Methanol, auch bekannt als Methylalkohol, ist der einfachste organische Alkohol und eine wasseranziehende, farblose, brennbare Flüssigkeit. Außerdem ist Methylalkohol stark toxisch für Organismen.
Methanol – Eigenschaften
Methanol ist leichter als Wasser, verdunstet leicht und löst sich gut in Wasser und Ethanol. Mit Fetten und Ölen lässt es sich nicht gut mischen. Methanol schmilzt bei –98 °C und siedet bei 64,5 °C und schmeckt brennend. Mit Luft kann Methanol ein zündfähiges Gemisch bilden. Dieses ist bei 450 °C entzündbar. Methanol enthält eine Hydroxylgruppe (-OH) als funktionelle Gruppe.
Die Hydroxylgruppe ist die funktionelle Gruppe der Alkohole. Sie verleiht dem Molekül polare Eigenschaften.
Methanol – Lewis Formel
Abbildung 1: Strukturformel von Methanol Quelle: wikipedia.de
Die Summenformel (Lewis Formel) von Methanol lautet![]()
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Die allgemeine Formel für Alkohole lautet ![]()
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Wie entsteht Methanol?
Vor fast 100 Jahren wurde Methanol nur durch trockene Destillation von Holz gewonnen. Heutzutage kann Methanol auch aus Synthesegas in einem Reaktor gewonnen werden. Das Synthesegas kann aus Erdgas oder aus Kohle gewonnen werden. Ausgangsstoffe sind Synthesegas mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Methanol ist das Reaktionsprodukt.
Synthese von Methanol
Lässt man Methangas mit Wasser reagieren, erhält man Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Diese Reaktion wird mithilfe eines Beschleunigers katalysiert:
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Somit kann Methanol entstehen:
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Methanol wird aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff gebildet. Die Reaktion ist exotherm, daher wird Energie freigesetzt.
Die selektive Bildung eines einzigen Produkts aus Synthesegas ist interessant, da Mischungen aus ![]()
und ![]()
durch Kohlevergasung in Gegenwart von Wasser leicht herzustellen sind:
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Die Kohlelagerstätten der Erde bilden deswegen die Basis für chemische Grundstoffe und andere wichtige Produkte. Diese als Fischer-Tropsch-Reaktion bekannte Eisen-katalysierte Bildung von Kohlenwasserstoffen aus Synthesegas wurde um die Jahrhundertwende entdeckt.
Da es während des Zweiten Weltkrieges keine Ölimporte gab, war es mit der Fischer-Tropsch-Synthese möglich, den Energiebedarf aus heimischer Kohle zu decken.
Methanol – Verwendung
Es gibt sehr viele Nutzungsmöglichkeiten für Methanol. Größtenteils wird Methanol in der chemischen Industrie genutzt. Methylalkohol wird aber auch in Laboren, in der Erdölindustrie oder im Alltag benutzt. Hauptsächlich wird es als Lösungsmittel und als Zwischenstufe in Synthesen verwendet.
Methanol in der Chemie
Methanol ist ein wichtiger Ausgangsstoff für Synthesen in der chemischen Industrie. Er wird zum Beispiel zu Formaldehyd oxidiert. Aus Methanol und Kohlenstoffmonoxid kann auch Essigsäure hergestellt werden. Methylalkohol trägt auch zur Herstellung von Methylaminen bei. Methylamine sind wichtige Vorprodukte für Medikamente und Pflanzenschutzmittel.
Ein Formaldehyd – auch bekannt als Methanal – ist eine organische Verbindung, die zu den Aldehyden gehört. Man findet es als Nebenprodukt bei Verbrennungsprozessen und im Tabakrauch. Ein Methylamin ![]()
ist eine starke Base und bildet mithilfe von Säuren Salze.
Methylalkohol als Kraftstoff
Zur Gewinnung elektrischer Energie kann Methanol in einer Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) eingesetzt werden. Biodiesel wird durch Veresterung von Methanol mit Rapsöl gewonnen. Früher wurde Methanol als Raketentreibstoff eingesetzt.
Andere Verwendungsmöglichkeiten von Methylalkohol
Methanol wird in Kühlschränken als Kälteübertragungsmittel benutzt. Methylalkohol kann auch als Frostschutzmittel und zur Sensorreinigung von Spiegelreflexkameras verwendet werden. Der Vorteil ist, dass Methanol vollständig verdunstet und keine Schlieren hinterlässt.
Methanol – Methanolvergiftung
Einnahme oder längerer Kontakt mit Methanol kann zur Erblindung oder zum Tod führen. Methylalkohol kann nämlich durch die Haut dringen. Das Einatmen der Dämpfe des Methanols ist im Vergleich "mindergefährlich". Die meisten Personen vergiften sich durch die Aufnahme von Methanol mit dem Mund. Es wurden Todesfälle nach der Einnahme von einer geringen Menge von 5 mL bekannt.
Im Vergleich zu Ethanol soll Methanol auf gar keinen Fall aufgenommen werden, ob durch Haut, Dämpfe oder Mund!
Die tödliche Dosis des Methanols wird bei ca. 20–70 mL geschätzt. Die letale Dosis ist abhängig vom Körpergewicht. Die hohe Giftigkeit kann dadurch begründet werden, dass Methanol im Organismus nicht vollständig oxidiert werden kann. Es wird zu den giftigen Substanzen Formaldehyd ![]()
und Ameisensäure![]()
umgewandelt.
Durch Formaldehyd werden Eiweiße im Körper abgebaut. Es beeinträchtigt vermutlich den physiologischen Prozess des Sehvorgangs. Die Weiteroxidation von Formaldehyd zu Ameisensäure – auch Methansäure – führt dazu, dass der pH-Wert des Bluts gesenkt wird. Somit ist der Sauerstofftransport unmöglich und führt dann zum Koma.
Ursachen
Methanol wird nach der Aufnahme in der Leber durch Enzyme zu Ameisensäure und Formaldehyd umgewandelt. Die beteiligten Enzyme sind Alkoholdehydrogenase und Aldehyddehydrogenase.
Ameisensäure und Formaldehyd werden langsam über die Nieren eliminiert und ausgeschieden. So sammeln sich die toxisch wirkende Substanzen im Körper an. Formaldehyd wirkt schädigend auf die angrenzenden Organe. Ameisensäure führt zu einer metabolischen Übersäuerung (Azidose). Der pH-Wert im Blut sinkt unter 7,35, da die Protonen im Körper zunehmen.
Eine Methanolvergiftung kommt oft durch den Konsum selbstgebrauter Spirituosen vor. Diese können höhere Mengen Methanol enthalten.
Vergiftungserscheinungen
Langfristig kann eine Methanolvergiftung zu Sehprobleme, Hörprobleme und Herzschwäche führen. Es kann auch Erkrankungen des Immunsystems hervorrufen.
Physiologische Wirkung
Methanol schädigt nach Aufnahme das Zentralnervensystem. Besonders sind die Sehnerven betroffen und es kann zu Erblindung kommen. Mit Verzögerung werden aber auch Leber, Herz, Nieren und andere Organe geschädigt.
Behandlung einer Methanolvergiftung
Normalerweise wird erst eine Magenspülung durchgeführt. Eine Vergiftung kann aber auch durch die orale Einnahme von Ethanol gehemmt werden.
Durch die Aufnahme von Ethanol wird die Metabolisierung von Methanol unterbrochen. Einige alkalisierende Substanzen wie Natriumhydrogencarbonat werden als Gegenwirkung zur Azidose verabreicht. Wenn der pH-Wert im Blut wieder normalisiert wurde, kann der Abbau der Ameisensäure beschleunigt werden. Dadurch wird die Toxizität reduziert.
In einigen Fällen, wenn über 100 ml Methanol aufgenommen wurden, ist eine Hämodialyse nötig. Somit wird das Methanol und seine Stoffwechselprodukte eliminiert.
Direktmethanolbrennstoffzelle
Die Direktmethanolbrennstoffzelle (engl: Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) ist eine Niedertemperaturbrennstoffzelle, die Methanol (Methanol-Wasser-Gemisch) als Brennstoff nutzt. Dies geschieht bei niedrigen Zelltemperaturen von 60 bis 120 °C.
Ein Brennstoff ist ein chemischer Stoff. Seine Energie lässt sich durch Verbrennung in nutzbare Energie umwandeln.
Karl Kordesch und A. Marko haben das Prinzip zum ersten Mal im Jahr 1951 an der Universität Wien vorgeschlagen. Dabei haben sie andere Alkohole oder Aldehyde als Brennstoffe in Betracht genommen.
Prinzip
Als Elektrolyt dient eine protonenleitende Membran. An der Anode wird das Methanol-Wasser-Gemisch in Wasserstoff und Kohlendioxid gespalten. Das Kohlendioxid wird mit dem Gemisch von der Anode abgeführt. Die Anode wird immer vom Gemisch umspült. An der Kathode entsteht Wasser.
Die Anode ist die Elektrode, die Elektronen aufnimmt. Da findet also die Oxidationsreaktion statt. An der Kathode wird das Gegensätzliche gemacht.
Reaktionsgleichungen:
Anode (Pluspol): Oxidation = Elektronenabgabe
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Methanol reagiert mit Wasser zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff.
Kathode (Minuspol): Reduktion = Elektronenaufnahme
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Sauerstoff wird mit 4 Elektronen zu einem Sauerstoff-Ion kombiniert. Sauerstoff reagiert mit den Wasserstoffatomen zu Wasser.
Funktion einer DMFC-Brennstoffzelle
Abbildung 2: Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC)Quelle: Tuvsud.com
Die Brennstoffzelle wird in zwei Kreisläufen getrennt. Die beteiligten Gase wandern vom Gasraum in den Katalysator. Sauerstoff wandert zur Kathode und Methanol und Wasser zur Anode.
Das Methanol reagiert mit dem Wasser zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff. Der Wasserstoff wird durch den Katalysator in zwei ![]()
-Atome (Protonen) gespalten. Somit muss jedes Wasserstoffatom sein Elektron abgeben.
Die Protonen wandern durch den Elektrolyten (protonenleitende Membran) zur Kathode.
Die Elektronen wandern von der Anode zur Kathode. Dadurch wird ein elektrischer Stromfluss bewirkt. Der Stromfluss versorgt ein Verbraucher mit elektrischer Energie.
An der Kathode rekombinieren jeweils vier Elektronen mit einem Sauerstoffmolekül.
Die aus 5. entstandenen Sauerstoff-Ionen sind negativ geladen. Sie reagieren mit den Protonen zu Wasser.
Anwendung
Bevorzugt wird die Brennstoffzelle in kleinen tragbare Systeme getragen. Diese wiegen wenig und haben dadurch eine hohe elektrische Leistung. Die DMFC kann kontinuierlich Energie liefern, solange Methanol zugeführt wird.
Brennstoffzellen werden zum Beispiel in professionellen Videokameras, Notebook Computer und Mobiltelefone eingesetzt. Wer schon mal mit einem Wohnmobil gefahren ist, weiß, dass ein ähnliches System zur Brennstoffzelle angeboten wird.
Indirekte Methanolbrennstoffzelle
Die indirekte Methanolbrennstoffzelle (Engl: Reformed Methanol Fuel Cell, RMFC) ist eine Protonenaustausch-Brennstoffzelle. Hier wird Methanol ![]()
umgewandelt, bevor es in die Brennstoffzelle implementiert wird.
Im Vergleich zur DMFC bieten RMFC-Systeme mehrere Vorteile:
Systeme mit höherer Effizienz,
kleinere Zellstapel,
geringere Anforderungen an die Methanolreinheit,
kein Wassermanagement nötig,
besserer Betrieb bei niedrigen Temperaturen.
Da es hier nicht von einem Methanol-Wasser-Gemisch handelt, kann die Brennstoffzelle bei Minustemperaturen gelagert werden.
Methanol - Das Wichtigste
- Methanol ist hochgiftig und kann ab einer Dosis von 5 ml tödlich sein.
- Methanol lässt sich aus Synthesegas herstellen. Durch die Herstellung wird Energie freigesetzt.
- Mit Methanol kann viel gemacht werden: Es wird hauptsächlich in der chemischen Industrie und als Kraftstoff eingesetzt.
- Die Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) nutzt ein Methanol-Wasser-Gemisch als Brennstoff. DMFC wird in kleine Systeme eingesetzt.
- Die Indirekte Methanolbrennstoffzelle (RMFC) bietet mehr Vorteile im Vergleich zur DMFC, da Methanol erst umgewandelt wird, bevor es verwendet wird.
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