甲烷

甲烷

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中文名： 甲烷 別稱 ： 碳烷（英語：Carbane）、 碳化氫 相對分子質量： 16.04276 摩爾質量： 16.04 g•mol−1 結構簡式：CH4 氣味： 無味 熔點：-182 °C（90.7 K） 密度： 0.42(-164℃）（標準情況）0.717g/L 化學品類別：有機物-烷烴 外觀： 無色氣體 水溶性： 難（常溫常壓0.03） 分子構型： 正四面體

甲烷是最簡單的有機物，在自然界的分布很廣，是天然氣，沼氣，坑氣等的主要成分，俗稱瓦斯。也是含碳量最小（含氫量最大）的烴，也是天然氣、沼氣、油田氣及煤礦坑道氣的主要成分。它可用來作為燃料及製造氫氣、一氧化碳、炭黑、乙炔、氫氰酸及甲醛等物質的原料。 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首次直接證明了甲烷導致地球表面溫室效應不斷增加。

目錄

簡介

甲烷，化學式CH4，是最簡單的烴，由一個碳和四個氫原子通過sp3雜化的方式組成，因此甲烷分子的結構為正四面體結構，四個鍵的鍵長相同鍵角相等。在標準狀態下甲烷是一無色無味氣體。一些有機物在缺氧情況下分解時所產生的沼氣其實就是甲烷。從理論上說，甲烷的鍵線式可以表示為一個點「•」，但實際並沒有看到過有這種用法，可能原因是「•」號同時可以表示電子。 甲烷主要是作為燃料，如天然氣和煤氣，廣泛應用於民用和工業中。作為化工原料，可以用來生產乙炔 、碳黑、氫氣、合成氨、一氯甲烷、硝氯基甲烷、二硫化碳、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氫氰酸等。

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，植物和落葉都產生甲烷，植物產生的甲烷是腐爛植物的10到100倍。他們經過估算認為，植物每年產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，從而增加了確認 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。 甲烷是創造適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，並發現了其中的甲烷痕跡。 行星HD 189733b位於狐狸座，距地球63光年，是一類叫做「熱木星」大行星，其表面灼熱，不可能存在液態水。HD 189733b圍繞其恆星轉一圈只需兩天。由於距離恆星太近，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）中溫度較低的恆星運轉的其它行星，「可居住區」不冷也不熱，正好適合孕育生命。

化學性質與反應

通常情況下，甲烷比較穩定，與高錳酸鉀等強氧化劑不反應，與強酸、強鹼也不反應。但是在特定條件下，甲烷也會發生某些反應。

取代反應

甲烷的鹵化中，主要有氯化、溴化。甲烷與氟反應是大量放熱的，一旦發生反應，大量的熱難以移走，破壞生成的氟甲烷，只得到碳和氟化氫。因此直接的氟化反應難以實現，需用稀有氣體稀釋。碘與甲烷反應需要較高的活化能，反應難以進行。因此，碘不能直接與甲烷發生取代反應生成碘甲烷。但它的逆反應卻很容易進行。 以氯化為例：可以看到試管內氯氣的黃綠色氣體逐漸變淡，有白霧生成，試管內壁上有油狀液滴生成，這是甲烷和氯氣反應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）、氯化氫和少量的乙烷（雜質）的混合物。 CH4+Cl2→（光照）CH3Cl（氣體）+HCl CH3Cl+Cl2→（光照）CH2Cl2（油狀物）+HCl CH2Cl2+Cl2→（光照）CHCl3（油狀物）+HCl CHCl3+Cl2→（光照）CCl4（油狀物）+HCl 試管中液面上升，食鹽水中白色晶體析出，這是反應中生成的氯化氫溶於水的緣故。因為氯化氫極易溶於水，溶於水後增加了水中氯離子的濃度，使氯化鈉晶體析出。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。 如果控制氯的用量，用大量甲烷，主要得到氯甲烷；如用大量氯氣，主要得到四氯化碳。工業上通過精餾，使混合物一一分開。以上幾個氯化產物，均是重要的溶劑與試劑。 特點：①在室溫暗處不發生反應； ②用光引發反應，吸收一個光子就能產生幾千個氯甲烷分子； ③髙於250℃發生反應； ④在室溫有光作用下能發生反應； ⑤如有氧或有一些能捕捉自由基的雜質存在，反應有一個誘導期，誘導期時間長短與存在這些雜質多 少有關。 根據上述事實的特點可以判斷，甲烷的氯化是一個自由基型的取代反應

氧化反應

甲烷最基本的氧化反應就是燃燒： CH4+2O2→CO2+2H2O 甲烷的含氫量在所有烴中是最高的，達到了25%，因此相同質量的氣態烴完全燃燒，甲烷的耗氧量最高。 點燃純淨的甲烷，在火焰的上方罩一個乾燥的燒杯，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，振盪，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內，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內，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里安靜地燃燒，但不助燃。用大試管以排水法先從氧氣貯氣瓶里輸入氧氣 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。將試管顛倒數次，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，甲烷將繼續燃燒，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。

加熱分解

在隔絕空氣並加熱至1000℃的條件下，甲烷分解生成炭黑和氫氣 CH4=（1000℃）=C+2H2 氫氣是合成氨及汽油等工業的原料；炭黑是橡膠工業的原料

形成水合物

甲烷可以形成籠狀的水合物，甲烷被包裹在「籠」里。也就是我們常說的可燃冰。它是在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、PH值等）下由水和天然氣在中高壓和低溫條件下混合時組成的類冰的、非化學計量的、籠形結晶化合物（碳的電負性較大，在高壓下能吸引與之相近的氫原子形成氫鍵，構成籠狀結構）。它可用mCH4•nH2O來表示，m代表水合物中的氣體分子，n為水合指數。 可燃冰主要儲存于海底或寒冷地區的永久凍土帶，比較難以尋找和勘探。新研製的靈敏度極高的儀器，可以實地即時測出海底土壤、岩石中各種超微量甲烷、乙烷、丙烷及氫氣的精確含量，由此判斷出可燃冰資源存在與否和資源量等各種指標。 甲烷含量超過99%的天然氣水合物又稱為甲烷水合物。

主要應用

甲烷是一種很重要的燃料，是天然氣的主要成分，約占87%。在標準壓力的室溫環境中，甲烷無色、無味；家用天然氣的特殊味道，是為了安全而添加的人工氣味，通常是使用甲硫醇或乙硫醇。中國國家標準規定，甲烷氣瓶為棕色，白字。 甲烷高溫分解可得炭黑，用作顏料、油墨、油漆以及橡膠的添加劑等；氯仿和CCl4都是重要的溶劑。甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、坑氣的主要成分之一。它可用作燃料及製造氫、一氧化碳、炭黑、乙炔、氫氰酸及甲醛等物質的原料。甲烷用作熱水器、燃氣爐熱值測試標準燃料。生產可燃氣體報警器的標準氣，校正氣。還可用作太陽能電池，非晶硅膜氣相化學沉積的碳源。以及甲烷用作醫藥化工合成的生產原料。 除作燃料外,大量用於合成氨、尿素和炭黑,還可用於生產甲醇、氫、乙炔、乙烯、甲醛、二硫化碳、硝基甲烷、氫氰酸和1,4-丁二醇等。甲烷氯化可得一、二、三氯甲烷及四氯化碳。