甲烷:有機物-中文百科頻道

簡介

甲烷，化學式CH4，是最簡單的烴（tīng,碳氫化合物），分子是正四面體空間構型，C—H鍵能413kJ/mol，H—C—H鍵角109°28′。甲烷的結構式隻是表示分子裡各原子的連接情況，并不能真實表示各原子的空間相對位置。

在标準狀态下甲烷是一種無色、可燃、無毒的氣體。甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、坑氣及煤氣的主要成分之一。它可用作燃料及制造氫、一氧化碳、炭黑、乙炔、氫氰酸及甲醛等物質的原料。

含量分布

天王星的大氣層也存在甲烷和氫氣。據德國核物理研究所的科學家經過試驗發現，植物和落葉都産生甲烷，而生成量随着溫度和日照的增強而增加。另外，植物産生的甲烷是腐爛植物的10到100倍。他們經過估算認為，植物每年産生的甲烷占到世界甲烷生成量的10%到30%。行星中發現甲烷據國外媒體報道，美國天文學家19日宣布，他們首次在太陽系外一顆行星的大氣中發現了甲烷，這是科學家首次在太陽系外行星探測到有機分子，從而增加了确認太陽系外存在生命的希望。該小組還證實了先前的猜測，即這顆名叫HD 189733b的行星的大氣中有水。

甲烷是創造适合生命存在的條件中，扮演重要角色的有機分子。美國宇航局噴氣推進實驗室的天文學家，利用繞軌運行的“哈勃”太空望遠鏡得到了一張行星大氣的紅外線分光鏡圖譜，并發現了其中的甲烷痕迹。

行星HD 189733b位于狐狸座，距地球63光年，是一類叫做“熱木星”大行星，其表面灼熱，不可能存在液态水。HD 189733b圍繞其恒星轉一圈隻需兩天。由于距離恒星太近，這顆行星表面溫度高達900℃（1650華氏度），足以把銀子熔化。

不過，值得注意的是探測到甲烷。這種方法可以沿用到環繞所謂的“可居住區” (Goldilocks Zone）中溫度較低的恒星運轉的其它行星，“可居住區”不冷也不熱，正好适合孕育生命。

物理性質

蒸汽壓53.32kPa/-168.8℃

飽和蒸氣壓(kPa)：53.32(-168.8℃)

相對蒸氣密度(空氣=1)：0.55

燃燒熱：890.31KJ/mol

總發熱量：55900kJ/kg(40020kJ/m3)

淨熱值：50200kJ/kg（35900kJ/m3）

臨界溫度(℃)：-82.6

臨界壓力(MPa)：4.59

爆炸上限%(V/V)：15

爆炸下限%(V/V)：5.3

引燃溫度(℃)：538

分子直徑：0.414nm

化學性質

甲烷化學性質比較穩定，把制得的甲烷氣體通入盛有高錳酸鉀溶液（加幾滴稀硫酸）的試管裡，沒有變化。再把甲烷氣體通入溴水，溴水不褪色。

取代反應

把一個大試管分成五等份，或用一支有刻度的量氣管，用排飽和食鹽水法先收集1/5體積的甲烷，再收集4/5體積的氯氣，把它固定在鐵架台的鐵夾上，并讓管口浸沒的食鹽水裡。然後讓裝置受漫射光照射。在陽光好的日子，約半小時後可以看到試管内氯氣的黃綠色逐漸變淡，管壁上出現油狀物，這是甲烷和氯氣反應的所生成的一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和少量的乙烷的混合物。試管中液面上升，這是反應中生成的氯化氫溶于水的緣故。食鹽水中白色晶體析出。因為氯氣極易溶于水，溶于水後增加了水中氯離子的濃度，是氯化鈉晶體析出。用大拇指按住試管管口，提出液面，管口向上，向試管中滴入紫色石蕊試液或鋅粒，可驗證它是稀鹽酸。如果在陰暗的天氣需1到2小時才能觀察到反應的結果。

CH4+Cl2→(光照)CH3Cl+HCl

CH3Cl+Cl2→(光照)CH2Cl2+HCl

CH2Cl2+Cl2→(光照)CHCl3+HCl

CHCl3+Cl2→(光照)CCl4+HCl

氧化反應

點燃純淨的甲烷，在火焰的上方罩一個幹燥的燒杯，很快就可以看到有水蒸氣在燒杯壁上凝結。倒轉燒杯，加入少量澄清石灰水，振蕩，石灰水變渾濁。說明甲烷燃燒生成水和二氧化碳。把甲烷氣體收集在高玻璃筒内，直立在桌上，移去玻璃片，迅速把放有燃燒着的蠟燭的燃燒匙伸入筒内，燭火立即熄滅，但瓶口有甲烷在燃燒，發出淡藍色的火焰。這說明甲烷可以在空氣裡安靜地燃燒，但不助燃。用大試管以排水法先從氧氣貯氣瓶裡輸入氧氣 2/3 體積，然後再通入1/3 體積的甲烷。用橡皮塞塞好，取出水面。将試管颠倒數次，使氣體充分混和。用布把試管外面包好，使試管口稍微下傾，拔去塞子，迅速用燃着的小木條在試管口引火，即有尖銳的爆鳴聲發生。這個實驗雖然簡單，但也容易失敗。把玻璃導管口放出的甲烷點燃，把它放入貯滿氯氣的瓶中，甲烷将繼續燃燒，發出紅黃色的火焰，同時看到有黑煙和白霧。黑煙是炭黑，白霧是氯化氫氣體和水蒸氣形成的鹽酸霧滴。

CH4+2O2=點燃=CO2+2H2O

CH4+2Cl2=點燃=C+4HCl

加熱分解

用125毫升集氣瓶，收集一瓶純淨的甲烷。集氣瓶口配有穿過兩根粗銅電極（在瓶内約為瓶高的二分之一處）和直角玻管的橡皮塞，塞緊（如有孔隙，可塗上一薄層熔化的石蠟），并與盛有溴水的洗氣瓶連接（由于反應過程中會有一定量乙炔氣體生成）。電極通過感應圈與電源相連。實驗時，先放松導管上的夾子，接通6伏電源，銅電極間發生電火花放電，瓶壁上可以看到有炭黑産生，說明甲烷已經分解。稍等片刻，在導管的尖嘴處點火，并用于冷的燒杯罩在火焰上方，可以看到燒杯内壁變得模糊，并有水蒸氣凝結，說明有氫氣生成。

溫室效應

2018年4月2日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員，利用俄克拉何馬州南大平原觀測站十年來獲得的對地球大氣的綜合觀測數據，首次直接證明了甲烷導緻地球表面溫室效應不斷增加。n

研究人員稱，21世紀初，大氣中甲烷的濃度停滞不前，溫室效應也遵循同樣的模式；但從2007年開始，甲烷濃度開始上升的同時，其導緻的溫室效應也水漲船高。溫室氣體甲烷——由奶牛和垃圾場産生。這些溫室氣體比二氧化碳效力強得多，但在大氣中存留的時間要短得多。

來源

工業來源

工業用甲烷主要來自天然氣、烴類裂解氣、煉焦時副産的焦爐煤氣及煉油時副産的煉廠氣，煤氣化産生的煤氣也提供一定量的甲烷。

生物分解

植物和落葉都産生甲烷，而生成量随着溫度和日照的增強而增加。另外，植物産生的甲烷是腐爛植物的10到100倍。經過估算認為，植物每年産生的甲烷占到世界甲烷生成量的10%到30%。

将有機質放入沼氣池中，控制好溫度和濕度，甲烷菌迅速繁殖，将有機質分解成甲烷、二氧化碳、氫、硫化氫、一氧化碳等，其中甲烷占60%-70%。經過低溫液化，将甲烷提出，可制得廉價的甲烷。

有機物在無氧環境中，經腐敗菌分解後，再經甲烷菌作用，即有甲烷生成。如纖維素在湖沼污泥中腐敗分解生成的脂肪酸、醇，以及共存的二氧化碳和氫等，都能在甲烷菌作用下最終生成甲烷。其生成反應中較主要的有：

CH3COOH─→CH4+CO2

4CH3OH─→3CH4+CO2+2H2O

CO2+4H2─→CH4+2H2O

化學合成

将二氧化碳與氫在催化劑作用下，生成甲烷和氧，再提純。 CO2+2H2=CH4+O2

将碳蒸汽直接與氫反應，同樣可制得高純的甲烷。

無水醋酸鈉（CH3COONa）和堿石灰（NaOH和CaO做幹燥劑）反應：CH3COONa+NaOH===Na2CO3+CH4↑ 　收集：排水法或向下排空氣法。

危害

甲烷對人基本無毒，但濃度過高時，空氣中氧含量明顯降低，使人窒息。

當空氣中甲烷達25％～30％時，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共濟失調。若不及時脫離，可緻窒息死亡。

皮膚接觸液化甲烷，可緻凍傷。

危險性

易燃，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險。與五氧化溴、氯氣、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧及其他強氧化劑接觸劇烈反應。

應急處理

洩漏應急處理

迅速撤離洩漏污染區人員至上風處，并進行隔離，嚴格限制出入。切斷火源。建議應急處理人員戴自給正壓式呼吸器，穿消防防護服。盡可能切斷洩漏源。合理通風，加速擴散。噴霧狀水稀釋、溶解。構築圍堤或挖坑收容産生的大量廢水。如有可能，将漏出氣用排風機送至空曠地方或裝設适當噴頭燒掉。也可以将漏氣的容器移至空曠處，注意通風。漏氣容器要妥善處理，修複、檢驗後再用。

防護措施

呼吸系統防護：一般不需要特殊防護，但建議特殊情況下，佩帶自吸過濾式防毒面具(半面罩)。

眼睛防護：一般不需要特别防護，高濃度接觸時可戴安全防護眼鏡。

身體防護：穿防靜電工作服。

手防護：戴一般作業防護手套。

其他：工作現場嚴禁吸煙。避免長期反複接觸。進入罐、限制性空間或其它高濃度區作業，須有人監護。

急救措施

皮膚接觸：若有凍傷，就醫治療。

吸入：迅速脫離現場至空氣新鮮處。保持呼吸道通暢。如呼吸困難，給輸氧。如呼吸停止，立即進行人工呼吸。就醫。

滅火方法：切斷氣源。若不能立即切斷氣源，則不允許熄滅正在燃燒的氣體。噴水冷卻容器，可能的話将容器從火場移至空曠處。滅火劑：霧狀水、泡沫、二氧化碳、幹粉。

用途

用作燃料

以甲烷為主要成分的天然氣，用作優質氣體燃料，已有悠久的曆史。現代化的勘探、采輸技術促進了天然氣的大規模利用，使之成為世界第三能源。發達國家已大規模鋪設天然氣輸氣管網，将天然氣用作城市煤氣。天然氣加壓液化所得的液化天然氣，熱值比航空煤油高15％，用于汽車、海上快艇和超音速飛機，不但能提高速度，而且可節省燃料消耗。