一、物质概况

甲烷（化学式：CH₄，分子量16.043）是最简单的有机物，属于链状脂肪烃，常温下为无色无臭气体，难溶于水（常温常压溶解度0.03），密度0.717g/L（标准状况），对空气的相对密度为0.55，易燃烧且无毒。其物理特性显著：熔点-182.5℃，沸点-161.5℃，闪点-188℃，引燃温度538℃，临界温度-82.6℃，临界压力4.59MPa。作为天然气、页岩气、可燃冰的主要成分，甲烷是重要的碳基资源，同时也是主要的非CO₂温室气体，其分解产生的水蒸气会破坏臭氧层。

二、化学性质

1. 稳定性：甲烷化学性质稳定，不与高锰酸钾等强氧化剂、强酸或强碱反应。

2. 取代反应：在光照条件下可与氯气发生连锁取代，生成CH₃Cl、CH₂Cl₂、CHCl₃（氯仿）和CCl₄（四氯化碳）等卤代物。

3. 燃烧反应：

○ 火焰燃烧：完全燃烧生成CO₂和H₂O，化学方程式为CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O[5]。

○ 催化燃烧：需贵金属（如Pd、Pt基）或非贵金属（如钙钛矿、尖晶石）催化剂，用于高效能源转化。

三、来源与生成机制

1. 天然来源：约20%的甲烷来自古代地质储层（如煤层、海底天然气藏、永久冻土），经数百万年缓慢释放。

2. 近代来源：主要由生物厌氧分解产生，包括牛群（反刍动物肠道发酵）、稻田、沼泽、垃圾填埋场及白蚁活动等。

3. 生成机理：

○ 生物途径：细菌在缺氧环境下分解有机物，若有氧则生成CO₂，无氧时生成甲烷。

○ 煤转化：煤炭热解通过煤样直接加氢（Coal-CH₃+H*→Coal+CH₄）、固态产物氢化（C+2H₂→CH₄）及液态产物二次热解生成甲烷。

四、爆炸特性与安全风险

甲烷是易燃气体，爆炸极限为5.3%~15%（V/V），浓度达9.5%时爆炸最剧烈。氧浓度影响爆炸范围：氧浓度低于12%时，混合气体失去爆炸性。运输中需遵守危险品管理规定（UN编号1971），使用钢质气瓶，远离火源，避免交叉堆放，排气管需装阻火装置。

五、制备方法

1. 实验室制备：通过乙酸钠与氢氧化钠反应（CH₃COONa+NaOH→CH₄↑+Na₂CO₃），装置需加热并采用排水法收集。

2. 工业制备：

○ 煤转化：煤炭热解或气化生成合成气（CO+H₂），再经重整反应制甲烷。

○ 天然气分离：直接从天然气中提纯，或通过沼气净化获得。

六、应用领域

1. 能源利用：作为燃料广泛用于民用燃气、发电及交通运输。

2. 化工原料：

○ 直接转化：通过氧化偶联（OCM）制乙烯、无氧芳构化（MDA）制苯等芳烃，或直接制乙烯（MTOAH），需高效催化剂（如Mo/ZSM-5、Pt-CeO₂）。

○ 间接转化：经水蒸气重整（SRM）、部分氧化（POM）或CO₂重整（CDM）生成合成气，再通过甲醇合成、费托合成制燃料及高值化学品。

3. 其他用途：用于生产炭黑（橡胶补强剂）、氢气、乙炔及甲醛等。

七、环境影响与管控

甲烷是强效温室气体，其增温潜势（GWP）为CO₂的28~36倍（100年尺度）。控制甲烷排放需从源头入手：煤矿瓦斯抽采利用（中国已形成抚顺、阳泉等抽采模式）、垃圾填埋气回收、改进稻田灌溉技术等。