblichen 50 Liter-Stahlflasche oder in Kraftfahrzeugtanks, oft mit [[Kohlenstofffaser]]n [[Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff|verstärktes]] Epoxidharz über Aluminium-Liner, komprimiert auf 200&nbsp;bar gasförmig vor, sogenanntes ''Compressed Natural Gas'' (CNG).<ref name="EconomidesMJ" />

Der [[Tanker#Flüssiggastanker|Schifftransport]] in großen Mengen erfolgt in fast überdrucklosen Membrantanks, jedoch bei etwa −162&nbsp;°C tiefkalt verflüssigt, sogenanntes ''Liquified Natural Gas'' (LNG).<ref name="RojeyA" /> Schiffe mit Rohr- und Kugeltanks transportieren Erdgas bei einem Druck von etwa 200 bis 300&nbsp;bar und bei höherer Temperatur.<ref name="TaccaniR" />

Methan wird bei tiefen Temperaturen flüssig gelagert, weil die Dichte dadurch enorm erhöht werden kann. Aus diesem Grund kann es beim Austritt dieses gekühlten Methans leicht zu Erfrierungen kommen. Methan selbst ist [[Gift|ungiftig]], durch Verdrängung von Sauerstoff aus der normalen Atemluft jedoch kann die Aufnahme von Methan zu erhöhter Atemfrequenz ([[Hyperventilation]]) und erhöhter Herzfrequenz führen, kurzzeitig niedrigen [[Blutdruck]], Taubheit in den Extremitäten, Schläfrigkeit, mentale [[Verworrenheit]] und [[Gedächtnisverlust]] auslösen, alles hervorgerufen durch Sauerstoffmangel. Methan führt nicht zu bleibenden Schäden.<ref name="HenschlerD" /> 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.

== Nachweis ==
[[Datei:Nordrhein-Westfalen, Dortmund, Zeche Zollern NIK 6502.jpg|mini|hochkant|Methanometer der [[Zeche Zollern]]]]
Der Nachweis von Methan kann mittels [[Infrarotspektroskopie]] erfolgen. Für den Nachweis extraterrestrischer Vorkommen ist der infrarotspektroskopische Nachweis etabliert.<ref name="KawaraK" /> Methan kann mittels [[Gaschromatographie]] und mit [[Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung]] nachgewiesen und quantifiziert werden.<ref name="perkin" /> Im [[Bergbau]] wurden früher zur Warnung vor [[Schlagwetter]]n verschiedene qualitative Nachweismethoden eingesetzt, etwa die [[Grubenlampe#Davy-Lampe mit Flammsieb|Davy-Lampe mit Flammsieb]].

Moderne Methoden zur Methanmessung basieren auf unter anderem auf der Infrarottechnik oder katalytischen Wärmetönungssensoren. Ein [[Methanometer]] besteht aus einer Anordnung von vier beheizten Drähten, von denen zwei Drähte mit einem [[Katalysator]] beschichtet und in einer [[Wheatstone-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.<ref name="FerberBI" />

== Literatur ==
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* Reiner Wassman, Rhoda S. Lantin, Heinz-Ulrich Neue: ''Methane Emissions from Major Rice Ecosystems in Asia.'' Springer, 2000, ISBN 978-0-7923-6765-9.
* Peter Pfeifer, Roland Reichelt (Hrsg.): ''H<sub>2</sub>O & Co.'' Organische Chemie. Oldenbourg, München 2003, ISBN 3-486-16032-X (Extrakapitel über Methan und Informationen zu den anderen Alkanen).
* ''Pflanzen – eine vergessene Methanquelle.'' In: ''Bergbau.'' Heft 1/2007, S. 7–8 ([http://www.rdb-ev.de/zeitung07/07-01-7+8.pdf Digitalisat, PDF-Datei, 72,2 kB]).

== Weblinks ==
{{Commonscat|Methane|Methan}}
{{Wiktionary|Methan}}

== Einzelnachweise ==
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<ref name="AgVic">''[https://agriculture.vic.gov.au/climate-and-weather/understanding-carbon-and-emissions/livestock-methane-and-nitrogen-emissions Livestock methane and nitrogen emissions.]'', bei Agriculture.viv.gov.au; abgerufen am 11. Juli 2021.</ref>
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<ref name="ChengCH">{{Literatur |Autor=Chin-Hsien Cheng, Simon A. T. Redfern |Titel=Impact of interannual and multidecadal trends on methane-climate feedbacks and sensitivity |Sammelwerk=[[Nature Communications]] |Band=13 |Nummer=1 |Datum=2022-06 |DOI=10.1038/s41467-022-31345-w |PMC=9226131 |PMID=35739128 |Seiten=3592}}</ref>
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<ref name="CRC90_6_188">{{CRC Handbook|Auflage=90|Titel=Permittivity (Dielectric Constant) of Gases|Kapitel=6|Startseite=188}}</ref>
<ref name="CRC97_5-26">{{CRC Handbook |Auflage=97 |Titel=Standard Thermodynamic Properties of Chemical Substances |Kapitel=5 |Startseite=26 }}</ref>
<ref name="dpa">dpa vom 26. Oktober 2021: [https://www.spiegel.de/wissenschaft/methanwerte-2021-so-stark-gestiegen-wie-noch-nie-seit-beginn-der-aufzeichnungen-a-b5caf04d-9a65-4f72-9b8f-abf83e3e1f4b ''Methanwerte 2021 so stark gestiegen wie noch nie seit Beginn der Aufzeichnungen'']</ref>
<ref name="DeppenmeierU">U. Deppenmeier, V. Müller: ''Life close to the thermodynamic limit: how methanogenic archaea conserve energy.'' In: Günter Schäfer, Harvey S. Penefsky (Hrsg.): ''Bioenergetics: Energy Conservation and Conversion. Results and Problems in Cell Differentiation, Volume 45''. Springer 2008, ISBN 978-3-540-78622-1, S. 123–152. PMID 17713742; [[doi:10.1007/400_2006_026]].</ref>
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<ref name="EndterF">F. Endter: ''Die technische Synthese von Cyanwasserstoff aus Methan und Ammoniak ohne Zusatz von Sauerstoff'', Chemieingenieurtechnik, Nr. 30, 1958, S.&nbsp;305–310, [[doi:10.1002/cite.330300506]].</ref>
<ref name="ERL">[[Environmental Research Letters]], [[doi:10.1088/1748-9326/11/12/120207]]. Nach: [[deutschlandfunk.de]], ''[[Forschung aktuell]]'', ''Meldungen'', 12. Dezember 2016: {{Webarchiv |url=http://www.deutschlandfunk.de/meldungen-liste-forschung-aktuell.1508.de.html?drn:news_id=691070 |text=''Klimawandel: Die Methankonzentrationen in der Atmosphäre steigen derzeit ungewöhnlich schnell'' |wayback=20170812103141 |archiv-bot=}} (20. Juni 2017)</ref>
<ref name="ErnestI">Ivan Ernest: ''Bindung, Struktur und Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie''. Springer-Verlag, 1972, ISBN 3-211-81060-9, S. 297–306</ref>
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</references>

== Anmerkungen ==
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