手機(jī)版|
二維碼|
甲烷，是一種碳?xì)浠衔?，我們俗稱瓦斯，是最簡單的有機(jī)物，是沼氣，天然氣，坑氣等的主要成分。甲烷也是含碳量最小（含氫量最大）的烴，可用來作為燃料及制造炭黑、氫氣、一氧化碳、乙炔、氫氰酸及甲醛等物質(zhì)的原料。
甲烷分子式為CH4，由分子式我們就可以看出甲烷在空氣或氧氣中燃燒，會生成二氧化碳和水，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：
CH4+2O2==CO2+2H2O（記住碳?xì)洹⑻細(xì)溲趸衔锶紵晌锞鶠樗投趸迹?/p>
放熱（所有燃燒都放熱），甲烷燃燒時產(chǎn)生淡藍(lán)色火焰（H2燃燒火焰也一樣），用蘸有澄清石灰水的燒杯罩在火焰上方，石灰水渾濁（CO2），用一干而冷的燒杯罩在火焰上方，燒杯內(nèi)壁出現(xiàn)水霧（H2O），再提一下，標(biāo)準(zhǔn)的查水方法是用無水硫酸銅（CuSO4）
在自然界里甲烷有多種來源，其中比較集中的是蘊(yùn)藏在地層里的天然氣。天然氣是一種可燃性氣體，又稱為“天然煤氣”，它的主要成分就是甲烷(以體積計(jì)約占85~95%)天然氣通過地層裂口，或由人工鑿井而冒出地面，成為人類利用的重要資源。我國早在漢末晉初時，四川自貢市一帶就有人開始鉆井使用天然氣了，到了宋朝，已經(jīng)大規(guī)模用來煎制井鹽。所以我國四川是世界上著名的天然氣產(chǎn)地之一，。天然氣的形成，據(jù)科學(xué)家的研究，認(rèn)為是和石油的形成相一致的。由于甲烷等是分子量比較小的烴，在常溫下成氣態(tài)，所以天然氣往往和石汕礦共存，或蘊(yùn)藏在石油產(chǎn)區(qū)的附近。
甲烷除來自天然氣外，還存在于自然界的其他地方，例如不常流動的靜水池沼底下，當(dāng)沉積的有機(jī)物受著菌類的發(fā)酵作用時，會產(chǎn)生氣體冒出水面來，因?yàn)樗闯鲇诔卣樱苑Q為沼氣。另外，在煤的形成過程中，植物殘?bào)w在隔絕空氣下進(jìn)行分解，也有同樣的氣體產(chǎn)生，由于在煤井的坑道中發(fā)現(xiàn)，所以就稱為坑氣，沼氣、坑氣和天然煤氣一樣，它們的主要成分都是甲烷。
甲烷是無色、無嗅、無味的氣體。它的比重是0。717克/升，約比空氣輕一半，和相同狀況(相同的溫度和壓力)下同體積空氣的重量比是0。5517，甲烷很難溶解于水，在20C時，每1升的水約能溶解33毫升。
烷是可以燃燒的，從它的燃燒產(chǎn)物二氧化碳和水蒸氣的定量測定，知道甲烷分子里僅僅含有碳和氫兩種元素。
從甲烷的比重，可以算出它的1克分子重16。061克(0。717×22。4)，可見它的分子量約等于16。根據(jù)分子量和重量組成，可以確定申烷的分子式是CH。
甲烷分子里的一個碳原子和四個氫原子是怎樣結(jié)合成分子的呢?我們知道，碳原子的最外層有四個電子(可以用簡單的圖式C表示)，而氫原子外層只有一個電子。因此，每個碳原子可以和四個氫原子分別形成共價鍵。甲烷分子就是通過碳原子和氫原子之間的共用電子對而形成的。這樣使得有關(guān)原子都具有穩(wěn)定的電子外層(碳原子8個，氫原子2個)。
前者稱為電子式，后者稱為結(jié)構(gòu)式。元素符號間的“:”表示共用電子對，也就是相當(dāng)于結(jié)構(gòu)式中的“一”，這種短劃是寫寫有機(jī)物結(jié)構(gòu)式時用來表示價鍵的符號。
甲烷的分子結(jié)構(gòu)，是不是象上面所寫的那樣，碳原子和四個氫原子都在同一個平面上呢?根據(jù)碳原子正四面體學(xué)說，認(rèn)為碳原子是處在一個正四面體的中心，它的四個價鍵，由中心指向四面體的四個頂點(diǎn)，和四個氫原子以相同的價鍵結(jié)合，如圖1·1(aの)。我們也可以用不同顏色的小球代表不同的原子以短棒代表價鍵，做成如圖11(の的甲烷分子模型，一般為了方便起見，寫的結(jié)構(gòu)式是模型在平面上的投影(如圖1·1()所以甲烷分子的實(shí)際結(jié)構(gòu)是碳原子和四個氫原子并不在同一個平面上的。
在氧氣充足的情況下，甲烷燃燒后全部變?yōu)镃O2和HO，發(fā)出淡藍(lán)色火焰，并放出大量的熱：
CH4+204=Co2+2H0+210.8千卡
由上式可知，1克分子體積的甲烷(22。4升)和2克分子體積的氧氣(2×22。4升)可以完全反應(yīng)。也就是甲煷和氧氣完全反應(yīng)時的體積之比是是1:2;如果換了空氣，那末體積之比就是1:10，因?yàn)榭諝饫锛s含有1/5體積的氧氣。當(dāng)甲烷和氧氣在極短時間里完全反應(yīng)時，由于放出大量的熱使溫度突然升高，而且反應(yīng)生成物物又都是氣體，體積驟然膨脹，結(jié)果就能發(fā)生猛烈的爆炸。甲烷的這種性質(zhì)，使煤井里有可能發(fā)生爆炸，但是由于人類掌握了它的爆炸規(guī)律，就設(shè)法改進(jìn)礦井的通風(fēng)和照明設(shè)備，從而防止事故的發(fā)生，使生產(chǎn)得以安全地在地下進(jìn)行。
如果氧氣供給不充分，甲烷的燃燒便不完全，燃燒時有黑煙產(chǎn)生：
CH4+O2=C+2H2O
隔絕空氣強(qiáng)熱時，甲烷隨著溫度的高低而有不同的兩種分解反應(yīng)。把甲烷加熱到1000~1100°C，甲烷分解為它的組成元素碳和氫：
CH4=1100°C=C+2H2
如果在1500°C電弧的高溫下，甲烷分解為氫氣和乙炔(讀做缺que)
2CH4=電?。?500c）=3H2+C2H2(乙炔)
根據(jù)甲烷的性質(zhì)，甲烷具有下列各種用途:
1、化工原料由甲烷可以制得它的氯代物，其中的氯仿和四氯化碳都是重要的有機(jī)溶劑。甲烷在不完全燃燒或高溫下分解可得炭黑、氫氣和乙炔。炭炭黑是制造印刷用的油墨和橡膠工業(yè)的原料之一;氫氣用于氨和汽油的合成;乙炔可以用來合成橡膠、纖維和塑料等等。
2、燃燃料甲烷在燃燒時能放出大量的熱，因此在家庭或工業(yè)上可用作為氣體燃料。
實(shí)驗(yàn)室用無水醋酸鈉(CH3COON)和堿石灰(氫氧化鈉跟石灰的混和物)反應(yīng)來制取甲烷，兩種粉末按1:3(體積)混和均勻后，裝在硬質(zhì)試管里，使粉末斜鋪在試管底部部，管口配單孔塞和導(dǎo)管，把試管水平地(管口略向下傾斜)固定在鐵臺上。
加熱試管，由于堿石灰是氫氧化鈉跟石灰的混和物，氫氧化鈉跟醋酸進(jìn)行反應(yīng)而產(chǎn)生甲烷:
CH3（COONA+Na0）H=加熱=CH1↑+Na2CO3
甲烷從導(dǎo)管逸出，可以用排水法集取。
制得甲烷后，我們可以檢驗(yàn)它的性質(zhì)。先觀察它的物理性質(zhì)，它是無色而又不溶于水的氣體。在排盡空氣后在導(dǎo)管口上點(diǎn)火，觀察它的可燃性，并注意火焰顏色(火焰應(yīng)該呈淡藍(lán)色，但在玻璃導(dǎo)管上或加熱過強(qiáng)時均帶黃色)。用一只干燥的燒杯罩在火焰的上方，就能看到杯子邊上產(chǎn)生水霧;取下燒杯，倒入一些澄清的石灰水，石灰水變?yōu)闇啙?，這就證明了甲烷的燃燒產(chǎn)物是二氧化碳和水。
把甲烷的導(dǎo)管插人有淡紫色的高錳酸鉀酸性稀溶液(加稀H2SO幾滴)的試管中，使甲烷通過溶液，結(jié)果紫色不變，證明甲烷的穩(wěn)定性，它不能為高錳酸鉚所氧化。這些實(shí)驗(yàn)都能驗(yàn)證我們上面所講的甲烷的性質(zhì)。
