甲烷是简单的烃,在理论上可以说它是一切有机物的母体.在自然界里甲烷有多种来源,其中比较集中的是蕴藏在地层里的天然气.天然气是一种可燃性气体,又称为“天然煤气”,它的主要成分就是甲烷(以体积计约占85~95%)天然气通过地层裂口,或由人工凿井而冒出地面,成为人类利用的重要资源.我国早在汉末晋初时,四川自贡市一带就有人开始钻井使用天然气了,到了宋朝,已经大规模用来煎制井盐.所以我国四川是世界上著名的天然气产地之一,.天然气的形成,据科学家的研究,认为是和石油的形成相一致的.由于甲烷等是分子量比较小的烃,在常温下成气态,所以天然气往往和石汕矿共存,或蕴藏在石油产区的附近.
①烃(音听,碳氢切ting)用“火”表示有可燃性,用“”表示它是碳和氢的化合物.碳为一切有机物所共有,虽未在字形上有所表示,但在读音中可以显示出来.
甲烷除来自天然气外,还存在于自然界的其他地方,例如不常流动的静水池沼底下,当沉积的有机物受着菌类的发酵作用时,会产生气体冒出水面来,因为它源出于池沼,所以称为沼气.另外,在煤的形成过程中,植物残体在隔绝空气下进行分解,也有同样的气体产生,由于在煤井的坑道中发现,所以就称为坑气,沼气、坑气和天然煤气一样,它们的主要成分都是甲烷.
甲烷的物理性质 甲烷是无色、无嗅、无味的气体.它的比重是0.717克/升,约比空气轻一半,和相同状况(相同的温度和压力)下同体积空气的重量比是0.5517,甲烷很难溶解于水,在20C时,每1升的水约能溶解33毫升.
甲烷的分子式和分子结构 甲烷是可以燃烧的,从它的燃烧产物二氧化碳和水蒸气的定量测定,知道甲烷分子里仅仅含有碳和氢两种元素.
从甲烷的比重,可以算出它的1克分子重16.061克(0.717×22.4),可见它的分子量约等于16.根据分子量和重量组成,可以确定申烷的分子式是CH.
甲烷分子里的一个碳原子和四个氢原子是怎样结合成分子的呢?我们知道,碳原子的外层有四个电子(可以用简单的图式C表示),而氢原子外层只有一个电子.因此,每个碳原子可以和四个氢原子分别形成共价键.甲烷分子就是通过碳原子和氢原子之间的共用电子对而形成的.这样使得有关原子都具有稳定的电子外层(碳原子8个,氢原子2个).
甲烷的分子结构可以用下式表示:
前者称为电子式,后者称为结构式.元素符号间的“:”表示共用电子对,也就是相当于结构式中的“一”,这种短划是写写有机物结构式时用来表示价键的符号。
甲烷的分子结构,是不是象上面所写的那样,碳原子和四个氢原子都在同一个平面上呢?根据碳原子正四面体学说,认为碳原子是处在一个正四面体的中心,它的四个价键,由中心指向四面体的四个顶点,和四个氢原子以相同的价键结合,如图1·1(aの).我们也可以用不同颜色的小球代表不同的原子以短棒代表价键,做成如图11(の的甲烷分子模型,一般为了方便起见,写的结构式是模型在平面上的投影(如图1·1()所以甲烷分子的实际结构是碳原子和四个氢原子并不在同一个平面上的。
甲烷的化学性质
1.可燃性甲烷可以燃烧,在氧气充足的情况下,全部变为CO2和HO,发出淡蓝色火焰,并放出大量的热：
CH4+204=Co2+2H0+210.8千卡
由上式可知,1克分子体积的甲烷(22.4升)和2克分子体积的氧气(2×22.4升)可以完全反应.也就是甲煷和氧气完全反应时的体积之比是是1:2;如果换了空气,那末体积之比就是1:10,因为空气里约含有1/5体积的氧气.当甲烷和氧气在极短时间里完全反应时,由于放出大量的热使温度突然升高,而且反应生成物物又都是气体,体积骤然膨胀,结果就能发生猛烈的爆炸.甲烷的这种性质,使煤井里有可能发生爆炸,但是由于人类掌握了它的爆炸规律,就设法改进矿井的通风和照明设备,从而防止事故的发生,使生产得以安全地在地下进行。
如果氧气供给不充分,甲烷的燃烧便不完全,燃烧时有黑烟产生：
CH4+O2=C+2H2O
2.受热分解甲烷在隔绝空气强热时,随着温度的高低而有不同的两种分解反应.把甲烷加热到1000~1100°C,甲烷分解为它的组成元素碳和氢：
CH4=1100°C=C+2H2
如果在1500°C电弧的高温下,甲烷分解为氢气和乙炔(读做缺que)
2CH4=电弧（1500c）=3H2+C2H2(乙炔)
3.稳定性在通常情况下,甲烷的化学性质很不活泼我们用试管装几毫升淡紫色的高锰酸钾溶液(加稀硫酸几滴),并通进甲烷,溶液的紫红色不会消失,证明甲烷不能被强氧化剂如高锰酸钾溶液所氧化.同时甲烷也不跟强酸(H2SO4. HNO3)或强碱(NaoH,KOH)起反应。.
4.跟卤素的取代反应甲烷在常温下能跟氯气或溴起反应我们可以通过下面的实验来说明:
用一个大玻璃筒,把筒的容积划成五等分,在筒壁上做好标记.筒内装满饱和食盐水①,倒插在盛有食盐水的玻璃缸里.在光线较暗的地方色,从筒口通入甲烷,使筒内盐水排出到标记1的地方.接着改通氮气,使筒内的盐水排尽这样甲烷和氯气体积的比是1:4(如图1·2(a)
收集在筒内的氯气,本来是黄绿色,隔了一段时间后,看到色还渐变淡,筒壁上有油状液滴出现,同时食盐水的液面,也向筒内上升。
根据实验中液面上升的现象,我们知道筒内的气体压强减小了;油状液滴的出现和黄绿色的消失,说明甲烷跟氯气在光照下直接反应生成了新物质.经过研究知道,生成物是系列的甲烷氯代物的混和物以及易溶的氯化氢气体,反应是分步进行的：
①氯气不溶于饱和食盐水
②在阳光直射下,甲烷和氯气
CH4+C12=散射光=CH3C1(一氯甲烷）+HC1
CH3C1+C12=散射光=CH2C12(二氯甲烷）+HC1
H2C12+C12=散射光=CHC13[三氯甲烷(氯仿、哥罗仿）]+HC1
CHC13+C12=散射光=CC14[四氯甲烷(四氧化碳）]+HC1
氯原子进入甲烷分子里,把氢原子逐个代替了出来.这类反应在有机化学中称为为取代反应.也就是在有机化合物分子中的氢原子,被其他原子或原子团所代替的反应,叫做取代反应。
甲烷分子里的氢原子被卤素的原子取代,这种取代称为鹵代.由于卤代反应而生成的新的有机物,称为甲烷的卤代物,象一氯甲烷、二氯甲烷、·。·……·等,都是甲烷的卤(氯)代物。
这里还要说明一个新概念,就是把甲烷作为母体,经过鹵代反应,生成了一氯甲烷等四种卤代物,这些新物质,显然是由甲烷衍变而产生的,所以它们也叫做甲烷的衍生物.(关于衍生物在第二章里还要讨论.)
甲烷的用途 根据据上面所述的性质,甲烷具有下列各种用途:
1.燃燃料甲烷在燃烧时能放出大量的热,因此在家庭或工业上可用作为气体燃料.
2.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机溶剂.甲烷在不完全燃烧或高温下分解可得炭黑、氢气和乙炔.炭炭黑是制造印刷用的油墨和橡胶工业的原料之一;氢气用于氨和汽油的合成;乙炔可以用来合成橡胶、纤维和塑料等等。
甲烷的制取 实验室制取甲烷,用无水醋酸钠(CH3COON)和碱石灰(氢氧化钠跟石灰的混和物)的两种粉末按1:3(体积)混和均匀后,装在硬质试管里,使粉末斜铺在试管底部部,管口配单孔塞和导管,把试管水平地(管口略向下倾斜)固定在铁台上。
加热试管,由于碱石灰是氢氧化钠跟石灰的混和物,氢氧化钠跟醋酸进行反应而产生甲烷:
CH3（COONA+Na0）H=加热=CH1↑+Na2CO3
甲烷从导管逸出,可以用排水法集取(装置如图1-3(a)。
制得甲烷后,我们可以检验它的性质.先观察它的物理性质,它是无色而又不溶于水的气体.在排尽空气后在导管口上点火,观察它的可燃性,并注意火焰颜色(火焰应该呈淡蓝色,但在玻璃导管上或加热过强时均带黄色).用一只干燥的烧杯罩在火焰的上方,就能看到杯子边上产生水雾(图1·3(b);取下烧杯,倒入一些澄清的石灰水,石灰水变为浑浊,这就证明了甲烷的燃烧产物是二氧化碳和水.把甲烷的导管插人有淡紫色的高锰酸钾酸性稀溶液(加稀H2SO几滴)的试管中,使甲烷通过溶液(图1·3(c),结果紫色不变,证明甲烷的稳定性,它不能为高锰酸铆所氧化.这些实验都能验证我们上面所讲的甲烷的性质。
甲烷的实验室制取及其性质试验
工业上需用的甲烷 主要来自天然气,有时也可以从炼焦煤气里提取(见§1·1抽取3煤的干馏部分)。
在农村里,甲烷还可以通过发酵来制取.把含水90%左右的粪便垃圾、杂草等放在密闭的发酵池里,让一种不需要空气能生存的甲烷菌(称为嫌气性甲烷菌),在20~85C的温度下进行发酵酵,经过3~5天就有甲烷和二氧化碳产生,甲烷含量约达65%左右.发酵过的粪便和垃圾,由于其中的蛋白质已被分解成氨,氨气在密闭的发酵池里受压溶解于水,因此肥效反而会增加好多倍.一个发酵池,只要控制好温度、湿度和发酵原料,每天按比例取出旧料,加入新料,就可以连续使用.所产生的沼气,可作为燃料和动力,用以发电、点灯、烧、开动汽车和拖拉机等.这样就节约了石油和煤炭的消耗,那是非常节约的办法。
