甲烷（Methane）化学式 CH₄，是最简单的饱和烃、最轻的有机分子，也是天然气的主要成分（≈ 70–90 %）。常温常压下为无色、无味、易燃气体（市售天然气中人为加入硫醇类赋臭剂以便泄漏报警）。
结构 & 成键
正四面体，C–H 键长 109 pm，H–C–H 角 109.5°
sp³ 杂化，4 条等价 σ 键
非极性分子（对称性 Td），μ ≈ 0 D
物理常数（STP）
| 性质 | 数据 |
| 相对分子质量 | 16.04 g mol⁻¹ |
| 密度 | 0.717 kg m⁻³（气态，≈ 空气一半） |
| 熔点 | –182.5 °C |
| 沸点 | –161.5 °C |
| 临界温度 | –82.6 °C（高于此温度无法液化） |
| 爆炸极限 | 5–15 %（体积，与空气混合） |
| 低位热值 | 50 MJ kg⁻¹ ≈ 890 kJ mol⁻¹ |
化学行为
燃烧（强放热）
CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O ΔH° = –890 kJ mol⁻¹
火焰温度 ≈ 1950 °C，无灰、无硫，清洁燃料。
高温重整（制氢）
CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3 H₂ (700–900 °C，Ni 催化剂)
后续水气变换得高纯 H₂，是工业 95 % 氢源。
卤化（自由基链式）
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (hν, 25 °C)
可继续取代至 CCl₄。
厌氧裂解（制炭黑）
CH₄ → C(s) + 2 H₂ (1200 °C，无氧)
最难活化 C–H 键（键能 439 kJ mol⁻¹）
室温下几乎不与酸碱、氧化剂反应；需高温、等离子体、贵金属或酶才能选择性转化。
来源 & 排放
| 来源 | 占比（全球） |
| 天然气开采/输送 | ≈ 25 % |
| 反刍动物（牛、羊） | ≈ 30 % |
| 稻田厌氧 | ≈ 8 % |
| 垃圾填埋 | ≈ 12 % |
| 煤矿瓦斯 | ≈ 6 % |
| 湿地/白蚁 | 其余 |
温室效应：
GWP₂₀ = 84，GWP₁₀₀ = 28（以 CO₂=1 计），短寿命气候污染物（SLCP）。
工业/生活用途
家用燃气：灶具、热水器、暖气
燃气发电：联合循环效率 > 60 %
原料：合成氨（H₂）、甲醇（CH₃OH）、乙炔（电弧裂解）
液化天然气 LNG：–162 °C，体积缩小 600 倍，远洋运输
火箭燃料：SpaceX Raptor 引擎用液氧-甲烷（比冲 380 s，积碳低于煤油）
未来：甲烷-氯燃料电池、固态氧化物燃料电池（SOFC）
安全 & 健康
单纯窒息剂：高浓度取代 O₂ → 头晕、昏迷
爆炸风险：密闭空间 5–15 % 遇火花即爆
无毒，但深冷 LNG 可致冻伤
矿井瓦斯（≥ 5 %）与煤尘共存时引发矿难（1906 法国库里耶矿 1099 人死亡）
前沿热点
甲烷直接制烯烃/芳烃
CH₄ → C₂H₄ + H₂ (OCM 氧化偶联，800 °C，Mn/Na₂WO₄/SiO₂)
单程转化率 ≤ 30 %，C₂ 选择性 80 %，尚未工业化。
生物甲烷
厌氧消化（厨余、秸秆）→ 55–65 % CH₄，经脱 CO₂/H₂S 注入天然气管网，欧盟已占燃气消费 10 %。
甲烷水合物（可燃冰）
1 m³ 水合物 ≈ 160 m³ CH₄，全球储量碳当量 > 煤+石油，但开采面临地质滑塌与泄漏风险。
太空
火星大气 95 % CO₂ + 少量 CH₄，萨巴蒂尔反应 CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O 为 NASA 火星燃料原位制造（ISRU）核心步骤。