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  • 甲烷

    甲烷是结构最简单的碳氢化合物。广泛存在于天然气沼气、煤矿坑井气之中,是优质气体燃料,也是制造合成气和许多化工产品的重要原料。从分子的层面上来说,甲烷是一种比二氧化碳更加活跃的温室气体,但它在大气中数量较少。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名称: 甲烷 化学式: CH4
    IUPAC名: methane CAS号: 74-82-8
    SMILES: c 摩尔质量: 16.0425 g·mol−1
    外观: 无色气体 密度: 0.717 kg/m3 (气)
    熔点: -182.5 °C(91 K) 沸点: -161.6
    溶解度(水): 3.5 mg/100 mL (17 °C) 主要危害: 易燃易爆
    闪点: -188 缩写: CH4
    • 菠菜菠菜2012年8月,一项最先的研究表明,可能以古老森林遗迹为食的微生物或许正在南极洲冰层深处产生数十亿吨的甲烷气体。研究人员在《自然》杂志发表的一篇论文中发出警告,如果冰原倒塌的话温室气体就能够释放到大气当中并且显著恶化全球变暖问题。

    目录

    简介/甲烷 编辑

    甲烷分子结构示意图甲烷分子结构示意图

    甲烷,化学式CH4,是最简单的(tīng,碳氢化合物),分子是正四面体空间构型,C—H键能413kJ/mol,H—C—H键角109°28′。甲烷的结构式只是表示分子里各原子的连接情况,并不能真实表示各原子的空间相对位置。

    在标准状态下甲烷是一种无色、可燃、无毒的气体。甲烷在自然界分布很广,是天然气沼气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作燃料及制造氢、一氧化碳炭黑乙炔氢氰酸甲醛等物质的原料。

    含量分布/甲烷 编辑

    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,而生成量随着温度和日照的增强而增加。另外,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

    物理性质/甲烷 编辑

    蒸汽压53.32kPa/-168.8℃   

    甲烷分子结构图甲烷分子结构图[1]

    饱和蒸气压(kPa):53.32(-168.8℃) 

    相对蒸气密度(空气=1):0.55   

    燃烧热:890.31KJ/mol   

    总发热量:55900kJ/kg(40020kJ/m3)   

    净热值:50200kJ/kg(35900kJ/m3)   

    临界温度(℃):-82.6   

    临界压力(MPa):4.59   

    爆炸上限%(V/V):15   

    爆炸下限%(V/V):5.3     

    引燃温度(℃):538   

    分子直径:0.414nm

    化学性质/甲烷 编辑

    甲烷化学性质比较稳定,把制得的甲烷气体通入盛有高锰酸钾溶液(加几滴稀硫酸)的试管里,没有变化。再把甲烷气体通入溴水,溴水不褪色。

    取代反应

    把一个大试管分成五等份,或用一支有刻度的量气管,用排饱和食盐水法先收集1/5体积的甲烷,再收集4/5体积的氯气,把它固定在铁架台的铁夹上,并让管口浸没的食盐水里。然后让装置受漫射光照射。在阳光好的日子,约半小时后可以看到试管内氯气的黄绿色逐渐变淡,管壁上出现油状物,这是甲烷和氯气反应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。试管中液面上升,这是反应中生成的氯化氢溶于水的缘故。食盐水中白色晶体析出。因为氯气极易溶于水,溶于水后增加了水中氯离子的浓度,是氯化钠晶体析出。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。如果在阴暗的天气需1到2小时才能观察到反应的结果。   

    CH4+Cl2→(光照)CH3Cl+HCl   

    CH3Cl+Cl2→(光照)CH2Cl2+HCl   

    CH2Cl2+Cl2→(光照)CHCl3+HCl   

    CHCl3+Cl2→(光照)CCl4+HCl

    氧化反应

    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。   

    CH4+2O2=点燃=CO2+2H2O   

    CH4+2Cl2=点燃=C+4HCl

    加热分解

    用125毫升集气瓶,收集一瓶纯净的甲烷。集气瓶口配有穿过两根粗铜电极(在瓶内约为瓶高的二分之一处)和直角玻管的橡皮塞,塞紧(如有孔隙,可涂上一薄层熔化的石蜡),并与盛有溴水的洗气瓶连接(由于反应过程中会有一定量乙炔气体生成)。电极通过感应圈与电源相连。实验时,先放松导管上的夹子,接通6伏电源,铜电极间发生电火花放电,瓶壁上可以看到有炭黑产生,说明甲烷已经分解。稍等片刻,在导管的尖嘴处点火,并用于冷的烧杯罩在火焰上方,可以看到烧杯内壁变得模糊,并有水蒸气凝结,说明有氢气生成。[2]

    来源/甲烷 编辑

    甲烷甲烷

    工业来源

    工业用甲烷主要来自天然气、烃类裂解气、炼焦时副产的焦炉煤气及炼油时副产的炼厂气,煤气化产生的煤气也提供一定量的甲烷。

    生物分解

    植物和落叶都产生甲烷,而生成量随着温度和日照的增强而增加。另外,植物产生的甲烷是腐烂植物的10到100倍。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%。[3]

    有机物在无氧环境中,经腐败菌分解后,再经甲烷菌作用,即有甲烷生成。如纤维素在湖沼污泥中腐败分解生成的脂肪酸、醇,以及共存的二氧化碳和氢等,都能在甲烷菌作用下最终生成甲烷。其生成反应中较主要的有:  

    CH3COOH─→CH4+CO2

             4CH3OH─→3CH4+CO2+2H2O

    CO2+4H2─→CH4+2H2O

    化学合成

    二氧化碳与氢在催化剂作用下,生成甲烷和氧,再提纯。 CO2+2H2=CH4+O2   

    将碳蒸汽直接与氢反应,同样可制得高纯的甲烷。   

    无水醋酸钠(CH3COONa)和碱石灰(NaOH和CaO做干燥剂) 反应:CH3COONa+NaOH===Na2CO3+CH4↑  收集: 排水法或向下排空气法

    危害/甲烷 编辑

    甲烷对人基本无毒,但浓度过高时,空气中氧含量明显降低,使人窒息。

    当空气中甲烷达25%~30%时,可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时脱离,可致窒息死亡。

    皮肤接触液化甲烷,可致冻伤。

    危险性/甲烷 编辑

    易燃,与空气混合能形成爆炸性混合物,遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与五氧化溴、氯气次氯酸三氟化氮、液氧、二氟化氧及其他强氧化剂接触剧烈反应。[4]

    应急处理/甲烷 编辑

    泄漏应急处理

    迅速撤离泄漏污染区人员至上风处,并进行隔离,严格限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器,穿消防防护服。尽可能切断泄漏源。合理通风,加速扩散。喷雾状水稀释、溶解。构筑围堤或挖坑收容产生的大量废水。如有可能,将漏出气用排风机送至空旷地方或装设适当喷头烧掉。也可以将漏气的容器移至空旷处,注意通风。漏气容器要妥善处理,修复、检验后再用。

    防护措施

    呼吸系统防护:一般不需要特殊防护,但建议特殊情况下,佩带自吸过滤式防毒面具(半面罩)。

    眼睛防护:一般不需要特别防护,高浓度接触时可戴安全防护眼镜。

    身体防护:穿防静电工作服。

    手防护:戴一般作业防护手套。

    其他:工作现场严禁吸烟。避免长期反复接触。进入罐、限制性空间或其它高浓度区作业,须有人监护

    急救措施

    皮肤接触:若有冻伤,就医治疗。

    吸入:迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸通畅。如呼吸困难,给输氧。如呼吸停止,立即进行人工呼吸。就医。

    灭火方法:切断气源。若不能立即切断气源,则不允许熄灭正在燃烧的气体。喷水冷却容器,可能的话将容器从火场移至空旷处。灭火剂:雾状水、泡沫、二氧化碳、干粉。

    用途/甲烷 编辑

    用作燃料

    以甲烷为主要成分的天然气,用作优质气体燃料,已有悠久的历史。现代化的勘探、采输技术促进了天然气的大规模利用,使之成为世界第三能源。发达国家已大规模铺设天然气输气管网,将天然气用作城市煤气。天然气加压液化所得的液化天然气,热值比航空煤油高15%,用于汽车、海上快艇和超音速飞机,不但能提高速度,而且可节省燃料消耗。

    用作化工原料 

    富含甲烷的干性或湿性天然气中的甲烷组分,是生产一系列化工产品的重要原料。现代的天然气化工,其主要内容就是甲烷的化工利用。甲烷经蒸汽转化可制得合成气;经热裂解可生产乙炔或炭黑;经氯化可制得甲烷氯化物;经硫化可制得二硫化碳;经硝化可制得硝基烷烃;加氨氧化可制得氢氰酸;直接催化氧化可得甲醛。

    高纯甲烷可用于非晶硅太阳电池制造,用于大规模集成电路干法刻蚀或等离子刻蚀气的辅助添加气。也是制造氨、炭黑、甲基化合物、二硫化碳、氢氰酸等的原料。

    相关文献

    参考资料
    [1]^引用日期:2013-11-26
    [2]^引用日期:2012-05-08
    [3]^引用日期:2012-05-08
    [4]^引用日期:2012-05-08
    扩展阅读
    1化化网:甲烷主要用途

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