甲烷[wán]（英文名methane），是具有正四面體結(jié)構(gòu)的非極性分子，最簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物，分子式為。常溫狀態(tài)下為無色無味氣體，分子量16，比空氣略輕，微溶于水，易燃，但跟強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或強(qiáng)氧化劑等一般不起反應(yīng)。大氣中甲烷的來源豐富，可分為自然來源和人為來源。在今天的大氣中，有大約20%的甲烷來自古代，是在幾百萬年前就存在于煤層、海底、天然氣礦藏和融化了的永久凍土下面而到今天才釋放出來的。而近代產(chǎn)生的甲烷，來源主要有牛、泥沼、瀝青、稻田、新開墾的土地、腐敗的垃圾和白蟻等。無論哪種來源，都是由細(xì)菌在缺氧條件下進(jìn)行的有機(jī)物分解，若是有氧則會(huì)產(chǎn)生CO2。
甲烷是一種易燃易爆的物質(zhì)，遇明火或熱源有起火和爆炸的危險(xiǎn)。甲烷的排放和泄露會(huì)造成環(huán)境污染和加劇溫室效應(yīng)。甲烷還是一種窒息劑，若空氣中甲烷含量過多，則會(huì)導(dǎo)致窒息甚至死亡。所以在甲烷的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和使用過程中，必須按規(guī)定操作。
甲烷是天然氣、沼氣、坑氣的主要成分，應(yīng)用廣泛，是重要的燃料和化工原料，在化工生產(chǎn)中，可以用來生產(chǎn)乙炔[yǐ quē]、氫氣等其他物質(zhì)。在電子制造領(lǐng)域，被用作刻蝕氣的輔助添加氣。
發(fā)現(xiàn)歷史
甲烷的發(fā)現(xiàn)
1776年11月，意大利物理學(xué)家伏打(A.Volta) ，在意大利北部科摩(Como）湖的淤泥中收集到一種氣體。他點(diǎn)燃了這一氣體火焰呈青藍(lán)色，燃燒較慢，需要10-12倍體積的空氣才會(huì)燃燒爆炸，不同于可燃性空氣（氫氣）的燃燒。提出原子論的英國(guó)化學(xué)家約翰·道爾頓也和伏打一樣收集了沼氣，并進(jìn)行了研究。1790年英國(guó)醫(yī)生奧斯汀（W.Austin）發(fā)表燃燒甲烷和氫氣的報(bào)告。他測(cè)定了甲烷比氫氣重。而且氫氣燃燒生成水，甲烷燃燒生成水和二氧化碳。他確定甲烷是碳和氫的化合物。
甲烷的研究
1808年，原子論創(chuàng)立者約翰·道爾頓（John Dalton）認(rèn)為甲烷分子是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)碳原子構(gòu)成的，并用：
表示甲烷的分子結(jié)構(gòu)。
繼約翰·道爾頓之后，1813年，瑞典著名學(xué)者伯齊利烏斯（Jacob Berzelius）將元素符號(hào)引入有機(jī)化學(xué) 。1857—1858年，德國(guó)化學(xué)家弗里德利希·凱庫(kù)勒（FriedrichA·Kekule）提出了有機(jī)化合物分子中碳原子為四價(jià) 。1861年，俄羅斯化學(xué)家布特列洛夫（Butlerov, Aleksandr）提出了化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的基本思想。這些理論的確立，為人們研究甲烷分子的結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)，人們就在這些理論基礎(chǔ)上相繼提出了：
三種甲烷的結(jié)構(gòu)式。
到了19世紀(jì)，人類對(duì)化學(xué)的認(rèn)識(shí)上升到了立體化學(xué)的層面。1874年，范霍夫（Jacobus Henricus van 't Hoff）和列別爾（J.A.Le Bel）分別從旋光異構(gòu)體的數(shù)目出發(fā)，提出了碳原子具有四面體結(jié)構(gòu)的學(xué)說。即甲烷分子中，碳原子位于正四面體的中心，連接氫原子的四個(gè)鍵伸向四面體的四個(gè)頂點(diǎn)。這樣甲烷的分子結(jié)構(gòu)又可以用：
來表示了。但范霍夫提出的學(xué)說遭到了強(qiáng)烈的批判。后來，近代X-射線和電子衍射進(jìn)一步證明了甲烷正四面體結(jié)構(gòu)，而且根據(jù)H-C-H的鍵角就為109°28’，也證明甲烷分子是一個(gè)正四面體的立體結(jié)構(gòu)。
1916年美國(guó)化學(xué)家吉爾伯特·路易士（Gilbert Newton Lewis）提出了共價(jià)學(xué)說，建立了經(jīng)典的共價(jià)鍵理論（又稱八隅體理論），這時(shí)候甲烷的分子結(jié)構(gòu)變?yōu)椋?/p>
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
甲烷在常溫下是無色無味的氣體，熔點(diǎn)182.6℃，沸點(diǎn)161.4℃，相對(duì)密度（水=1）為0.42（-164℃），相對(duì)蒸汽密度（空氣=1）為0.6，飽和蒸氣壓為53.32kPa（-168.8℃），臨界溫度為-82.25℃，臨界壓力為4.59MPa。微溶于水，溶于乙醇、乙醚、苯、甲苯等。
化學(xué)性質(zhì)
在通常情況下，甲烷是比較穩(wěn)定的，跟強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或強(qiáng)氧化劑等一般不起反應(yīng)。但是甲烷的穩(wěn)定性是相對(duì)的，在特定的條件下，也會(huì)發(fā)生某些反應(yīng)。
加熱分解
在隔絕空氣的條件下，把甲烷加熱到1000℃~1200℃，能分解成碳黑和氫氣。
如果在短時(shí)間內(nèi)加熱到1500℃，迅速冷卻，甲烷就分解成乙炔和氫氣。
取代反應(yīng)
烷烴分子中的氫原子被其他原子或基團(tuán)取代的反應(yīng)，稱為取代反應(yīng)。以氯代反應(yīng)為例。
在室溫下，甲烷和氯氣的混合物可以在黑暗中長(zhǎng)期保存而不起任何反應(yīng)。但把混合氣體放在光亮的地方（在漫射光照射下），就會(huì)發(fā)生甲烷中的氫原子被氯原子取代的反應(yīng)，黃色的氯氣就會(huì)逐漸變淡。
反應(yīng)一般不易停留在這一階段，生成的一氯甲烷可以繼續(xù)跟氯氣作用，依次生成二氯甲烷、三氯甲烷（又叫氯仿）和四氯甲烷（又叫四氯化碳）。反應(yīng)式如下:
氧化反應(yīng)
甲烷易燃燒，燃燒時(shí)火焰呈青白色，生成二氧化碳和水，同時(shí)放出大量熱量。
當(dāng)甲烷不完全燃燒時(shí)會(huì)生成碳黑。這是生產(chǎn)碳黑的一種方法。
甲烷在適當(dāng)?shù)臈l件下能發(fā)生部分氧化，得到氧化產(chǎn)物，如甲醛或甲酸。
裂解反應(yīng)
把甲烷（實(shí)際上是用天然氣或焦煤氣的甲烷）通入電弧爐中，經(jīng)過3000℃左右的電弧區(qū)，使甲烷加熱到1500℃，發(fā)生裂解反應(yīng)生成乙炔和氫氣等。然后很快導(dǎo)入驟冷器，被直接噴入的冷水驟冷至100℃以下，阻止其進(jìn)一步分解，就可得產(chǎn)品乙炔等。
生成合成氣
將甲烷與水蒸汽在725℃混和并通過鎳催化劑，可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="/hebeideji/7185417422056685620.html">一氧化碳和氫氣。
應(yīng)用領(lǐng)域
燃料
甲烷是重要的燃料。以甲烷為主要成分的天然氣，在凈化處理后有害物質(zhì)的含量比液態(tài)燃料低得多，燃料系統(tǒng)的蒸發(fā)排放少。天然氣是氣態(tài)燃料，容易與空氣混合，因此燃料燃燒完全，尾氣排放污染物也較少。天然氣作為優(yōu)質(zhì)氣體燃料，已有悠久的歷史，被大規(guī)模開采利用，成為世界第三能源。液化天然氣被用于汽車、海上快艇和超音速飛機(jī)，不但可以實(shí)現(xiàn)高速度，而且可節(jié)省燃料。
以甲烷為主要成分的沼氣，也可作為燃料，主要用于煮飯、點(diǎn)燈，少數(shù)用于發(fā)電、抽水、加工、開汽車，也用于孵雞、育蠶、育秧、育雛雞、烘干糧食，為工業(yè)鍋爐提供熱能。
化工原料
甲烷是發(fā)展石油化工的重要一環(huán)，是很多化工產(chǎn)品的原料。其利用途徑如下：甲烷氧化熱解可制稀乙炔，稀乙炔提濃可制各種有機(jī)合成產(chǎn)品；經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化制氫，可制合成氨、甲醇；經(jīng)氨氧化可制氫氰酸[qīng qíng suān]，由此可制多種有機(jī)合成產(chǎn)品，如丙烯酸甲酯、三聚氰氯等；經(jīng)氯化可制氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳；經(jīng)氧化可制甲醛；經(jīng)硝化可制硝基甲烷；經(jīng)硫化可制二硫化碳；經(jīng)裂解可制碳黑等。
其他領(lǐng)域
在電子制造領(lǐng)域，高純甲烷可用于非晶硅太陽(yáng)電池制造，用作太陽(yáng)能電池、非晶硅膜氣相化學(xué)沉積的碳源，用于大規(guī)模集成電路干法刻蝕或帶電粒子刻蝕氣的輔助添加氣。甲烷可用作生產(chǎn)燃?xì)鈭?bào)警器的標(biāo)準(zhǔn)氣、校正氣，還可以及醫(yī)藥化工合成的生產(chǎn)原料。在醫(yī)療上，甲烷主要應(yīng)用于特定種類的肺擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)混合氣的標(biāo)準(zhǔn)氣、成分氣。
生理作用
動(dòng)物體內(nèi)的膽堿及其代謝物能分解或轉(zhuǎn)變成，這種內(nèi)源性具有保護(hù)細(xì)胞膜免受活性氧（reactive 氧 物種, ROS）的攻擊以及促進(jìn)細(xì)胞膜修復(fù)的作用。此外，外源性具有較強(qiáng)的抗炎藥、抗氧化、抗凋亡的生物學(xué)效 應(yīng)，提高腦、心臟、肝臟等多種組織器官的抗氧化能力，減輕其氧化應(yīng)激損傷和炎癥損傷的程度，對(duì)多種臨床疾病的治療具有研究和應(yīng)用價(jià)值。
制備方法
實(shí)驗(yàn)室制備
使用無水醋酸鈉（）和堿石灰在硬質(zhì)試管中直接混合加熱是大多數(shù)高校教材采用的制備方法，主要反應(yīng)：
工業(yè)制備
細(xì)菌分解法
將有機(jī)質(zhì)放入沼氣池中，控制好溫度和濕度，甲烷菌迅速繁殖，將有機(jī)質(zhì)分解成甲烷、二氧化碳、氫、硫化氫、一氧化碳等，其中甲烷占60%-70%。經(jīng)過低溫液化，將甲烷提出，可制得廉價(jià)的甲烷。
污水厭氧處理生產(chǎn)甲烷
在污水厭氧處理中。在厭氧狀態(tài)下，二氧化碳、氫氣、產(chǎn)酸菌（非產(chǎn)甲烷菌）和產(chǎn)甲烷菌共同作用，產(chǎn)生甲烷。
分離法
分布情況
自然分布
大氣來源
自然來源（共計(jì)30%）：濕地21%，白蟻3%，海洋2%，其他3%。
人為來源（共計(jì)70%）：天然氣16%，反芻亞目[fǎn chú dòng wù]16%，水田12%，生物燃料燃燒8%，廢棄物填埋8%，其他10%。
礦產(chǎn)分布
甲烷是天然氣、沼氣、坑氣主要成分，自然界中儲(chǔ)量大，分布較廣但不均衡。
其他分布
分子結(jié)構(gòu)
在甲烷中，碳原子采取sp3雜化。4個(gè)氫原子的s軌道與碳原子的4個(gè)sp3雜化軌道正面重疊，形成4根C-H鍵。由于碳原子sp3雜化軌道呈正四面體構(gòu)型，所以，甲烷分子也是正四面體構(gòu)型。H-C-H為109°28′，C-H鍵的鍵長(zhǎng)為110pm。甲烷是分子晶體，分子間存在共價(jià)鍵。因?yàn)镃原子吸引電子的能力強(qiáng)于H原子（H原子電子層中的電子已飽和），因此電子更偏向C原子；H由于偏離電子而顯正價(jià)，C由于偏向電子而顯負(fù)價(jià)。
環(huán)境影響
環(huán)境污染
泄露、不正當(dāng)?shù)氖褂玫葧?huì)對(duì)地表水、土壤、大氣和飲用水造成污染
溫室效應(yīng)
2018年4月2日，美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員，利用俄克拉何馬州南大平原觀測(cè)站十年來獲得的對(duì)地球大氣的綜合觀測(cè)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(shí)，其導(dǎo)致的溫室效應(yīng)也水漲船高。溫室氣體甲烷——由奶牛和垃圾場(chǎng)產(chǎn)生。這些溫室氣體比二氧化碳效力強(qiáng)得多，根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究，以單位分子數(shù)而言，甲烷的溫室效應(yīng)要比二氧化碳大上25倍，而最新的計(jì)算方式甚至得出甲烷的溫室效應(yīng)比二氧化碳強(qiáng)72倍。但是甲烷在大氣中存留的時(shí)間要短得多，僅留存大約十年左右。
安全事宜
消防相關(guān)
易燃，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火或熱源有燃燒爆炸的危險(xiǎn)。在正常氣壓下，甲烷的爆炸下限（LEL）為5-6%，爆炸上限（UEL）為15-16%；甲烷在空氣中的濃度達(dá)到9.5%時(shí)，就會(huì)發(fā)生最強(qiáng)烈的爆炸。氧濃度降低時(shí)爆炸下限變化不大，而爆炸上限明顯降低；當(dāng)氧濃度低于12%時(shí)，混合氣體就失去爆炸性。甲烷與五氧化溴[xiù]、氯、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧及其它強(qiáng)氧化劑接觸劇烈反應(yīng)。
健康相關(guān)
皮膚接觸液化本品，可致凍傷。
甲烷是一種窒息劑。若空氣中的甲烷含量達(dá)到25% ~30%時(shí)就會(huì)使人發(fā)生頭痛、頭暈、惡心、注意力不集中、動(dòng)作不協(xié)調(diào)、乏力、四肢發(fā)軟等癥狀。若空氣中甲烷含量超過45% ~50%時(shí)，就會(huì)因嚴(yán)重缺氧而出現(xiàn)呼吸困難、心動(dòng)過速、昏迷以至窒息而死亡。
急救措施
若起火。用霧狀水、泡沫、二氧化碳、干粉滅火。切斷氣源。若不能切斷氣源，則不允許熄滅泄漏處的火焰。消防人員必須佩戴空氣呼吸器、穿全身防火防毒服，在上風(fēng)向滅火。盡可能將容器從火場(chǎng)移至空曠處。噴水保持火場(chǎng)容器冷卻，直至滅火結(jié)束。
若凍傷。將患部浸泡于保持在38～42℃的溫水中復(fù)溫。不要涂擦。不要使用熱水或輻射熱。使用清潔、干燥的敷料包扎。如有不適感，就醫(yī)。
若吸入。迅速脫離現(xiàn)場(chǎng)至空氣新鮮處，保持呼吸道通暢。若有呼吸困難者，應(yīng)給輸氧。若有呼吸、心跳停止者，立即進(jìn)行心肺復(fù)蘇術(shù)并就醫(yī)。
若泄露。應(yīng)消除所有點(diǎn)火源。根據(jù)氣體擴(kuò)散的影響區(qū)域劃定警戒區(qū),無關(guān)人員從側(cè)風(fēng)、上風(fēng)向撤離至安全區(qū)。建議應(yīng)急處理人員戴正壓自給式呼吸器,穿防靜電服。作業(yè)時(shí)使用的所有設(shè)備應(yīng)接地。禁止接觸或跨越泄漏物。盡可能切斷泄漏源。若可能翻轉(zhuǎn)容器，使之逸出氣體而非液體。噴霧狀水抑制蒸氣或改變蒸氣云流向，避免水流接觸泄漏物。禁止用水直接沖擊泄漏物或泄漏源。防止氣體通過下水道、通風(fēng)系統(tǒng)和限制性空間擴(kuò)散。隔離泄漏區(qū)直至氣體散盡。
GHS制度
參考資料 >
甲烷.國(guó)際化學(xué)品安全卡（中文版）.2023-09-03
美研究人員：甲烷溫室效應(yīng)獲實(shí)驗(yàn)室外觀測(cè)證實(shí)-中國(guó)新聞網(wǎng).中新網(wǎng).2023-08-10
Methane.pubchem.2023-08-10
土衛(wèi)二驚現(xiàn)高濃度甲烷，難道海洋中有食氫產(chǎn)生甲烷的微生物？.今日頭條.2023-08-10
美國(guó)科學(xué)家在火星上發(fā)現(xiàn)甲烷-甲烷,火星-北方網(wǎng)-新聞中心.北方網(wǎng).2023-08-10
認(rèn)識(shí)甲烷：看不見摸不著但卻很強(qiáng)大.中國(guó)科學(xué)院.2023-08-11