《甲烷思维导图》
一、 甲烷概述
1.1 基本信息
- 分子式：CH₄
- 分子量：16.04 g/mol
- 别名：沼气，天然气的主要成分
- CAS号：74-82-8
- 外观与性状：无色无味气体
1.2 物理性质
- 熔点：-182.5℃
- 沸点：-161.5℃
- 密度：0.717 kg/m³ (标准状况)
- 溶解度：微溶于水，易溶于有机溶剂
- 临界温度：-82.1 °C
- 临界压力：4.6 MPa
1.3 化学性质
- 稳定性：较稳定，但与空气混合易燃易爆。
- 反应活性：在一定条件下可发生氧化、卤代、裂解等反应。
1.4 存在形式
- 天然气：主要成分
- 沼气：厌氧发酵的产物
- 煤矿瓦斯：煤层中的伴生气体
- 水合物：以固态形式存在于低温高压环境
二、 甲烷的制备
2.1 工业制法
- 天然气分离：从天然气中分离得到纯甲烷。
- 煤气化：煤与水蒸气在高温下反应生成甲烷及其他气体。
- 合成气转化：CO与H₂在催化剂作用下合成甲烷 (费托合成)。
2.2 实验室制法
- 醋酸钠与碱石灰共热：CH₃COONa + NaOH (CaO, Δ) → Na₂CO₃ + CH₄↑
- 碳化铝水解：Al₄C₃ + 12H₂O → 4Al(OH)₃ + 3CH₄↑
- 格氏试剂与水或醇反应：RMgX + H₂O → RH + Mg(OH)X (R-烷基，X-卤素)
2.3 生物制法
- 厌氧消化：有机物在厌氧微生物作用下分解产生甲烷。
- 底物：农业废弃物、生活污水、畜禽粪便等。
- 影响因素：温度、pH、碳氮比等。
三、 甲烷的化学反应
3.1 氧化反应 (燃烧)
- 完全燃烧：CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (放出大量热)
- 不完全燃烧：CH₄ + O₂ (不足) → CO + H₂O 或 C + H₂O
- 爆炸：甲烷与空气混合，达到一定浓度 (5%-15%)，遇明火发生爆炸。
3.2 卤代反应 (取代反应)
- 反应条件：光照或高温
- 反应机理：自由基链式反应
- 反应方程式：
- CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl
- CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl
- CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl
- CHCl₃ + Cl₂ → CCl₄ + HCl
- 产物：一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷 (氯仿)、四氯化碳
3.3 高温分解 (裂解)
- 反应条件：高温 (1500℃以上)
- 反应方程式：CH₄ → C + 2H₂
- 用途：制取炭黑和氢气。
3.4 与水蒸气反应 (蒸汽重整)
- 反应条件：高温、催化剂
- 反应方程式：CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
- 用途：制取合成气，进一步合成甲醇、氨等。
3.5 与二氧化碳反应 (二氧化碳重整)
- 反应条件：高温、催化剂
- 反应方程式：CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂
- 用途：降低温室气体浓度，同时生产合成气。
四、 甲烷的用途
4.1 燃料
- 家用燃气：天然气的主要成分
- 工业燃料：用于锅炉、窑炉等加热。
- 车用燃料：压缩天然气 (CNG) 和液化天然气 (LNG)。
4.2 化工原料
- 合成氨：CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (合成气)；N₂ + 3H₂ → 2NH₃
- 甲醇：CO + 2H₂ → CH₃OH
- 乙炔：2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂
- 氯甲烷及其他氯代物：CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl 等
4.3 其他用途
- 发电：燃气发电
- 暖气：供暖系统
五、 甲烷的危害与防护
5.1 危害
- 温室效应：甲烷是一种强效温室气体，其温室效应是二氧化碳的25倍。
- 爆炸危险：与空气混合易燃易爆。
- 窒息：高浓度甲烷可导致氧气含量降低，造成窒息。
5.2 防护
- 通风：保持良好通风，降低甲烷浓度。
- 检测：使用甲烷检测仪，及时发现泄漏。
- 防火：禁止明火，防止静电。
- 泄漏处理：及时采取措施，如关闭阀门、疏散人员。
- 安全教育：加强安全教育，提高安全意识。
六、 甲烷的未来发展
6.1 甲烷水合物开采
- 技术挑战：开采难度大，成本高。
- 环境影响：可能导致海底滑坡、甲烷泄漏等。
6.2 生物甲烷利用
- 沼气发电：利用沼气发电，实现能源回收。
- 提纯生物甲烷：将沼气提纯为生物天然气，用于车辆或注入管网。
6.3 甲烷氧化偶联 (OCM)
- 反应：2CH₄ + O₂ → C₂H₄ + 2H₂O
- 挑战：选择性低，催化剂不稳定。
6.4 二氧化碳转化
- 甲烷重整：利用二氧化碳与甲烷反应，同时降低温室气体浓度和生产合成气。
- 电催化二氧化碳还原：将二氧化碳转化为甲烷或其他有价值的化学品。