甲烷是一種有機(jī)化合物，分子式是CH4，分子量為16.043。甲烷是最簡單的有機(jī)物，也是含碳量最?。ê瑲淞孔畲螅┑臒N。甲烷在自然界的分布很廣，是天然氣，沼氣，坑氣等的主要成分，俗稱瓦斯。它可用來作為燃料及制造氫氣、炭黑、一氧化碳、乙炔、氫氰酸及甲醛等物質(zhì)的原料。

甲烷，化學(xué)式CH4，是最簡單的烴，由一個碳和四個氫原子通過sp3雜化的方式組成，因此甲烷分子的結(jié)構(gòu)為正四面體結(jié)構(gòu)，四個鍵的鍵長相同鍵角相等。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷是一無色無味氣體。一些有機(jī)物在缺氧情況下分解時所產(chǎn)生的沼氣其實就是甲烷。從理論上說，甲烷的鍵線式可以表示為一個點“·”，但實際并沒有看到過有這種用法，可能原因是“·”號同時可以表示電子。所以在中學(xué)階段把甲烷視為沒有鍵線式。

甲烷主要是作為燃料，如天然氣和煤氣，廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)中。作為化工原料，可以用來生產(chǎn)乙炔?、氫氣、合成氨、碳黑、二硫化碳、一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氫氰酸等。

含量分布

系外行星HD 189733b與其環(huán)繞的恒星模擬圖

天王星的大氣層也存在甲烷和氫氣。據(jù)德國核物理研究所的科學(xué)家經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，植物和落葉都產(chǎn)生甲烷，而生成量隨著溫度和日照的增強(qiáng)而增加。另外，植物產(chǎn)生的甲烷是腐爛植物的10到100倍。他們經(jīng)過估算認(rèn)為，植物每年產(chǎn)生的甲烷占到世界甲烷生成量的10%到30%。行星中發(fā)現(xiàn)甲烷據(jù)國外媒體報道，美國天文學(xué)家19日宣布，他們首次在太陽系外一顆行星的大氣中發(fā)現(xiàn)了甲烷，這是科學(xué)家首次在太陽系外行星探測到有機(jī)分子，從而增加了確認(rèn)太陽系外存在生命的希望。該小組還證實了先前的猜測，即這顆名叫HD189733b的行星的大氣中有水。

甲烷是創(chuàng)造適合生命存在的條件中，扮演重要角色的有機(jī)分子。美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室的天文學(xué)家，利用繞軌運行的“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡得到了一張行星大氣的紅外線分光鏡圖譜，并發(fā)現(xiàn)了其中的甲烷痕跡。

行星HD 189733b位于狐貍座，距地球63光年，是一類叫做“熱木星”大行星，其表面灼熱，不可能存在液態(tài)水。HD 189733b圍繞其恒星轉(zhuǎn)一圈只需兩天。由于距離恒星太近，這顆行星表面溫度高達(dá)900℃（1650華氏度），足以把銀子熔化。

不過，值得注意的是探測到甲烷。這種方法可以沿用到環(huán)繞所謂的“可居住區(qū)”（Goldilocks Zone）中溫度較低的恒星運轉(zhuǎn)的其它行星，“可居住區(qū)”不冷也不熱，正好適合孕育生命。

通常情況下，甲烷比較穩(wěn)定，與高錳酸鉀等強(qiáng)氧化劑不反應(yīng)，與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿也不反應(yīng)。但是在特定條件下，甲烷也會發(fā)生某些反應(yīng)。

取代反應(yīng)

甲烷的鹵化中，主要有氯化、溴化。甲烷與氟反應(yīng)是大量放熱的，一旦發(fā)生反應(yīng)，大量的熱難以移走，破壞生成的氟甲烷，只得到碳和氟化氫。因此直接的氟化反應(yīng)難以實現(xiàn)，需用稀有氣體稀釋。碘與甲烷反應(yīng)需要較高的活化能，反應(yīng)難以進(jìn)行。因此，碘不能直接與甲烷發(fā)生取代反應(yīng)生成碘甲烷。但它的逆反應(yīng)卻很容易進(jìn)行。

以氯化為例：可以看到試管內(nèi)氯氣的黃綠色氣體逐漸變淡，有白霧生成，試管內(nèi)壁上有油狀液滴生成，這是甲烷和氯氣反應(yīng)的所生成的一氯甲烷、二氯甲烷、氯仿（或三氯甲烷）、四氯化碳（或四氯甲烷）、氯化氫和少量的乙烷（雜質(zhì)）的混合物。

試管中液面上升，食鹽水中白色晶體析出，這是反應(yīng)中生成的氯化氫溶于水的緣故。因為氯化氫極易溶于水，溶于水后增加了水中氯離子的濃度，使氯化鈉晶體析出。用大拇指按住試管管口，提出液面，管口向上，向試管中滴入紫色石蕊試液或鋅粒，可驗證它是稀鹽酸。

如果控制氯的用量，用大量甲烷，主要得到氯甲烷；如用大量氯氣，主要得到四氯化碳。工業(yè)上通過精餾，使混合物一一分開。以上幾個氯化產(chǎn)物，均是重要的溶劑與試劑。

特點：①在室溫暗處不發(fā)生反應(yīng)；

②高于250℃發(fā)生反應(yīng)；

③在室溫有光作用下能發(fā)生反應(yīng)；

④用光引發(fā)反應(yīng)，吸收一個光子就能產(chǎn)生幾千個氯甲烷分子；

⑤如有氧或有一些能捕捉自由基的雜質(zhì)存在，反應(yīng)有一個誘導(dǎo)期，誘導(dǎo)期時間長短與存在這些雜質(zhì)多 少有關(guān)。

根據(jù)上述事實的特點可以判斷，甲烷的氯化是一個自由基型的取代反應(yīng)。如圖。?[4]?

氧化反應(yīng)

甲烷最基本的氧化反應(yīng)就是燃燒：

CH4+2O2→CO2+2H2O

甲烷的含氫量在所有烴中是最高的，達(dá)到了25%，因此相同質(zhì)量的氣態(tài)烴完全燃燒，甲烷的耗氧量最高。

點燃純凈的甲烷，在火焰的上方罩一個干燥的燒杯，很快就可以看到有水蒸汽在燒杯壁上凝結(jié)。倒轉(zhuǎn)燒杯，加入少量澄清石灰水，震蕩，石灰水變渾濁。說明甲烷燃燒生成水和二氧化碳。把甲烷氣體收集在高玻璃筒內(nèi)，直立在桌上，移去玻璃片，迅速把放有燃燒著的蠟燭的燃燒匙伸入筒內(nèi)，燭火立即熄滅，但瓶口有甲烷在燃燒，發(fā)出淡藍(lán)色的火焰。這說明甲烷可以在空氣里安靜地燃燒，但不助燃。用大試管以排水法先從氧氣貯氣瓶里輸入氧氣2/3體積，然后再通入1/3體積的甲烷。用橡皮塞塞好，取出水面。將試管顛倒數(shù)次，使氣體充分混和。用布把試管外面包好，使試管口稍微下傾，拔去塞子，迅速用燃著的小木條在試管口引火，即有尖銳的爆鳴聲發(fā)生。這個實驗雖然簡單，但也容易失敗。把玻璃導(dǎo)管口放出的甲烷點燃，把它放入貯滿氯氣的瓶中，甲烷將繼續(xù)燃燒，發(fā)出紅黃色的火焰，同時看到有黑煙和白霧。黑煙是炭黑，白霧是氯化氫氣體和水蒸氣形成的鹽酸霧滴。

加熱分解

在隔絕空氣并加熱至1000℃的條件下，甲烷分解生成炭黑和氫氣

氫氣是合成氨及汽油等工業(yè)的原料；炭黑是橡膠工業(yè)的原料。

形成水合物

甲烷可以形成籠狀的水合物，甲烷被包裹在“籠”里。也就是我們常說的可燃冰。它是在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、PH值等）下由水和天然氣在中高壓和低溫條件下混合時組成的類冰的、非化學(xué)計量的、籠形結(jié)晶化合物（碳的電負(fù)性較大，在高壓下能吸引與之相近的氫原子形成氫鍵，構(gòu)成籠狀結(jié)構(gòu)）。它可用mCH4·nH2O來表示，m代表水合物中的氣體分子，n為水合指數(shù)（即水分子數(shù)）。

可燃冰主要儲存于海底或寒冷地區(qū)的永久凍土帶，比較難以尋找和勘探。新研制的靈敏度極高的儀器，可以實地即時測出海底土壤、巖石中各種超微量甲烷、乙烷、丙烷及氫氣的精確含量，由此判斷出可燃冰資源存在與否和資源量等各種指標(biāo)。

甲烷含量超過99%的天然氣水合物又稱為甲烷水合物。

甲烷是一種很重要的燃料，是天然氣的主要成分，約占87%。在標(biāo)準(zhǔn)壓力的室溫環(huán)境中，甲烷無色、無味；家用天然氣的特殊味道，是為了安全而添加的人工氣味，通常是使用甲硫醇或乙硫醇。在一大氣壓力的環(huán)境中，甲烷的沸點是?161°C?？諝庵械耐咚购恐灰^5%～15%就十分易燃。液化的甲烷不會燃燒，除非在高壓的環(huán)境中（通常是4～5大氣壓力）。中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，甲烷氣瓶為棕色，白字。

甲烷高溫分解可得炭黑，用作顏料、油墨、油漆以及橡膠的添加劑等；氯仿和CCl4都是重要的溶劑。甲烷在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、坑氣的主要成分之一。它可用作燃料及制造氫、一氧化碳、炭黑、乙炔、氫氰酸及甲醛等物質(zhì)的原料。甲烷用作熱水器、燃?xì)鉅t熱值測試標(biāo)準(zhǔn)燃料。生產(chǎn)可燃?xì)怏w報警器的標(biāo)準(zhǔn)氣，校正氣。還可用作太陽能電池，非晶硅膜氣相化學(xué)沉積的碳源。以及甲烷用作醫(yī)藥化工合成的生產(chǎn)原料。

除作燃料外，大量用于合成氨、尿素和炭黑，還可用于生產(chǎn)甲醇、氫氣、乙炔、乙烯、甲醛、二硫化碳、硝基甲烷、氫氰酸和1,4-丁二醇等。甲烷氯化可得一、二、三氯甲烷及四氯化碳。