甲烷的性質(zhì)和用途
實(shí)驗(yàn)室k / 2019-05-07
甲烷是由一個(gè)碳原子和四個(gè)氫原子所組成，分子式為CH4，是最簡(jiǎn)單的有機(jī)物。我們對(duì)烷烴的研究，就先從它開始。
甲烷是一種無(wú)色、無(wú)氣味、無(wú)毒的氣體，比空氣輕，微溶于水，易溶于汽油、煤油等有機(jī)溶劑。
在一般情況下，甲烷的化學(xué)性質(zhì)很不活潑，強(qiáng)酸（濃硫酸、濃硝酸）、強(qiáng)堿（熔融的氫氧化鈉）或強(qiáng)氧化劑等也不易與它反應(yīng)。例如，把甲烷通入酸性高錳酸鉀（KMnO4）溶液里，紫色并不褪去。但我們并不能因此而得出結(jié)論，認(rèn)為甲烷性質(zhì)太穩(wěn)定，就無(wú)法進(jìn)行化學(xué)利用了。唯物辯證法告訴我們：絕對(duì)的肯定或絕對(duì)的否定都是錯(cuò)誤的。甲烷在通常條件下雖然表現(xiàn)穩(wěn)定，但這種穩(wěn)定是有條件的、相對(duì)的，在適當(dāng)條件下，它也會(huì)變得活潑起來(lái)。人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，逐漸掌握了它的變化規(guī)律，使天然氣成為現(xiàn)代工業(yè)上重要的能源和化工原料。
1．氧化與燃燒：甲烷在常溫時(shí)，不能被強(qiáng)氧化劑氧化，但在高溫時(shí)能在空氣中燃燒，發(fā)出淡藍(lán)色火焰，同時(shí)分子破裂，碳原子和氫原子分別與空氣中的氧結(jié)合，生成二氧化碳和水，并釋放出大量的熱：
CH4＋2O2 → （燃燒）CO2＋2H2O＋熱
甲烷燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱和光就是我們用作動(dòng)力和照明的基礎(chǔ)。但是，事物總是一分為二的，當(dāng)甲烷與空氣混合并在含甲烷5～14％時(shí)，遇火花就會(huì)發(fā)生猛烈的爆炸，煤礦瓦斯爆炸實(shí)際上就是甲烷可燃性所造成的不利的一面在起作用。但只要采取改善礦井通風(fēng)條件，使礦井中甲烷含量不在上述比例范圍內(nèi)就可避免事故發(fā)生。
當(dāng)甲烷在空氣不足時(shí)燃燒，會(huì)產(chǎn)生大量黑煙，這叫做不完全燃燒，工業(yè)上利用這個(gè)原理，以甲烷為原料來(lái)制取炭黑：
CH4＋O2 → （不完全燃燒）C＋2H2O
炭黑大量用作增強(qiáng)橡膠耐磨性的填充劑，也是黑色顏料、油漆、油墨和墨汁的原料。
2．裂解反應(yīng)：在沒(méi)有空氣存在的情況下，給甲烷施以高溫，甲烷分子便會(huì)破裂“分家”，這種反應(yīng)叫做裂解反應(yīng)。例如，甲烷在1000～1200℃高溫下生成炭黑和氫氣。如果溫度再高，兩個(gè)甲烷分子又會(huì)轉(zhuǎn)化成含兩個(gè)碳原子的乙炔：
CH4 → （1000~1200℃）C＋2H2
2CH4 → （1500℃）H－C≡C－H（乙炔）＋3H2
乙炔是非常重要的有機(jī)化工原料。工業(yè)上利用天然氣來(lái)生產(chǎn)乙炔是今后發(fā)展的方向。副產(chǎn)物氫氣還可用做合成氨等的原料。
3．與水反應(yīng)：甲烷和水蒸汽在高溫與催化劑的存在下作用，生成一氧化碳和氫氣：
CH4＋H2O → （鎳，860~900℃）CO＋3H2
一氧化碳和氫氣的混合氣稱為合成氣。工業(yè)上利用天然氣來(lái)制造氮肥，主要是將甲烷轉(zhuǎn)化為合成氣，再用其中的氫氣與空氣中的氮?dú)饣铣砂保∟H3）。合成氣也是制造甲醇（CH3OH）的重要原料。
4．鹵代反應(yīng)：烴類分子中的氫原子被其他原子或原子團(tuán)所取代的反應(yīng)叫做取代反應(yīng)。取代反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)中的基本反應(yīng)之一。在取代反應(yīng)中，烴類的氫原子如被鹵素（Cl、Br等原子）所取代則叫做鹵代反應(yīng)。例如，甲烷與氯氣在散射光的作用下（不能由日光直接照射）發(fā)生鹵代反應(yīng)，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷與四氯化碳的混合物：
要使這些混合物彼此分離是比較困難的，但在工業(yè)生產(chǎn)上，可以用控制反應(yīng)時(shí)的條件如調(diào)節(jié)氯氣和甲烷的用量來(lái)使某一鹵代產(chǎn)物成為主要產(chǎn)物。這些產(chǎn)物除都可用作有機(jī)溶劑外，其中三氯甲烷還是制造“塑料王”聚四氟乙烯的重要原料，而四氯化碳又可用作滅火劑。
甲烷的溴代反應(yīng)較氯代反應(yīng)為慢，所得到的溴甲烷是一種常用的農(nóng)藥熏蒸劑。氟代反應(yīng)很猛烈，要在特殊條件下進(jìn)行，而碘代反應(yīng)一般較難進(jìn)行。甲烷的用途還很多，如它和硝酸經(jīng)過(guò)硝化反應(yīng)可制得硝基甲烷（CH3NO2），它是制造農(nóng)藥的原料。通過(guò)氨氧化制得的氫氰酸（HCN），是制造合成羊毛單體丙烯腈（音青，qīng，CH2＝CH－CN）和塑料有機(jī)玻璃單體的重要原料。
天然氣（甲烷）的利用綜如下圖：
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