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甲烷
最簡單的有機物
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 | -182.5 ℃ |
| 沸點 | -161.5 ℃ |
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概述
含量分布
天王星的大氣層也存在甲烷和氫氣。據(jù)德國核物理研究所的科學(xué)家經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，植物和落葉都產(chǎn)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(chǎn)生的甲烷是腐爛植物的10到100倍。他們經(jīng)過估算認(rèn)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(xiàn)甲烷據(jù)國外媒體報道，美國天文學(xué)家19日宣布，他們首次在太陽系外一顆行星的大氣中發(fā)現(xiàn)了甲烷，這是科學(xué)家首次在太陽系外行星探測到有機分子，從而增加了確認(rèn) 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(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)實驗室的天文學(xué)家，利用繞軌運行的“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡得到了一張行星大氣的紅外線分光鏡圖譜，并發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)一圈只需兩天。由于距離恒星太近，這顆行星表面溫度高達(dá)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 | 無色 |
氣味 | 無味 |
熔點 | -182.5℃ |
沸點 | -161.5℃ |
溶解度（常溫常壓） | 0.03 |
分子結(jié)構(gòu) | 正四面體形非極性分子 |
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化學(xué)性質(zhì)
取代反應(yīng)
甲烷[最簡單的有機物]
以氯化為例：可以看到試管內(nèi)氯氣的黃綠色氣體逐漸變淡，有白霧生成，試管內(nèi)壁上有油狀液滴生成，這是甲烷和氯氣反應(yīng)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(yīng)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)上通過精餾，使混合物一一分開。以上幾個氯化產(chǎn)物，均是重要的溶劑與試劑。
特點：
①在室溫暗處不發(fā)生反應(yīng)；
②髙于250℃發(fā)生反應(yīng)；
③在室溫有光作用下能發(fā)生反應(yīng)；
根據(jù)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(yīng)。如圖。
氧化反應(yīng)
甲烷最基本的氧化反應(yīng)就是燃燒：
點燃純凈的甲烷，在火焰的上方罩一個干燥的燒杯，很快就可以看到有水蒸氣在燒杯壁上凝結(jié)。倒轉(zhuǎn)燒杯，加入少量澄清石灰水，振蕩，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(nèi)，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(nèi)，燭火立即熄滅，但瓶口有甲烷在燃燒，發(fā)出淡藍(lán)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(shù)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(fā)生。這個實驗雖然簡單，但也容易失敗。把玻璃導(dǎo)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(xù)燃燒，發(fā)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[最簡單的有機物]
可燃冰主要儲存于海底或寒冷地區(qū)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，可以實地即時測出海底土壤、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(biāo)。
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，甲烷將會成為重要的能源。
它主要的來源有：
1.有機廢物的分解。
- 天然源頭（如沼澤）：23%。
- 動物（如牛）的消化過程：17%。
- 稻田之中的細(xì)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(yīng)，同樣可制得高純的甲烷。
主要應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)壓力的室溫環(huán)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。在一大氣壓力的環(huán)境中，甲烷的沸點是?161 °C。空氣中的瓦斯含量只要超過5%～15%就十分易燃。液化的甲烷不會燃燒，除非在高壓的環(huán)境中（通常是4～5大氣壓力）。中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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?xì)鉅t熱值測試標(biāo)準(zhǔn)燃料。生產(chǎn)可燃?xì)怏w報警器的標(biāo)準(zhǔn)氣，校正氣。還可用作太陽能電池，非晶硅膜氣相化學(xué)沉積的碳源。以及甲烷用作醫(yī)藥化工合成的生產(chǎn)原料。
轉(zhuǎn)化途徑
2018年7月，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院左智偉團隊找到了一個低成本、高效率的催化劑組合，室溫條件下，就可實現(xiàn)甲烷轉(zhuǎn)化。這為甲烷轉(zhuǎn)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(yīng)
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，利用俄克拉何馬州南大平原觀測站十年來獲得的對地球大氣的綜合觀測數(shù)據(jù)，首次直接證明了甲烷導(dǎo)致地球表面溫室效應(yīng)不斷增加。
研究人員稱，21世紀(jì)初，大氣中甲烷的濃度停滯不前，溫室效應(yīng)也遵循同樣的模式；但從2007年開始，甲烷濃度開始上升的同時，其導(dǎo)致的溫室效應(yīng)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，接觸高濃度甲烷時引起的“甲烷中毒”，實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(dāng)作燃料使用。有單純性窒息作用，在高濃度時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由于空氣被置換，氧分壓降低而產(chǎn)生窒息?？諝庵屑淄闈舛?7%使小鼠窒息，90%時呼吸停止。甲烷80%和氧20%的混合氣體，能引起人頭痛。當(dāng)空氣中甲烷達(dá)25%～30%時，人出現(xiàn)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(diào)，運動失調(diào)、甚至窒息。皮膚接觸液化的甲烷可引起凍傷，甲烷主要通過呼吸道進(jìn)入體內(nèi)，大部分以原形呼出，少量在體內(nèi)可氧化為二氧化碳和水。因其與蛋白質(zhì)結(jié)合的能力極低，故麻醉作用相當(dāng)弱。
如濃度很高，患者可迅速死亡。曾有觀察發(fā)現(xiàn)甲烷中毒患者均有不同程度的中毒性腦病，中毒嚴(yán)重的患者可能有神經(jīng)系統(tǒng)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，因其迅速揮發(fā)，可造成凍傷。
慢性中毒 目前尚無慢性甲烷中毒方面的臨床資料。
診斷與鑒別診斷 根據(jù)現(xiàn)場存在高濃度甲烷，患者出現(xiàn)明顯缺氧窒息的臨床表現(xiàn)，與其他類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。嗎啡和巴比妥類藥物有抑制呼吸作用，應(yīng)忌用。呼吸、心跳停止時需立即進(jìn)行心肺腦復(fù)蘇，注意防治可能出現(xiàn)的腦水腫，必要時作高壓氧治療。
液化甲烷污染皮膚時可造成凍傷，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(yuǎn)離火種、熱源。庫溫不宜超過30℃。應(yīng)與氧化劑等分開存放，切忌混儲。采用防爆型照明、通風(fēng)設(shè)施。禁止使用易產(chǎn)生火花的機械設(shè)備和工具。儲區(qū)應(yīng)備有泄漏應(yīng)急處理設(shè)備。
工程控制：生產(chǎn)過程密閉，全面通風(fēng)。
其它有害作用：該物質(zhì)對環(huán)境可能有危害，對魚類和水體要給予特別注意。還應(yīng)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)過專門培訓(xùn)，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。遠(yuǎn)離火種、熱源，工作場所嚴(yán)禁吸煙。使用防爆型的通風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)備。防止氣體泄漏到工作場所空氣中。避免與氧化劑接觸。在傳送過程中，鋼瓶和容器必須接地和跨接，防止產(chǎn)生靜電。搬運時輕裝輕卸，防止鋼瓶及附件破損。配備相應(yīng)品種和數(shù)量的消防器材及泄漏應(yīng)急處理設(shè)備。
身體保護
呼吸系統(tǒng)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(yè)防護手套。
其它：工作現(xiàn)場嚴(yán)禁吸煙。避免長期反復(fù)接觸。進(jìn)入罐、限制性空間或其它高濃度區(qū)作業(yè)，須有人監(jiān)護。
急救措施
皮膚接觸或眼睛接觸：皮膚或眼睛接觸液態(tài)甲烷會凍傷，應(yīng)及時就醫(yī)。
吸入：迅速脫離現(xiàn)場至空氣新鮮處。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(yī)。
滅火劑：霧狀水、泡沫、二氧化碳、干粉。
廢棄
處置前應(yīng)參閱國家和地方有關(guān)法規(guī)。建議用焚燒法處置。
法規(guī)
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施細(xì)則（化勞發(fā)[1992]677號），工作場所安全使用化學(xué)品規(guī)定（[1996]勞部發(fā)423號）等法規(guī)，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(yīng)規(guī)定；常用危險化學(xué)品的分類及標(biāo)志（GB13690-92）將該物質(zhì)劃為第2.1類易燃?xì)怏w。
相關(guān)報道
2022年10月25日，據(jù)郵電設(shè)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(nèi)大量排放的甲烷，一種強有力的溫室氣體。
當(dāng)?shù)貢r間2022年11月11日，美國國務(wù)院發(fā)表聲明稱，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(yīng)對氣候和能源安全。聲明稱，各國將采取措施，實現(xiàn)大幅減少化石燃料能源價值鏈中的甲烷、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(dāng)?shù)貢r間2022年12月19日，據(jù)環(huán)球網(wǎng)消息，歐盟理事會就跟蹤和減少各國能源部門甲烷排放的提案達(dá)成一致。理事會還將與議會進(jìn)行談判，以就最終文本達(dá)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，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(zhuǎn)化成甲醇。
參考資料
[1]
我國科學(xué)家找到室溫條件下轉(zhuǎn)化甲烷新途徑2018-07-28T13:53:00+08:00[引用日期2022-06-10 18:30:49]
[2]
甲烷觀測：千萬里，追尋著你丨大氣悟理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(xiàn)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”詞語的解釋[引用日期2022-06-10 19:31:53]
[5]
甲烷觀測：千萬里，追尋著你丨大氣悟理2020-05-26T10:12:41+08:00[引用日期2022-06-10 19:33:13]
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