天然气水合物

化学选修3《物质结构与性质》P85选题2

天然气水合物

（一种潜在的能源）

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天然气水合物——可燃冰

一、可燃冰相关概念

可燃冰：天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。（又称笼形化合物）

表示，M代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是

水分子数）。组成天然气的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10

等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成单种或多种天然气水

合物。形成天然气水合物的主要气体为甲烷，对甲烷分子含

量超过99％的天然气水合物通常称为甲烷水合物。

又因外形像冰，而且在常温下会迅速分解放出可燃的

甲烷，因而又称“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”）。

因为可燃冰的主要成分为甲烷，为甲烷水合

物，而甲烷在常温中为气体，熔、沸点低，所以甲

烷为分子晶体，因而可燃冰也为分子晶体。

可燃冰存在之处：天然气水合物在自然界广泛分布在大可燃冰

陆、岛屿的斜坡地带、活动和被动大陆边缘的隆起处、极地大陆架以及海洋和一些内陆湖的

深水环境。

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天然气水合物在全球的分布图 在标准状况下，一单位体积的气水合物分解最多可产生164单位体积的甲烷气体，因而其是一种重要的潜在未来资源。

笼状化合物（Clathrate ）：在天然气水合物晶体中，有甲烷、乙烷、氮气、氧气二氧化碳、硫化氢、

稀有气体等，它们在水合物晶体里是装在以氢键相连的几个水分子构成的笼内，因而又称为笼状化合物。

天然气分子藏在水分子中

水分子笼是多种多样的

二、可燃冰的性质

可燃冰的物理性质：

（1）在自然界发现的天然气水合物多呈白色、淡黄色、琥珀色、暗褐色亚等轴状、层状、小针状结晶体或分散状。

（2）它可存在于零下，又可存在于零上温度环境。

（3）从所取得的岩心样品来看，气水合物可以以多种方式存在：

①占据大的岩石粒间孔隙；

②以球粒状散布于细粒岩石中；

③以固体形式填充在裂缝中；或者为大块固态水合物伴随少量沉积物。

可燃冰的化学性质：

1、在冰的空隙（“笼”）中可以笼合天然气中的分子的原因：

(1)气水合物与冰、含气水合物层与冰层之间有明显的相似性：

①相同的组合状态的变化——流体转化为固体；

②均属放热过程，并产生很大的热效应——0℃融冰时需用0.335KJ的热量，0～20℃分

解天然气水合物时每克水需要0.5～0.6KJ的热量；

③结冰或形成水合物时水体积均增大——前者增大9％，后者增大26％～32％；

④水中溶有盐时，二者相平衡温度降低，只有淡水才能转化为冰或水合物；

⑤冰与气水合物的密度都不大于水，含水合物层和冻结层密度都小于同类的水层；

⑥含冰层与含水合物层的电导率都小于含水层；

⑦含冰层和含水合物层弹性波的传播速度均大于含水层。

(2)天然气水合物中，水分子（主体分子）形成一种空间点阵结构，气体分子（客体分子）

则充填于点阵间的空穴中，气体和水之间没有化学计量关系。形成点阵的水分子之间靠较强的氢健结合，而气体分子和水分子之间的作用力为范德华力。

2、经发现的天然气水合物结构有三种：

即结构I 型、结构II 型和结构H型。结构I 型气水合物为立方晶体结构，其在自然界分布最为广泛，仅能容纳甲烷（C1）、乙烷这两种小分子的烃以及N2、CO2、H2S 等非烃分子，这种水合物中甲烷普遍存在的形式是构成CH4·5.75H2O的几何格架；结构II 型气水合物为菱型晶体结构，除包容C1、C2等小分子外，较大的“笼子”（水合物晶体中水分子间的空穴）还可容纳丙烷（C3）及异丁烷（i-C4）等烃类；结构H型气水合物为六方晶体结构，其大的“笼子”甚止可以容纳直径超过异丁烷（i-C4）的分子，如i-C5和其他直径在7.5～8.6A之间的分子（表1）。结构H型气水合物早期仅存在于

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５ 实验室，1993年才在墨西哥湾大陆斜坡发现其天然产物。 II 型和H 型水合物比 I 型水合物更稳定。除墨西哥外，在格林大峡谷地区也发现了 I 、 II 、H 型三种气水合物共存的现象。

三、世界、中国可燃冰的储量

1、世界可燃冰的储量 迄今为止，在世界各地的海洋及大陆地层中，已探明的可燃冰储量已相当于全球传统化石能源(煤、石油、天然气、油页岩等)储量的两倍以上。科学家估计，海底可燃冰的储量至少够人类使用1000年。仅仅在海底区域，可燃冰的分布面积就达4000万平方公里，占地球海洋总面积的1/4。

估计全球的海底和冰川底部共计有1×1023t 藏在天然水合物中的天然气，是巨大的

潜在能源。

2、世界各种能源储量比较

全球探明石油储量达1.238万亿桶

全球探明金矿储量达42500吨 世界铁矿石储量为1600亿吨

全球铜矿储量4.74亿吨

全球天然气181.46万亿立方米

全球海底可燃冰最少1.8 亿亿立方米

3、中国可燃冰的储量

2009年,中国青海发现巨大储量可燃冰。本次青海发现的陆上可燃冰储量,如能合理开发,可以维持中国能源消耗近90年。

新华网广州11月28日电 根据中国海洋地质工作者初步探明，中国南海北部陆坡的可燃冰资源量达185亿吨油当量，相当于南海深水勘探已探明的油气地质储备的６倍。

中国能源消耗量日益增长,2009年煤炭、石油等主要能源消耗量约为2000年的两倍。预计2020年的能源消耗量比2010年还要高出50%。中国已经成为能源进口大国,主要能源进口量逐年递增。按照目前能源储量和消耗量计算,能源危机将在未来30年凸显。而可燃冰为高效、清洁能源,储量巨大,有极大潜力成为未来替代能源的首选。

4、储存：

可燃冰在高于20℃的温度下就会分解，

压强越大越稳定，也就是它的储藏条件是底温和高压。糨常压下不能稳定存在，而分解释放出来的甲烷是一种温室气体，它促使全球气温上升的能力是二氧化碳的10倍。因此储存问题是可燃冰成为开发利用的一大瓶颈。

附：1、关于可燃冰三大悬疑

目前，中国是继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。这证实了我国南海北部蕴藏有丰富的天然气水合物资源，也标志着中国天然气水合物调查研究水平一举步入世界先进行列。

翘望“可燃冰”，它，将是21世纪占主导地位的新能源吗？谁，又将在利用它的竞赛中占得