甲烷

甲烷

甲烷是結構最簡單的碳氫化合物。廣泛存在於天然氣、沼氣、煤礦坑井氣之中,是優質氣體燃料,也是製造合成氣和許多化工產品的重要原料。從分子的層面上來說,甲烷是一種比二氧化碳更加活躍的溫室氣體,但它在大氣中數量較少。

基本信息

簡介

甲烷分子結構示意圖甲烷分子結構示意圖

甲烷,化學式CH4,是最簡單的(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′。甲烷的結構式只是表示分子裡各原子的連線情況,並不能真實表示各原子的空間相對位置。

在標準狀態下甲烷是一種無色、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。它可用作燃料及製造氫、一氧化碳炭黑乙炔氫氰酸甲醛等物質的原料。

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,植物和落葉都產生甲烷,而生成量隨著溫度和日照的增強而增加。另外,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導,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HD189733b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HD189733b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。HD189733b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”(GoldilocksZone)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

物理性質

蒸汽壓53.32kPa/-168.8℃

甲烷分子結構圖甲烷分子結構圖

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,把製得的甲烷氣體通入盛有高錳酸鉀溶液(加幾滴稀硫酸)的試管里,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,並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內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於水的緣故。食鹽水中白色晶體析出。因為氯氣極易溶於水,溶於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,迅速把放有燃燒著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,迅速用燃著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。

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(在瓶內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),並與盛有溴水的洗氣瓶連線(由於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,先放鬆導管上的夾子,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產生,說明甲烷已經分解。稍等片刻,在導管的尖嘴處點火,並用於冷的燒杯罩在火焰上方,可以看到燒杯內壁變得模糊,並有水蒸氣凝結,說明有氫氣生成。

來源

甲烷甲烷

工業來源

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

生物分解

植物和落葉都產生甲烷,而生成量隨著溫度和日照的增強而增加。另外,植物產生的甲烷是腐爛植物的10到100倍。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%。

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

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,同樣可製得高純的甲烷。

無水醋酸鈉(CH3COONa)和鹼石灰(NaOH和CaO做乾燥劑)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,可致窒息死亡。

皮膚接觸液化甲烷,可致凍傷。

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

泄漏應急處理

迅速撤離泄漏污染區人員至上風處,並進行隔離,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。儘可能切斷泄漏源。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產生的大量廢水。如有可能,將漏出氣用排風機送至空曠地方或裝設適當噴頭燒掉。也可以將漏氣的容器移至空曠處,注意通風。漏氣容器要妥善處理,修復、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:一般不需要特別防護,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:工作現場嚴禁吸菸。避免長期反覆接觸。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,可能的話將容器從火場移至空曠處。滅火劑:霧狀水、泡沫、二氧化碳、乾粉。

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,已有悠久的歷史。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。已開發國家已大規模鋪設天然氣輸氣管網,將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%,用於汽車、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。

用作化工原料 

富含甲烷的乾性或濕性天然氣中的甲烷組分,是生產一系列化工產品的重要原料。現代的天然氣化工,其主要內容就是甲烷的化工利用。甲烷經蒸汽轉化可製得合成氣;經熱裂解可生產乙炔或炭黑;經氯化可製得甲烷氯化物;經硫化可製得二硫化碳;經硝化可製得硝基烷烴;加氨氧化可製得氫氰酸;直接催化氧化可得甲醛。

高純甲烷可用於非晶矽太陽電池製造,用於大規模積體電路乾法刻蝕或等離子刻蝕氣的輔助添加氣。也是製造氨、炭黑、甲基化合物、二硫化碳、氫氰酸等的原料。

生物化學術語(一)

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