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一、物質概況

甲烷（化學式：CH?，分子量16.043）是最簡單的有機物，屬于鏈狀脂肪烴，常溫下為無色無臭氣體，難溶于水（常溫常壓溶解度0.03），密度0.717g/L（標準狀況），對空氣的相對密度為0.55，易燃燒且無毒。其物理特性顯著：熔點-182.5℃，沸點-161.5℃，閃點-188℃，引燃溫度538℃，臨界溫度-82.6℃，臨界壓力4.59MPa。作為天然氣、頁巖氣、可燃冰的主要成分，甲烷是重要的碳基資源，同時也是主要的非CO?溫室氣體，其分解產生的水蒸氣會破壞臭氧層。

二、化學性質

1. 穩定性：甲烷化學性質穩定，不與高錳酸鉀等強氧化劑、強酸或強堿反應。

2. 取代反應：在光照條件下可與氯氣發生連鎖取代，生成CH?Cl、CH?Cl?、CHCl?（氯仿）和CCl?（四氯化碳）等鹵代物。

3. 燃燒反應：

○ 火焰燃燒：完全燃燒生成CO?和H?O，化學方程式為CH?+2O?→CO?+2H?O[5]。

○ 催化燃燒：需貴金屬（如Pd、Pt基）或非貴金屬（如鈣鈦礦、尖晶石）催化劑，用于高效能源轉化。

三、來源與生成機制

1. 天然來源：約20%的甲烷來自古代地質儲層（如煤層、海底天然氣藏、永久凍土），經數百萬年緩慢釋放。

2. 近代來源：主要由生物厭氧分解產生，包括牛群（反芻動物腸道發酵）、稻田、沼澤、垃圾填埋場及白蟻活動等。

3. 生成機理：

○ 生物途徑：細菌在缺氧環境下分解有機物，若有氧則生成CO?，無氧時生成甲烷。

○ 煤轉化：煤炭熱解通過煤樣直接加氫（Coal-CH?+H*→Coal+CH?）、固態產物氫化（C+2H?→CH?）及液態產物二次熱解生成甲烷。

四、爆炸特性與安全風險

甲烷是易燃氣體，爆炸極限為5.3%~15%（V/V），濃度達9.5%時爆炸最劇烈。氧濃度影響爆炸范圍：氧濃度低于12%時，混合氣體失去爆炸性。運輸中需遵守危險品管理規定（UN編號1971），使用鋼質氣瓶，遠離火源，避免交叉堆放，排氣管需裝阻火裝置。

五、制備方法

1. 實驗室制備：通過乙酸鈉與氫氧化鈉反應（CH?COONa+NaOH→CH?↑+Na?CO?），裝置需加熱并采用排水法收集。

2. 工業制備：

○ 煤轉化：煤炭熱解或氣化生成合成氣（CO+H?），再經重整反應制甲烷。

○ 天然氣分離：直接從天然氣中提純，或通過沼氣凈化獲得。

六、應用領域

1. 能源利用：作為燃料廣泛用于民用燃氣、發電及交通運輸。

2. 化工原料：

○ 直接轉化：通過氧化偶聯（OCM）制乙烯、無氧芳構化（MDA）制苯等芳烴，或直接制乙烯（MTOAH），需高效催化劑（如Mo/ZSM-5、Pt-CeO?）。

○ 間接轉化：經水蒸氣重整（SRM）、部分氧化（POM）或CO?重整（CDM）生成合成氣，再通過甲醇合成、費托合成制燃料及高值化學品。

3. 其他用途：用于生產炭黑（橡膠補強劑）、氫氣、乙炔及甲醛等。

七、環境影響與管控

甲烷是強效溫室氣體，其增溫潛勢（GWP）為CO?的28~36倍（100年尺度）。控制甲烷排放需從源頭入手：煤礦瓦斯抽采利用（中國已形成撫順、陽泉等抽采模式）、垃圾填埋氣回收、改進稻田灌溉技術等。