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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(jī)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(yùn)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(xué)家的研究,認(rèn)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(yùn)藏在石油產(chǎn)區(qū)的附近.

①烴(音聽,碳?xì)淝衪ing)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(jī)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(dāng)沉積的有機(jī)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(jìn)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(gòu) 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(guān)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(gòu)可以用下式表示:

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

甲烷的分子結(jié)構(gòu),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(xué)說,認(rèn)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(gòu)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(gòu)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(gòu)

甲烷的化學(xué)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(lán)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(yīng).也就是甲煷和氧氣完全反應(yīng)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(dāng)甲烷和氧氣在極短時間里完全反應(yīng)時,由于放出大量的熱使溫度突然升高,而且反應(yīng)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(shè)法改進(jìn)礦井的通風(fēng)和照明設(shè)備,從而防止事故的發(fā)生,使生產(chǎn)得以安全地在地下進(jìn)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(qiáng)熱時,隨著溫度的高低而有不同的兩種分解反應(yīng).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(xué)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(jìn)甲烷,溶液的紫紅色不會消失,證明甲烷不能被強(qiáng)氧化劑如高錳酸鉀溶液所氧化.同時甲烷也不跟強(qiáng)酸(H2SO4. HNO3)或強(qiáng)堿(NaoH,KOH)起反應(yīng)。.

4.跟鹵素的取代反應(yīng)甲烷在常溫下能跟氯氣或溴起反應(yīng)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(biāo)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(biāo)記1的地方.接著改通氮?dú)?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(qiáng)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(yīng)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(yīng)是分步進(jìn)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(jìn)入甲烷分子里,把氫原子逐個代替了出來.這類反應(yīng)在有機(jī)化學(xué)中稱為為取代反應(yīng).也就是在有機(jī)化合物分子中的氫原子,被其他原子或原子團(tuán)所代替的反應(yīng),叫做取代反應(yīng)。

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(yīng)而生成的新的有機(jī)物,稱為甲烷的鹵代物,象一氯甲烷、二氯甲烷、·?！ぁさ?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(yīng),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(guān)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(jī)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(dǎo)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(jìn)行反應(yīng)而產(chǎn)生甲烷:

CH3（COONA+Na0）H=加熱=CH1↑+Na2CO3

甲烷從導(dǎo)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(dǎo)管口上點火,觀察它的可燃性,并注意火焰顏色(火焰應(yīng)該呈淡藍(lán)色,但在玻璃導(dǎo)管上或加熱過強(qiáng)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(dǎo)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(jìn)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(dá)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(jī)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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