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甲烷是最簡單的烴,在理論上可以說它是一切有機物的母體.在自然界里甲烷有多種來源,其中比較集中的是蘊藏在地層里的天然氣.天然氣是一種可燃性氣體,又稱為“天然煤氣”,它的主要成分就是甲烷(以體積計約占85~95%)天然氣通過地層裂口,或由人工鑿井而冒出地面,成為人類利用的重要資源.我國早在漢末晉初時,四川自貢市一帶就有人開始鉆井使用天然氣了有毒氣體檢測儀,到了宋朝,已經(jīng)大規(guī)模用來煎制井鹽.所以我國四川是世界上著名的天然氣產(chǎn)地之一,.天然氣的形成,據(jù)科學家的研究,認為是和石油的形成相一致的.由于甲烷等是分子量比較小的烴,在常溫下成氣態(tài),所以天然氣往往和石汕礦共存,或蘊藏在石油產(chǎn)區(qū)的附近.

①烴(音聽,碳氫切ting)用“火”表示有可燃性,用“”表示它是碳和氫的化合物.碳為一切有機物所共有,雖未在字形上有所表示,但在讀音中可以顯示出來.

甲烷除來自天然氣外,還存在于自然界的其他地方,例如不常流動的靜水池沼底下,當沉積的有機物受著菌類的發(fā)酵作用時,會產(chǎn)生氣體冒出水面來,因為它源出于池沼,所以稱為沼氣.另外,在煤的形成過程中,植物殘體在隔絕空氣下進行分解,也有同樣的氣體產(chǎn)生,由于在煤井的坑道中發(fā)現(xiàn),所以就稱為坑氣,沼氣、坑氣和天然煤氣一樣,它們的主要成分都是甲烷.

甲烷的物理性質(zhì) 甲烷是無色、無嗅、無味的氣體.它的比重是0.717克/升,約比空氣輕一半,和相同狀況(相同的溫度和壓力)下同體積空氣的重量比是0.5517,甲烷很難溶解于水,在20C時,每1升的水約能溶解33毫升.

甲烷的分子式和分子結(jié)構 甲烷是可以燃燒的,從它的燃燒產(chǎn)物二氧化碳和水蒸氣的定量測定,知道甲烷分子里僅僅含有碳和氫兩種元素.

從甲烷的比重,可以算出它的1克分子重16.061克(0.717×22.4),可見它的分子量約等于16.根據(jù)分子量和重量組成,可以確定申烷的分子式是CH.

甲烷分子里的一個碳原子和四個氫原子是怎樣結(jié)合成分子的呢?我們知道,碳原子的最外層有四個電子(可以用簡單的圖式C表示),而氫原子外層只有一個電子.因此,每個碳原子可以和四個氫原子分別形成共價鍵.甲烷分子就是通過碳原子和氫原子之間的共用電子對而形成的.這樣使得有關原子都具有穩(wěn)定的電子外層(碳原子8個,氫原子2個).

甲烷的分子結(jié)構可以用下式表示:

前者稱為電子式,后者稱為結(jié)構式.元素符號間的“:”表示共用電子對,也就是相當于結(jié)構式中的“一”,這種短劃是寫寫有機物結(jié)構式時用來表示價鍵的符號。

甲烷的分子結(jié)構,是不是象上面所寫的那樣,碳原子和四個氫原子都在同一個平面上呢?根據(jù)碳原子正四面體學說,認為碳原子是處在一個正四面體的中心,它的四個價鍵,由中心指向四面體的四個頂點,和四個氫原子以相同的價鍵結(jié)合,如圖1·1(aの).我們也可以用不同顏色的小球代表不同的原子以短棒代表價鍵,做成如圖11(の的甲烷分子模型,一般為了方便起見,寫的結(jié)構式是模型在平面上的投影(如圖1·1()所以甲烷分子的實際結(jié)構是碳原子和四個氫原子并不在同一個平面上的。

甲烷的分子結(jié)構

甲烷的化學性質(zhì)

1.可燃性甲烷可以燃燒,在氧氣充足的情況下,全部變?yōu)镃O2和HO,發(fā)出淡藍色火焰,并放出大量的熱：

CH4+204=Co2+2H0+210.8千卡

由上式可知,1克分子體積的甲烷(22.4升)和2克分子體積的氧氣(2×22.4升)可以完全反應.也就是甲煷和氧氣完全反應時的體積之比是是1:2;如果換了空氣,那末體積之比就是1:10,因為空氣里約含有1/5體積的氧氣.當甲烷和氧氣在極短時間里完全反應時,由于放出大量的熱使溫度突然升高,而且反應生成物物又都是氣體,體積驟然膨脹,結(jié)果就能發(fā)生猛烈的爆炸.甲烷的這種性質(zhì),使煤井里有可能發(fā)生爆炸,但是由于人類掌握了它的爆炸規(guī)律,就設法改進礦井的通風和照明設備,從而防止事故的發(fā)生,使生產(chǎn)得以安全地在地下進行。

如果氧氣供給不充分,甲烷的燃燒便不完全,燃燒時有黑煙產(chǎn)生：

CH4+O2=C+2H2O

2.受熱分解甲烷在隔絕空氣強熱時,隨著溫度的高低而有不同的兩種分解反應.把甲烷加熱到1000~1100°C,甲烷分解為它的組成元素碳和氫：

CH4=1100°C=C+2H2

如果在1500°C電弧的高溫下,甲烷分解為氫氣和乙炔(讀做缺que)

2CH4=電?。?500c）=3H2+C2H2(乙炔)

3.穩(wěn)定性在通常情況下,甲烷的化學性質(zhì)很不活潑我們用試管裝幾毫升淡紫色的高錳酸鉀溶液(加稀硫酸幾滴),并通進甲烷,溶液的紫紅色不會消失,證明甲烷不能被強氧化劑如高錳酸鉀溶液所氧化.同時甲烷也不跟強酸(H2SO4. HNO3)或強堿(NaoH,KOH)起反應。.

4.跟鹵素的取代反應甲烷在常溫下能跟氯氣或溴起反應我們可以通過下面的實驗來說明:

用一個大玻璃筒,把筒的容積劃成五等分甲烷,在筒壁上做好標記.筒內(nèi)裝滿飽和食鹽水①,倒插在盛有食鹽水的玻璃缸里.在光線較暗的地方色,從筒口通入甲烷,使筒內(nèi)鹽水排出到標記1的地方.接著改通氮氣,使筒內(nèi)的鹽水排盡這樣甲烷和氯氣體積的比是1:4(如圖1·2(a)

收集在筒內(nèi)的氯氣,本來是黃綠色,隔了一段時間后,看到色還漸變淡,筒壁上有油狀液滴出現(xiàn),同時食鹽水的液面,也向筒內(nèi)上升。

實驗

根據(jù)實驗中液面上升的現(xiàn)象,我們知道筒內(nèi)的氣體壓強減小了;油狀液滴的出現(xiàn)和黃綠色的消失,說明甲烷跟氯氣在光照下直接反應生成了新物質(zhì).經(jīng)過研究知道,生成物是系列的甲烷氯代物的混和物以及易溶的氯化氫氣體,反應是分步進行的：

①氯氣不溶于飽和食鹽水

②在陽光直射下,甲烷和氯氣

CH4+C12=散射光=CH3C1(一氯甲烷）+HC1

CH3C1+C12=散射光=CH2C12(二氯甲烷）+HC1

H2C12+C12=散射光=CHC13[三氯甲烷(氯仿、哥羅仿）]+HC1

CHC13+C12=散射光=CC14[四氯甲烷(四氧化碳）]+HC1

氯原子進入甲烷分子里,把氫原子逐個代替了出來.這類反應在有機化學中稱為為取代反應.也就是在有機化合物分子中的氫原子,被其他原子或原子團所代替的反應,叫做取代反應。

甲烷分子里的氫原子被鹵素的原子取代,這種取代稱為鹵代.由于鹵代反應而生成的新的有機物,稱為甲烷的鹵代物,象一氯甲烷、二氯甲烷、·。·……·等,都是甲烷的鹵(氯)代物。

這里還要說明一個新概念,就是把甲烷作為母體,經(jīng)過鹵代反應,生成了一氯甲烷等四種鹵代物,這些新物質(zhì),顯然是由甲烷衍變而產(chǎn)生的,所以它們也叫做甲烷的衍生物.(關于衍生物在第二章里還要討論.)

甲烷的用途 根據(jù)據(jù)上面所述的性質(zhì),甲烷具有下列各種用途:

1.燃燃料甲烷在燃燒時能放出大量的熱,因此在家庭或工業(yè)上可用作為氣體燃料.

2.化工原料由甲烷可以制得它的氯代物,其中的氯仿和四氯化碳都是重要的有機溶劑.甲烷在不完全燃燒或高溫下分解可得炭黑、氫氣和乙炔.炭炭黑是制造印刷用的油墨和橡膠工業(yè)的原料之一;氫氣用于氨和汽油的合成;乙炔可以用來合成橡膠、纖維和塑料等等。

甲烷的制取 實驗室制取甲烷,用無水醋酸鈉(CH3COON)和堿石灰(氫氧化鈉跟石灰的混和物)的兩種粉末按1:3(體積)混和均勻后,裝在硬質(zhì)試管里,使粉末斜鋪在試管底部部,管口配單孔塞和導管,把試管水平地(管口略向下傾斜)固定在鐵臺上。

加熱試管,由于堿石灰是氫氧化鈉跟石灰的混和物,氫氧化鈉跟醋酸進行反應而產(chǎn)生甲烷:

CH3（COONA+Na0）H=加熱=CH1↑+Na2CO3

甲烷從導管逸出,可以用排水法集取(裝置如圖1-3(a)。

制得甲烷后,我們可以檢驗它的性質(zhì).先觀察它的物理性質(zhì),它是無色而又不溶于水的氣體.在排盡空氣后在導管口上點火,觀察它的可燃性,并注意火焰顏色(火焰應該呈淡藍色,但在玻璃導管上或加熱過強時均帶黃色).用一只干燥的燒杯罩在火焰的上方,就能看到杯子邊上產(chǎn)生水霧(圖1·3(b);取下燒杯,倒入一些澄清的石灰水,石灰水變?yōu)闇啙?這就證明了甲烷的燃燒產(chǎn)物是二氧化碳和水.把甲烷的導管插人有淡紫色的高錳酸鉀酸性稀溶液(加稀H2SO幾滴)的試管中甲烷,使甲烷通過溶液(圖1·3(c),結(jié)果紫色不變氧氣檢測儀,證明甲烷的穩(wěn)定性,它不能為高錳酸鉚所氧化.這些實驗都能驗證我們上面所講的甲烷的性質(zhì)。

甲烷的實驗室制取及其性質(zhì)試驗

工業(yè)上需用的甲烷 主要來自天然氣,有時也可以從煉焦煤氣里提取(見§1·1抽取3煤的干餾部分)。

在農(nóng)村里,甲烷還可以通過發(fā)酵來制取.把含水90%左右的糞便垃圾、雜草等放在密閉的發(fā)酵池里,讓一種不需要空氣能生存的甲烷菌(稱為嫌氣性甲烷菌),在20~85C的溫度下進行發(fā)酵酵,經(jīng)過3~5天就有甲烷和二氧化碳產(chǎn)生,甲烷含量約達65%左右.發(fā)酵過的糞便和垃圾,由于其中的蛋白質(zhì)已被分解成氨,氨氣在密閉的發(fā)酵池里受壓溶解于水,因此肥效反而會增加好多倍.一個發(fā)酵池,只要控制好溫度、濕度和發(fā)酵原料,每天按比例取出舊料,加入新料甲烷,就可以連續(xù)使用.所產(chǎn)生的沼氣,可作為燃料和動力,用以發(fā)電、點燈、燒、開動汽車和拖拉機等.這樣就節(jié)約了石油和煤炭的消耗,那是非常節(jié)約的辦法。

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