利用手持技术探究甲烷的温室效应

利用手持技术探究甲烷的温室效应
摘要利用手持技术仪器探究CO2和CH4 2种气体在太阳光和红外灯照射下温度变化情况，由此比较其温室效应大小，同时还对不同体积分数的甲烷的温室效应进行了初步探讨。

关键词手持技术温室效应温度传感器甲烷
1问题的提出
温室效应是当今环境污染的重要组成部分，以往研究大多讨论CO2及其浓度对温室效应的影响[1]。

国内探讨大气温室效应的研究表明[2]，在相同太阳光照射和地面辐射的自然条件下，大气中几种主要气体的平均温度从高到低的顺序为：CO2＞空气＞N2＞O2，并得出CO2是主要的温室气体的结论。

另外，也有研究表明，大气中少量的CH4亦对温室效应有所“贡献”[3]。

由于CH4含量较少，其温室效应常被人们所忽视。

然而CH4及其浓度对温室效应的影响如何？它与CO2的温室效应哪个更强？本文主要利用手持技术对这些问题进行实证性探讨。

2实验探究
2.1探究思路（见图1）
2.2仪器与药品
仪器：数据采集器1个、TT051温度传感器8根、带胶塞的导管2支、启普发生器1个、水槽1个、红外灯1盏
药品：大理石、3 mol/L盐酸、无水醋酸钠、NaOH固体、熟石灰
2.3探究内容
2.3.1校正温度传感器
将4根温度传感器分别置于常温空气中和同一装有自来水的烧杯中，测试4者的灵敏度。

只有当测得的温度读数基本无偏差时，才能保证本次探究条件的平行性。

2.3.2 CH4与CO2温室效应的对比探究
在相同强度太阳光照射和地面辐射的自然条件下以及红外灯照射下比较CH4和CO2的温室效应强度，比较它们对大气的温室效应的贡献大小。

分别用4只体积相同（250 mL）的干燥的玻璃瓶装满水，并用塞子塞紧瓶
口。

将玻璃瓶倒放在水槽中，使玻璃瓶的瓶口没入水槽的水面下再将塞子拔出。

通过排水法收集CH4和CO2各2瓶。

在收集好气体的玻璃瓶的塞子边缘和小孔处涂上凡士林，以防漏气，造成温度误差。

将2瓶不同气体放在室外的太阳光下，另外2瓶置于红外灯照射下，分别将4根温度传感器穿过塞子中间的小孔插入玻璃瓶中。

打开数据采集器，将温度传感器连接到数据采集器的端口，然后设置数据采集器每秒采集一个数据，一共采集500个数据。

实验数据记录见表1、图2和图3。

由表1知道，在2种不同的照射条件下，CH4的平均温度都比CO2的要高。

由于气体的温室效应强度主要以它的红外吸收强度来表征，而红外吸收又与分子本身的振动方式有关。

根据振动方式等于3n-6或3n-5（线型分子）（-n为分子中的原子数）规则，易知CH4和CO2分子的振动方式分别有9种与3种，而每种振动方式都需要一定的能量。

虽然并非所有振动都能在红外光谱中产生吸收带，如CO2分子的对称伸缩振动为非红外活性，但CH4分子振动所需能量总体上比CO2分子要高。

另外，查阅有关基团的红外特征吸收文献发现，CH4的C—H
键的红外吸收带出现在波数为 2 960 cm-1~2 870 cm-1范围内，波长范围为3.38μm~3.49μm，而CO2的C=O键的波数范围为1 850 cm-1~1650cm-1，波长范围为5.40μm~5.65μm[4,5]，易知C—H键的红外吸收强度比C=O键要强，这较好地解释了CH4比同体积的CO2的温室效应强。

2.3.3不同体积分数的CH4的温室效应的对比探究
将无水CH3COONa、NaOH固体、熟石灰按1∶1∶1的比例混合后装于硬
质玻璃管中，用酒精灯加热，并用8只250 mL的玻璃瓶装入不同体积的水用排水集气法收集8瓶不同体积（45 mL、90 mL、120 mL和160 mL各2瓶）的CH4，当收集完时，要在水面下用塞子把玻璃瓶的瓶口塞紧再把瓶子拿出水面。

在收集好气体的玻璃瓶的塞子边缘和小孔处涂上凡士林，以防漏气。

这样就得到了不同体积分数的甲烷，分别为：18％、36％、48％、64％。

将上述8只装有不同体积分数甲烷的玻璃瓶分成2组（每组4瓶气体的体积不同）分别放在室外太阳光下和室内红外灯照射条件下，并将温度传感器穿过塞子中间的小孔插入玻璃瓶中。

打开数据采集器，将温度传感器连接到数据采集器的端口，设置数据采集模式为每秒采集一个数据，一共采集500个数据。

实验数据记录见表2、图4和图5。

3探究结论
（1）在室外太阳光照射下，相同体积的CH4与CO2的温室效应比较，前者较大。

（2）在室内红外灯照射下，相同体积的CH4与CO2的温室效应比较，前者较大。

（3）对于不同体积分数的CH4气体，其温室效应强度随着其体积分数的升高而逐渐增大。

4拓展与应用
本次探究表明，CH4的温室效应不容忽视，因此我们需要在生产和生活中
尽量减少CH4的大量排放，避免加剧温室效应。

笔者认为可以从以下方面进行控制。

（1）农村的沼气生产如今在农村地区，大力推广使用沼气，仅云南全省已建成了150万户沼气池，每户沼气池年平均产气500 m3，如操作不当，容易引起泄漏，污染环境。

特别是沼气池产气旺盛期，要立即用气，或加多一个贮气室，避免沼气池盖被冲开。

（2）天然气天然气的主要成分是CH4，现在大量使用天然气，有天然气车、天然气灶等，在输送与使用过程中也要防止泄漏。

（3）可燃冰可燃冰存在于300 m~500 m海洋深处的沉积物中和寒冷的高纬度地区。

据估计，海底可燃冰分布的范围约占海洋总面积的10％，相当于4 000万平方公里，其储量是煤炭、石油和天然气总和的2倍。

可燃冰是迄今为止海底最具价值的矿产资源，足够人类使用1 000年，1 m3的可燃冰可释放出相当于164倍天然气的能量，有望取代煤、石油和天然气，成为21世纪的新能源。

但在繁复的可燃冰开采过程中，一旦出现任何差错，将引发严重的环境灾难，成为环保敌人。

所以在开采过程要特别小心，避免甲烷气体释放到大气层。

参考文献
[1]刘玉芝，肖稳安，石广玉.地球科学进展，2002,（10）：654—655
[2]钱扬义，吴东燕等.化学教学，2005，（5）：23—25
[3]郑京.环境科普，2003，（1）：51—52
[4]周公度，段连运.结构化学基础.第2版，北京：北京大学出版社，1995：154—156
[5]曾昭琼.有机化学.第3版，北京：高等教育出版社，1993：197
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