Methane

甲烷（美国读作METH-ayn，英国读作MEE-thayn）是一种化学式为CH₄的化合物——由一个碳原子与四个氢原子键合而成。它属于第14族氢化物，是最简单的烷烃，也是天然气的主要成分。由于甲烷在地球上储量丰富，从经济角度看是一种极具吸引力的燃料，但其储存和捕获较为棘手，因为在标准温度和压力下它仍以气体形式存在。在大气中，甲烷对可见光透明，但会捕获红外辐射，起到温室气体的作用。它是一种有机烃类，也是最简单的有机化合物之一。

甲烷通过地质和生物过程自然存在于地下和海床之下。最大的甲烷储层以甲烷水合物的形式存在于海床之下。当它到达地表并进入空气时，被称为大气甲烷。甲烷也在其他行星上被发现，例如火星，这对天体生物学研究具有重要意义。

在结构上，甲烷是一个四面体分子，具有四个相同的C–H键。其电子结构涉及两个由碳和氢价轨道重叠形成的成键分子轨道。能量最低的轨道来自碳的2s轨道与四个氢1s轨道的同相组合的重叠；其上方是一个三重简并轨道，与氢1s轨道的各种线性组合重叠。这种“三对一”成键方式与光电子能谱测量结果相符。

在标准温度和压力下，甲烷无色、无味且透明。由于泛频带，它确实会吸收可见光，尤其是红端的光，但这仅在非常长的光程下才明显——这赋予了天王星和海王星蓝色或蓝绿色，因为光线穿过富含甲烷的大气层并散射回来。家用天然气的熟悉气味来自添加的加臭剂，通常含有叔丁硫醇的混合物，以确保安全。甲烷在一个大气压下于−161.5 °C沸腾。作为气体，它在标准压力下于空气中浓度为5.4%至17%时具有可燃性。

固态甲烷存在多种形式，已知有九种。在常压下冷却甲烷会产生甲烷I，它以立方晶系（空间群Fm3m）结晶。在这种形式中，氢原子并非固定不动——甲烷分子可以自由旋转，使其成为一种塑晶。

甲烷的主要化学反应是燃烧、蒸汽重整制合成气和卤化。这些反应通常难以控制。与其他烃类一样，甲烷是一种极弱的酸，在DMSO中的pKa估计为56。它不能在溶液中脱质子，但其共轭碱以甲基锂等形式存在。已观察到几种源自甲烷的正离子，主要作为低压气体混合物中的不稳定物种，包括甲基正离子（CH₃⁺）、甲烷正离子（CH₄⁺）和质子化甲烷（CH₅⁺）。其中一些已在太空中被探测到。甲烷鎓离子也可在稀溶液中由甲烷与超强酸反应生成。更高电荷的阳离子如CH₆²⁺和CH₇³⁺已在理论上得到研究，并被认为是稳定的。尽管C–H键强度很大，但人们对能够活化甲烷及其他低级烷烃中这些键的催化剂有着浓厚兴趣。

甲烷的燃烧热为55.5 MJ/kg。燃烧遵循多步反应：CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O（标准条件下ΔcH = −891 kJ/mol；若生成水蒸气则为−802 kJ/mol）。彼得斯四步化学是甲烷燃烧的简化模型。部分氧化为甲醇由某些酶（如甲烷单加氧酶）进行。一些细菌在缺氧条件下使用亚硝酸盐作为氧化剂氧化甲烷——这一过程称为甲烷厌氧氧化。工业规模的氧化从未取得商业成功，即使在有限氧气条件下也是如此。均相和多相催化体系已被证实，但均不经济；它们通常生成受保护的产物以避免过度氧化，例如Catalytica体系、铜沸石和稳定α-氧活性位点的铁沸石。

在适当条件下，甲烷与卤素自由基反应：•X + CH₄ → HX + •CH₃，然后•CH₃ + X₂ → CH₃X + •X，其中X为氟、氯、溴或碘。这种自由基卤化反应由紫外光或自由基引发剂（如过氧化物）触发，产生卤素原子。随后发生两步链式反应：卤素原子从甲烷中夺取一个氢，生成卤化氢和甲基自由基（•CH₃），然后甲基自由基与卤素分子反应生成卤代甲烷和一个新的卤素原子。类似反应可以取代额外的氢原子，根据条件生成二卤甲烷、三卤甲烷和四卤甲烷。