甲烷

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May 26, 2022

甲烷是一种简单的碳氢化合物(烷烃),由一个碳原子和四个氢原子组成;其化学式为CH4,以气体形式天然存在。

背景

发现

1776 年秋天,亚历山德罗·沃尔塔研究了一种甚至在更远的时代已知的现象,由卡洛·朱塞佩·坎皮 (Carlo Giuseppe Campi) 向他报告:在兰布罗河的一个停滞弯道,当火焰接近地表时,天体的火焰被点燃。几年前,拉瓦锡、富兰克林和普里斯特利已经分别研究了这种现象,并被简单地归类为矿物来源的易燃空气呼出。沃尔特想更深入地研究这个问题。当他在朋友 Teresa Castiglioni(Angera 1750 - Como 1821)的家中做客时,Alessandro Volta 在 Bruschera(瓦雷泽省)的 Partegora 岛的沼泽中发现了易燃空气。试图移动底部在一根棍子的帮助下,他看到气泡上升,并把它们收集在瓶子里。他将这种气体命名为可燃沼气,并发现它可以通过点燃的蜡烛或放电来点燃。他推断气体是在动植物物质分解过程中形成的。立即想到它的实际用途,他首先用木头、金属和玻璃制造了电子气动枪,其目的是远距离传输信号,后来他制造了易燃空气灯并完善了用于测量和气体分析的eudiometer .为了进一步证实他的论点,他于 1780 年前往托斯卡纳亚平宁山脉的彼得拉马拉,那里有著名的小精灵。1805 年,威廉亨利确定了气体的正确成分。

意大利的甲烷提取

1959 年 6 月,在意大利洛迪附近,由恩里科·马泰 (Enrico Mattei) 主持的埃尼钻探发现了西欧的第一个深层矿床。随后,在亚得里亚海开始了调查,但前两次钻探给出了负面结果,因此埃尼放弃了将资源分配到红海钻探的想法。在埃及政府批准之前,埃尼决定在拉文纳海岸进行第三次钻探,取得了积极成果。1959 年,第一个甲烷平台投入运行。在克罗托内海岸附近,埃尼的平台目前提取了全国约 15% 的甲烷消费量,用于民用和工业用途。

理化性质

甲烷分子呈四面体形状;碳原子位于正四面体的中心,其顶点是氢原子。键角为109.5°。甲烷分子有一个 sp3 杂化原子轨道,就像烷烃类分子的所有碳一样,它是其中最短的成员;因此它有 4 个等效的 CH 键。在环境温度和压力下,它是一种无色、无味且高度易燃的气体。另一方面,液态甲烷是通过将气体冷却至 –162 °C 的温度而获得的,同样是在大气压下。

世界上的丰富性和可用性

地下

甲烷是一些有机物质在没有氧气的情况下分解的结果。大多数甲烷是通过从其地下沉积物中提取而获得的,在那里它通常与其他碳氢化合物结合,这是史前深埋的有机物质分解的结果。甲烷通常存在于油田中(但也有巨大的甲烷油田)。甲烷来源于烃源岩,所有烃类(从固体 - 沥青,到液体 - 石油,再到气态,例如甲烷本身)逐渐衍生(通过干酪根的裂解)。当石油被提取时,甲烷也会上升到地表,平均数量等于石油本身。如果存款远离消费地或位于公海,几乎不可能使用这些甲烷,因此在井出口燃烧而不以任何方式使用,或者通过使用离心式或往复式压缩机将其泵回油田,进一步有利于出口原油由于压力。大约三分之二提取的甲烷未被使用而是分散到大气中,因为通过管道运输天然气的成本是石油的四倍,因为天然气的密度要低得多。原油产量受压。大约三分之二提取的甲烷未被使用而是分散到大气中,因为通过管道运输天然气的成本是石油的四倍,因为天然气的密度要低得多。原油产量受压。大约三分之二提取的甲烷未被使用而是分散到大气中,因为通过管道运输天然气的成本是石油的四倍,因为天然气的密度要低得多。

在海底

据估计,以甲烷包合物形式存在的大量甲烷存在于海底。

在地球大气中

甲烷是一种存在于地球大气中的温室气体,其浓度远低于二氧化碳,但其全球变暖潜势却高出 21 倍。甲烷排放到大气中的主要来源是: 垃圾填埋场中城市固体废物的分解 自然资源(沼泽):23% 从化石燃料中提取:20% 动物(牲畜)的消化过程:17% 在稻田中发现的细菌:12 % 生物质的加热或厌氧消化。世界排放的 60% 到 80% 来自人类。它们主要来自煤矿、垃圾填埋场、石油活动、天然气管道和农业。它在大气中的浓度从 1000-1750 年期间的 700 ppb(十亿分之一)增加到 2000 年的 1,750 ppb,增加了 150%。到 2019 年 5 月,该值已升至 1862.8 ppb。温室效应增加的 18% 是甲烷造成的。通过增加自然系统内甲烷的释放,全球变暖也会增加大气中的甲烷水平。它在北半球以更高的浓度存在。

在其他星球上

甲烷的存在已在太阳系的许多地方得到证实或假设。在大多数情况下,它被认为起源于非生物过程。可能的例外是火星和泰坦月亮——它们有从表面渗出的痕迹。火星——火星大气中含有一些甲烷。 2009 年 1 月,美国宇航局的研究人员观察到甲烷从地表排放到特定区域的大气中,这表明它们可能与地下发生的生物活动有关。木星 - 行星的大气层由大约 0.3% 的甲烷组成。土星——这颗行星的大气层由大约 0.4% 的甲烷组成。 Iapetus Titan - 它的大气层包含大约 1,在地表观察到了 6% 的甲烷和数以千计的液态甲烷湖。在高层大气中,甲烷被转化为更复杂的分子,包括乙炔,这一过程也会产生分子氢。还观察到在表面附近乙炔和氢气返回形成甲烷:假设存在一些奇异的催化剂或更奇异的产甲烷生命形式。土卫二——它的大气中含有大约 1.7% 的甲烷。天王星——这颗行星的大气层含有大约 2.3% 的甲烷。 Ariel - 甲烷被认为是 Ariel 表面冰的成分之一。 Miranda Oberon - Oberon 表面大约 20% 的冰由类似于甲烷和氮化合物的碳基化合物组成。二氧化钛 - 大约 20% 的二氧化钛表面冰由与甲烷相关的有机化合物组成。 Umbriel - 甲烷是地表冰的成分之一。海王星——这颗行星的大气层含有大约 1.6% 的甲烷。 Tritone - Tritone 具有微弱的氮气氛,表面有微量的甲烷。冥王星 - 冥王星表面的光谱分析显示存在痕量甲烷。 Charon - 假设 Charon 上存在甲烷,但尚未得到明确证实。阋神星——红外光谱揭示了甲烷冰的存在。哈雷彗星百武彗星——来自地球的观测表明彗星中存在甲烷和乙烷。系外行星 HD 189733b - 这是首次在太阳系外行星上检测到有机化合物。它的起源仍然未知,因为这颗行星的高表面温度(700°C)通常有利于一氧化碳的形成。星际云

反应性

除燃烧外,甲烷反应大多在高压和/或高温下进行,但几乎总是在催化剂存在下进行。以硫酸和二氯联嘧啶铂为催化剂氧化甲烷,在220℃和34atm的压力下,约90%的甲烷转化为硫酸氢甲酯;通过随后的水解得到甲醇和起始硫酸,但该过程被认为效率不高。甲烷中的共价碳氢键是所有碳氢化合物中最强的一种;由于这个原因,甲烷的反应性低于其他碳氢化合物,因此它在化学工业中作为原料的使用受到限制。寻找可以促进甲烷和其他轻质烷烃中 CH 键的活化是一个具有重要工业意义的研究领域。通过去除一个氢原子,甲烷形成甲基自由基(CH3•),而如果去除两个氢原子,形成的自由基称为亚甲基(•CH2•)。

燃烧

甲烷是天然气的主要成分,因为它的热值很高,所以是一种极好的燃料。在氧气存在下燃烧一分子甲烷会形成一分子 CO2(二氧化碳)、两分子 H2O(水)并释放出一定量的热量:CH 4 + 2 O 2 ⟶ CO 2 + 2 H 2 O {\ displaystyle {\ ce {CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}}} 反应的燃烧热为负(燃烧反应为放热反应) ;考虑到甲烷的燃烧反应是一个封闭系统,反应热等于-891 kJ/mol。大约 50.0 兆焦耳从一公斤甲烷的燃烧中获得。燃烧一标准立方米(1 Nm3 相当于 44.61 摩尔的物质)甲烷,可得到约 39.79 MJ(9.503.86 kcal)。

主要应用和用途

甲烷主要用于能源领域,用于加热或为燃气灶提供动力。然后它被用于农业部门,以在温室中创造理想的气候。最后,它被用作为汽车和卡车提供动力的燃料(在火花点火和自燃的情况下),这些车辆被称为天然气车辆。甲烷是无味、无色和无味的,因此要在家庭网络中分配,它必须通过研磨具有特征“气体气味”的液体的过程“加臭”——通常是硫醇(硫醇)。为了在发生泄漏时能够注意到气体的存在并降低意外火灾和爆炸的风险,此程序是必不可少的。

分子的 3D 图像

笔记

参考书目

Centro Gas Metano,了解甲烷:甲烷从起源到现在的悠久历史,Centro Gas Metano,1990 年。 Centro Gas Metano,甲烷使用说明:以最佳方式使用甲烷设备所需的一切, Centro Gas Metano,1990。Mario Dente,Eliseo Ranzi,甲烷和轻烃的热解、部分氧化和燃烧,米兰理工大学,工业化学和化学工程系,1991。Eugenio Foschi,Lino Foschi,内部系统甲烷气体,Maggioli编辑,1992 年,ISBN 88-387-9173-2。Matteo Troilo,《克利奥》中从战后第二次到 60 年代初的意大利碳氢化合物研究,第 XLI 年,n。4, 2005, 页。701-718。

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外部链接

(EN) 甲烷,他的大英百科全书,大英百科全书,Inc. Gas.it。(EN) epa.gov:甲烷科学,su epa.gov。