认识甲烷:看不见摸不着但却很强大


甲烷=沼气?

日常生活中大家谈论起甲烷,也许大多都会将其与沼气划上等号。诚然,甲烷是沼气的最主要成分(50%-80%),但是后者还包括有二氧化碳(20%-40%)、氮气(0%-5%)、氢气(<1%)、氧气(<0.4%)及硫化氢(0.1%-3%)等气体,因此并不能简单地将甲烷等同于沼气。同样地,天然气或煤气虽然也主要由甲烷组成,但同时还包含他多种体。

那什么是甲烷?

甲烷,化学式为CH4,是最简单的有机物。甲烷分子为四面体结构,四个键的键长相同键角相等。标准状态下的甲烷是一种无色无味的气体。甲烷由于其高度可燃性,通常是作为燃料(天然气及沼气等的主要成分)为我们日常生活所用。并且甲烷也可作为化工原料,广泛应用于氢气、一氧化碳、乙炔及甲醛等的制造。

人类发现并认识甲烷的历程

说到人类对于甲烷最早的发现,那自非我们勤劳智慧的中华民族莫属。我国西周时期(前1046年-前771年)成书的《易经》在谈到一些自然界发生的现象时就说:“象曰:泽中有火。”这里的“泽”就是沼泽。而“火井”则是我国古代人们给天然气井的形象命名。不过由于技术与认识的局限,古代的中国人并没有将甲烷与天然气区分开来进行单独的研究。直到18世纪,甲烷才被欧洲的科学家们进行了科学的研究。1790年英国医生奥斯汀研究发现甲烷燃烧生成水和二氧化碳,从而确定甲烷是碳和氢的化合物。在随后的漫长岁月里,通过一代代化学家不懈的努力,人类对于甲烷的认识逐渐清晰。1874年,范霍夫提出了甲烷的四面体假说:即甲烷分子中,碳原子位于正四面体的中心,连接氢原子的四个键伸向四面体的四个顶点。在此之后,随着化学键概念以及量子化学的先后诞生,人类对于甲烷分子构型的理论解释才日渐完善。

不仅仅只是燃料

前面已经提到,甲烷是天然气的最主要成分,作为一种清洁能源得到了广泛的普及使用。随便试想一下:当你饥肠辘辘回家后打开燃气灶却发现家里断气无法生火做饭只能挨饿,当你有急事外出好不容易拦到一辆的士但是司机却告诉你的士就快没气了不能载客……是不是忽然才发现甲烷原来在我们的生活中扮演着如此重要的角色?然而,甲烷对于人类的重要性绝不仅是燃料二字可以囊括的。

也许为许多人所不知的是,甲烷也是一种主要的温室气体,并且是使人类造成全球气候变暖的第二大温室气体。根据相关机构的研究,以单位分子数而言,甲烷的温室效应要比二氧化碳大上25倍。而最新的计算方式甚至得出甲烷的温室效应比二氧化碳强72倍。在全球气候持续变暖的大环境下,当你知道了甲烷的这一属性后,是否对这一小小的气体也陡增了一丝丝复杂的情感呢?

甲烷从何而来?

甲烷的产生,除了来自大自然,如海洋、永冻层和一些湿地外,人类的活动是其最大的来源。导致甲烷排放的主要人类活动为畜牧业和生质燃烧(在开垦土地或改变土地用途时燃烧土地上的草木)。据专家报告,全球的牛、羊等反刍动物每年至少产生了8千万吨的甲烷,不仅加速了气候暖化进程,而且还导致了饲料中营养和能量的损失。值得关注的是,大自然和家畜所排放的甲烷都是经由一类微生物的代谢活动所产生,那就是甲烷菌。

甲烷菌是一类严格厌氧的古细菌,在自然界中分布极为广泛:海底沉积物、河湖淤泥、沼泽地、水稻田、反刍动物瘤胃、以及人和动物的肠道,甚至是植物体内都有甲烷菌的存在。自然界中的甲烷菌通过降解有机废物产生甲烷,而反刍动物瘤胃中甲烷菌的甲烷生产也在相当程度上促进了纤维饲料的消化分解。事实上,反刍动物瘤胃中产生的甲烷是通过嗳气从嘴部排放的,并不是像插图中描绘的那样(当然插图的重点在于夸张的喜剧效果),而人和动物排放的甲烷则确实是由后肠道的甲烷菌所产生的。顺便说说相关的一个奇闻:《新西兰先驱报》曾报道该国一名男子在医院接受痔疮移除手术时突然放了个屁,没想到其中的甲烷接触到医生手中的透热疗法仪器,立即引发了一场小型火灾,导致病人被烧伤……

甲烷与物种灭绝

2.52亿年前的二叠纪末期,一场全球性灾难让超过90%的海洋物种和70%的陆地脊椎动物灭绝,这是地球经历的5次物种灭绝中规模最大的一次。美国麻省理工学院的研究人员最近在美国《国家科学院学报》上提出了新的假设:引发这场浩劫的罪魁祸首是一种名为甲烷八叠球菌的甲烷菌。

研究人员发现,在那个时期,西伯利亚发生了一次灾难性的火山喷发,大量增加了海洋中的镍浓度,而这种金属元素恰恰非常有利于甲烷八叠球菌的生长。甲烷八叠球菌的疯狂繁殖向大气层排放大量甲烷,从而导致气候急剧升温,同时使海洋酸度增大,从根本上改变了海洋的化学成分,导致许多物种失去了适宜居住的环境,在海洋中生活了数亿年的三叶虫和广翅鲎就此消失……

结语

甲烷虽然闻不到看不见摸不着,但在我们人类的生存及生活中却发挥着相当重大的作用。为了保证人类的可持续发展,如何减少甲烷排放并对其加以充分利用,已经成为许多国家及机构的工作与研究重点。笔者希望这篇短文的读者们对此也能有所收获和感悟。


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