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甲烷
最簡(jiǎn)單的有機物
基本信息
| 中文名 | 甲烷 |
| 摩爾質(zhì)量 | 16.043 g/mol |
| 化學(xué)式 | CH? |
| 熔點(diǎn) | -182.5 ℃ |
| 沸點(diǎn) | -161.5 ℃ |
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概述
甲烷，化學(xué)式CH4，是最簡(jiǎn)單的烴，由一個(gè)碳和四個(gè)氫原子通過(guò)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(gè)鍵的鍵長(cháng)相同鍵角相等。在標準狀態(tài)下甲烷是一無(wú)色無(wú)味氣體。一些有機物在缺氧情況下分解時(shí)所產(chǎn)生的沼氣其實(shí)就是甲烷。從理論上說(shuō)，甲烷的鍵線(xiàn)式可以表示為一個(gè)點(diǎn)“·”，但實(shí)際并沒(méi)有看到過(guò)有這種用法，可能原因是“·”號同時(shí)可以表示電子。所以在中學(xué)階段把甲烷視為沒(méi)有鍵線(xiàn)式。
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(xué)家經(jīng)過(guò)試驗發(fā)現，植物和落葉都產(chǎn)生甲烷，而生成量隨著(zhù)溫度和日照的增強而增加。另外，植物產(chǎn)生的甲烷是腐爛植物的10到100倍。他們經(jīng)過(guò)估算認為，植物每年產(chǎn)生的甲烷占到世界甲烷生成量的10%到30%。
行星中發(fā)現甲烷據國外媒體報道，美國天文學(xué)家19日宣布，他們首次在太陽(yáng)系外一顆行星的大氣中發(fā)現了甲烷，這是科學(xué)家首次在太陽(yáng)系外行星探測到有機分子，從而增加了確認 太陽(yáng)系外存在生命的希望。該小組還證實(shí)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(chuàng )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(jìn)實(shí)驗室的天文學(xué)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(xiàn)分光鏡圖譜，并發(fā)現了其中的甲烷痕跡。
行星HD 189733b位于狐貍座，距地球63光年，是一類(lèi)叫做“熱木星”大行星，其表面灼熱，不可能存在液態(tài)水。HD 189733b圍繞其恒星轉一圈只需兩天。由于距離恒星太近，這顆行星表面溫度高達900℃（1650華氏度），足以把銀熔化。
系外行星HD 189733b與其環(huán)繞的恒星模擬圖
物理性質(zhì)
顏色 | 無(wú)色 |
氣味 | 無(wú)味 |
熔點(diǎn) | -182.5℃ |
沸點(diǎn) | -161.5℃ |
溶解度（常溫常壓） | 0.03 |
分子結構 | 正四面體形非極性分子 |
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化學(xué)性質(zhì)
取代反應
甲烷[最簡(jiǎn)單的有機物]
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(zhì)）的混合物。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于水的緣故。因為氯化氫極易溶于水，溶于水后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。
CH4 + Cl2 →（光照）CH3Cl（氣體）+ HCl
CHCl3 + Cl2 →（光照）CCl4（油狀物）+ HCl
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(yè)上通過(guò)精餾，使混合物一一分開(kāi)。以上幾個(gè)氯化產(chǎn)物，均是重要的溶劑與試劑。
特點(diǎn)：
①在室溫暗處不發(fā)生反應；
②髙于250℃發(fā)生反應；
③在室溫有光作用下能發(fā)生反應；
根據上述事實(shí)的特點(diǎn)可以判斷，甲烷的氯化是一個(gè)自由基型的取代反應。如圖。
氧化反應
甲烷最基本的氧化反應就是燃燒：
點(diǎn)燃純凈的甲烷，在火焰的上方罩一個(gè)干燥的燒杯，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(shuō)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，迅速把放有燃燒著(zhù)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(fā)出淡藍色的火焰。這說(shuō)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，然后再通入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，迅速用燃著(zhù)的小木條在試管口引火，即有尖銳的爆鳴聲發(fā)生。這個(gè)實(shí)驗雖然簡(jiǎn)單，但也容易失敗。把玻璃導管口放出的甲烷點(diǎn)燃，把它放入貯滿(mǎn)氯氣的瓶中，甲烷將繼續燃燒，發(fā)出紅黃色的火焰，同時(shí)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
在隔絕空氣并加熱至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(yè)的原料；炭黑是橡膠工業(yè)的原料
形成水合物
甲烷[最簡(jiǎn)單的有機物]
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。新研制的靈敏度極高的儀器，可以實(shí)地即時(shí)測出海底土壤、巖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。
制備方法
甲烷是一種可燃性氣體，而且可以人工制造，所以，在石油用完之后，甲烷將會(huì )成為重要的能源。
它主要的來(lái)源有：
1.有機廢物的分解。
- 天然源頭（如沼澤）：23%。
- 動(dòng)物（如牛）的消化過(guò)程：17%。
- 稻田之中的細菌：12%。
- 生物物質(zhì)缺氧加熱或燃燒。
甲烷人工制法主要有以下幾種：
合成法
將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 將碳蒸汽直接與氫反應，同樣可制得高純的甲烷。
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(huán)境中，甲烷無(wú)色、無(wú)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。在一大氣壓力的環(huán)境中，甲烷的沸點(diǎn)是?161 °C。空氣中的瓦斯含量只要超過(guò)5%～15%就十分易燃。液化的甲烷不會(huì )燃燒，除非在高壓的環(huán)境中（通常是4～5大氣壓力）。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。它可用作燃料及制造氫、一氧化碳、炭黑、乙炔、氫氰酸及甲醛等物質(zhì)的原料。甲烷用作熱水器、燃氣爐熱值測試標準燃料。生產(chǎn)可燃氣體報警器的標準氣，校正氣。還可用作太陽(yáng)能電池，非晶硅膜氣相化學(xué)沉積的碳源。以及甲烷用作醫藥化工合成的生產(chǎn)原料。
轉化途徑
2018年7月，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院左智偉團隊找到了一個(gè)低成本、高效率的催化劑組合，室溫條件下，就可實(shí)現甲烷轉化。這為甲烷轉化為火箭推進(jìn)劑燃料等高附加值化工產(chǎn)品提供了新方案，為我國高效利用特有稀土金屬資源提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。
溫室效應
2018年4月2日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室的研究人員，利用俄克拉何馬州南大平原觀(guān)測站十年來(lái)獲得的對地球大氣的綜合觀(guān)測數據，首次直接證明了甲烷導致地球表面溫室效應不斷增加。
研究人員稱(chēng)，21世紀初，大氣中甲烷的濃度停滯不前，溫室效應也遵循同樣的模式；但從2007年開(kāi)始，甲烷濃度開(kāi)始上升的同時(shí)，其導致的溫室效應也水漲船高。
安全性
毒理學(xué)資料
毒性：急性中毒，甲烷毒性甚低，接觸高濃度甲烷時(shí)引起的“甲烷中毒”，實(shí)際上是因空氣氧含量相對降低造成的缺氧窒息。允許氣體安全地擴散到大氣中或當作燃料使用。有單純性窒息作用，在高濃度時(shí)因缺氧窒息而引起中毒。
急性毒性：小鼠吸入2%濃度×60分鐘，麻醉作用；兔吸入2%濃度×60分鐘，麻醉作用。本品只有在極高濃度時(shí)由于空氣被置換，氧分壓降低而產(chǎn)生窒息。空氣中甲烷濃度87%使小鼠窒息，90%時(shí)呼吸停止。甲烷80%和氧20%的混合氣體，能引起人頭痛。當空氣中甲烷達25%～30%時(shí)，人出現窒息前癥狀，如頭暈、呼吸加速、心率增加、注意力不集中、乏力、共濟失調，運動(dòng)失調、甚至窒息。皮膚接觸液化的甲烷可引起凍傷，甲烷主要通過(guò)呼吸道進(jìn)入體內，大部分以原形呼出，少量在體內可氧化為二氧化碳和水。因其與蛋白質(zhì)結合的能力極低，故麻醉作用相當弱。
如濃度很高，患者可迅速死亡。曾有觀(guān)察發(fā)現甲烷中毒患者均有不同程度的中毒性腦病，中毒嚴重的患者可能有神經(jīng)系統后遺癥。煤礦生產(chǎn)中甲烷的最大危害在于與空氣混合后起火爆炸。
皮膚接觸液體甲烷時(shí)，因其迅速揮發(fā)，可造成凍傷。
慢性中毒 目前尚無(wú)慢性甲烷中毒方面的臨床資料。
診斷與鑒別診斷 根據現場(chǎng)存在高濃度甲烷，患者出現明顯缺氧窒息的臨床表現，與其他類(lèi)似的氣體中毒或疾病鑒別后，可診斷為急性甲烷中毒。
真正的急性甲烷中毒較少，診斷時(shí)尤需注意和其他氣體中毒相鑒別。
急救與治療 急性甲烷中毒無(wú)特效解毒藥，可按缺氧的處理原則進(jìn)行對癥治療，如立即將患者移至空氣新鮮處、平臥、保暖、保持呼吸道通暢和吸氧等。嗎啡和巴比妥類(lèi)藥物有抑制呼吸作用，應忌用。呼吸、心跳停止時(shí)需立即進(jìn)行心肺腦復蘇，注意防治可能出現的腦水腫，必要時(shí)作高壓氧治療。
液化甲烷污染皮膚時(shí)可造成凍傷，若凍傷處皮膚仍未解凍，可用42℃左右溫水浸洗，并按外科原則處理。
燃燒（分解）產(chǎn)物：碳（極不完全燃燒）、一氧化碳（不完全燃燒，有害）、二氧化碳和水（完全燃燒）。
注意事項
運輸
危險貨物編號：21007
UN編號：1971：
包裝類(lèi)別：O52
包裝方法：鋼質(zhì)氣瓶。
儲存
儲存于陰涼、通風(fēng)的庫房。遠離火種、熱源。庫溫不宜超過(guò)30℃。應與氧化劑等分開(kāi)存放，切忌混儲。采用防爆型照明、通風(fēng)設施。禁止使用易產(chǎn)生火花的機械設備和工具。儲區應備有泄漏應急處理設備。
工程控制：生產(chǎn)過(guò)程密閉，全面通風(fēng)。
其它有害作用：該物質(zhì)對環(huán)境可能有危害，對魚(yú)類(lèi)和水體要給予特別注意。還應特別注意對地表水、土壤、大氣和飲用水的污染。
操作
密閉操作，全面通風(fēng)。操作人員必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓，嚴格遵守操作規程。遠離火種、熱源，工作場(chǎng)所嚴禁吸煙。使用防爆型的通風(fēng)系統和設備。防止氣體泄漏到工作場(chǎng)所空氣中。避免與氧化劑接觸。在傳送過(guò)程中，鋼瓶和容器必須接地和跨接，防止產(chǎn)生靜電。搬運時(shí)輕裝輕卸，防止鋼瓶及附件破損。配備相應品種和數量的消防器材及泄漏應急處理設備。
身體保護
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(guò)濾式防毒面具（半面罩）。
眼睛防護：一般不需要特別防護，高濃度接觸時(shí)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(yè)防護手套。
其它：工作現場(chǎng)嚴禁吸煙。避免長(cháng)期反復接觸。進(jìn)入罐、限制性空間或其它高濃度區作業(yè)，須有人監護。
急救措施
皮膚接觸或眼睛接觸：皮膚或眼睛接觸液態(tài)甲烷會(huì )凍傷，應及時(shí)就醫。
吸入：迅速脫離現場(chǎng)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(jìn)行人工呼吸。就醫。
滅火劑：霧狀水、泡沫、二氧化碳、干粉。
廢棄
處置前應參閱國家和地方有關(guān)法規。建議用焚燒法處置。
法規
化學(xué)危險物品安全管理條例（1987年2月17日國務(wù)院發(fā)布），化學(xué)危險物品安全管理條例實(shí)施細則（化勞發(fā)[1992]677號），工作場(chǎng)所安全使用化學(xué)品規定（[1996]勞部發(fā)423號）等法規，針對化學(xué)危險品的安全使用、生產(chǎn)、儲存、運輸、裝卸等方面均作了相應規定；常用危險化學(xué)品的分類(lèi)及標志（GB13690-92）將該物質(zhì)劃為第2.1類(lèi)易燃氣體。
相關(guān)報道
2022年10月25日，據郵電設計技術(shù)消息，美國宇航局一種主要用于推進(jìn)大氣塵埃及其對氣候變化影響研究的軌道儀器，已被證明能熟練地完成另一項地球科學(xué)的關(guān)鍵功能——探測全球范圍內大量排放的甲烷，一種強有力的溫室氣體。
當地時(shí)間2022年11月11日，美國國務(wù)院發(fā)表聲明稱(chēng)，美國、歐盟、日本、加拿大、挪威、新加坡和英國發(fā)布聯(lián)合聲明，應對氣候和能源安全。聲明稱(chēng)，各國將采取措施，實(shí)現大幅減少化石燃料能源價(jià)值鏈中的甲烷、二氧化碳和其他溫室氣體的排放，到2030年將甲烷排放量從2020年的水平削減30%。
當地時(shí)間2022年12月19日，據環(huán)球網(wǎng)消息，歐盟理事會(huì )就跟蹤和減少各國能源部門(mén)甲烷排放的提案達成一致。理事會(huì )還將與議會(huì )進(jìn)行談判，以就最終文本達成一致。
2023年，日本筑波大學(xué)和九州大學(xué)聯(lián)合發(fā)布新聞公報說(shuō)，雙方合作研發(fā)出一種新的鐵絡(luò )合物催化劑，利用這種催化劑能將水溶液中的甲烷直接轉化成甲醇。
參考資料
[1]
我國科學(xué)家找到室溫條件下轉化甲烷新途徑2018-07-28T13:53:00+08:00[引用日期2022-06-10 18:30:49]
[2]
甲烷觀(guān)測：千萬(wàn)里，追尋著(zhù)你丨大氣悟理2020-05-26T10:12:41+08:00[引用日期2022-06-10 18:31:08]
[3]
科學(xué)家成功追蹤重要溫室氣體甲烷“行蹤”熱帶貢獻超80%2022-03-17T10:08:40+08:00[引用日期2022-06-10 19:31:27]
[4]
甲烷的解釋|甲烷的意思|漢典“甲烷”詞語(yǔ)的解釋[引用日期2022-06-10 19:31:53]
[5]
甲烷觀(guān)測：千萬(wàn)里，追尋著(zhù)你丨大氣悟理2020-05-26T10:12:41+08:00[引用日期2022-06-10 19:33:13]
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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