甲烷

甲烷

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中文名： 甲烷 别称 ： 碳烷（英语：Carbane）、 碳化氢 相对分子质量： 16.04276 摩尔质量： 16.04 g•mol−1 结构简式：CH4 气味： 无味 熔点：-182 °C（90.7 K） 密度： 0.42(-164℃）（标准情况）0.717g/L 化学品类别：有机物-烷烃 外观： 无色气体 水溶性： 难（常温常压0.03） 分子构型： 正四面体

   甲烷是最简单的有机物，在自然界的分布很广，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。也是含碳量最小（含氢量最大）的烃，也是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用来作为燃料及制造氢气、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。
   2018年4月2日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员首次直接证明了甲烷导致地球表面温室效应不断增加。

目录

简介

   甲烷，化学式CH4，是最简单的烃，由一个碳和四个氢原子通过sp3杂化的方式组成，因此甲烷分子的结构为正四面体结构，四个键的键长相同键角相等。在标准状态下甲烷是一无色无味气体。一些有机物在缺氧情况下分解时所产生的沼气其实就是甲烷。从理论上说，甲烷的键线式可以表示为一个点“•”，但实际并没有看到过有这种用法，可能原因是“•”号同时可以表示电子。
   甲烷主要是作为燃料，如天然气和煤气，广泛应用于民用和工业中。作为化工原料，可以用来生产乙炔 、碳黑、氢气、合成氨、一氯甲烷、硝氯基甲烷、二硫化碳、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氢氰酸等。

含量分布

   天王星的大气层也存在甲烷和氢气。据德国核物理研究所的科学家经过试验发现，植物和落叶都产生甲烷，植物产生的甲烷是腐烂植物的10到100倍。他们经过估算认为，植物每年产生的甲烷占到世界甲烷生成量的10%到30%。行星中发现甲烷据国外媒体报道，美国天文学家19日宣布，他们首次在太阳系外一颗行星的大气中发现了甲烷，这是科学家首次在太阳系外行星探测到有机分子，从而增加了确认 太阳系外存在生命的希望。该小组还证实了先前的猜测，即这颗名叫HD 189733b的行星的大气中有水。 甲烷是创造适合生命存在的条件中，扮演重要角色的有机分子。美国宇航局喷气推进实验室的天文学家，利用绕轨运行的“哈勃”太空望远镜得到了一张行星大气的红外线分光镜图谱，并发现了其中的甲烷痕迹。
   行星HD 189733b位于狐狸座，距地球63光年，是一类叫做“热木星”大行星，其表面灼热，不可能存在液态水。HD 189733b围绕其恒星转一圈只需两天。由于距离恒星太近，这颗行星表面温度高达900℃（1650华氏度），足以把银子熔化。

不过，值得注意的是探测到甲烷。这种方法可以沿用到环绕所谓的“可居住区” (Goldilocks Zone）中温度较低的恒星运转的其它行星，“可居住区”不冷也不热，正好适合孕育生命。

化学性质与反应

   通常情况下，甲烷比较稳定，与高锰酸钾等强氧化剂不反应，与强酸、强碱也不反应。但是在特定条件下，甲烷也会发生某些反应。

取代反应

   甲烷的卤化中，主要有氯化、溴化。甲烷与氟反应是大量放热的，一旦发生反应，大量的热难以移走，破坏生成的氟甲烷，只得到碳和氟化氢。因此直接的氟化反应难以实现，需用稀有气体稀释。碘与甲烷反应需要较高的活化能，反应难以进行。因此，碘不能直接与甲烷发生取代反应生成碘甲烷。但它的逆反应却很容易进行。
   以氯化为例：可以看到试管内氯气的黄绿色气体逐渐变淡，有白雾生成，试管内壁上有油状液滴生成，这是甲烷和氯气反应的所生成的一氯甲烷、二氯甲烷、氯仿（或三氯甲烷）、四氯化碳（或四氯甲烷）、氯化氢和少量的乙烷（杂质）的混合物。
   CH4+Cl2→（光照）CH3Cl（气体）+HCl
   CH3Cl+Cl2→（光照）CH2Cl2（油状物）+HCl
   CH2Cl2+Cl2→（光照）CHCl3（油状物）+HCl
   CHCl3+Cl2→（光照）CCl4（油状物）+HCl
   试管中液面上升，食盐水中白色晶体析出，这是反应中生成的氯化氢溶于水的缘故。因为氯化氢极易溶于水，溶于水后增加了水中氯离子的浓度，使氯化钠晶体析出。用大拇指按住试管管口，提出液面，管口向上，向试管中滴入紫色石蕊试液或锌粒，  可验证它是稀盐酸。
   如果控制氯的用量，用大量甲烷，主要得到氯甲烷；如用大量氯气，主要得到四氯化碳。工业上通过精馏，使混合物一一分开。以上几个氯化产物，均是重要的溶剂与试剂。
   特点：①在室温暗处不发生反应；
   ②用光引发反应，吸收一个光子就能产生几千个氯甲烷分子；
   ③髙于250℃发生反应；
   ④在室温有光作用下能发生反应；
   ⑤如有氧或有一些能捕捉自由基的杂质存在，反应有一个诱导期，诱导期时间长短与存在这些杂质多 少有关。
   根据上述事实的特点可以判断，甲烷的氯化是一个自由基型的取代反应

氧化反应

   甲烷最基本的氧化反应就是燃烧：
   CH4+2O2→CO2+2H2O
   甲烷的含氢量在所有烃中是最高的，达到了25%，因此相同质量的气态烃完全燃烧，甲烷的耗氧量最高。
   点燃纯净的甲烷，在火焰的上方罩一个干燥的烧杯，很快就可以看到有水蒸气在烧杯壁上凝结。倒转烧杯，加入少量澄清石灰水，振荡，石灰水变浑浊。说明甲烷燃烧生成水和二氧化碳。把甲烷气体收集在高玻璃筒内，直立在桌上，移去玻璃片，迅速把放有燃烧着的蜡烛的燃烧匙伸入筒内，烛火立即熄灭，但瓶口有甲烷在燃烧，发出淡蓝色的火焰。这说明甲烷可以在空气里安静地燃烧，但不助燃。用大试管以排水法先从氧气贮气瓶里输入氧气 2/3 体积，然后再通入1/3 体积的甲烷。用橡皮塞塞好，取出水面。将试管颠倒数次，使气体充分混和。用布把试管外面包好，使试管口稍微下倾，拔去塞子，迅速用燃着的小木条在试管口引火，即有尖锐的爆鸣声发生。这个实验虽然简单，但也容易失败。把玻璃导管口放出的甲烷点燃，把它放入贮满氯气的瓶中，甲烷将继续燃烧，发出红黄色的火焰，同时看到有黑烟和白雾。黑烟是炭黑，白雾是氯化氢气体和水蒸气形成的盐酸雾滴。

加热分解

   在隔绝空气并加热至1000℃的条件下，甲烷分解生成炭黑和氢气
   CH4=（1000℃）=C+2H2
   氢气是合成氨及汽油等工业的原料；炭黑是橡胶工业的原料

形成水合物

   甲烷可以形成笼状的水合物，甲烷被包裹在“笼”里。也就是我们常说的可燃冰。它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、PH值等）下由水和天然气在中高压和低温条件下混合时组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物（碳的电负性较大，在高压下能吸引与之相近的氢原子形成氢键，构成笼状结构）。它可用mCH4•nH2O来表示，m代表水合物中的气体分子，n为水合指数。
   可燃冰主要储存于海底或寒冷地区的永久冻土带，比较难以寻找和勘探。新研制的灵敏度极高的仪器，可以实地即时测出海底土壤、岩石中各种超微量甲烷、乙烷、丙烷及氢气的精确含量，由此判断出可燃冰资源存在与否和资源量等各种指标。
   甲烷含量超过99%的天然气水合物又称为甲烷水合物。

主要应用

   甲烷是一种很重要的燃料，是天然气的主要成分，约占87%。在标准压力的室温环境中，甲烷无色、无味；家用天然气的特殊味道，是为了安全而添加的人工气味，通常是使用甲硫醇或乙硫醇。中国国家标准规定，甲烷气瓶为棕色，白字。
   甲烷高温分解可得炭黑，用作颜料、油墨、油漆以及橡胶的添加剂等；氯仿和CCl4都是重要的溶剂。甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、坑气的主要成分之一。它可用作燃料及制造氢、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。甲烷用作热水器、燃气炉热值测试标准燃料。生产可燃气体报警器的标准气，校正气。还可用作太阳能电池，非晶硅膜气相化学沉积的碳源。以及甲烷用作医药化工合成的生产原料。  
   除作燃料外,大量用于合成氨、尿素和炭黑,还可用于生产甲醇、氢、乙炔、乙烯、甲醛、二硫化碳、硝基甲烷、氢氰酸和1,4-丁二醇等。甲烷氯化可得一、二、三氯甲烷及四氯化碳。