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）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）甲烷水合物（Methane Hydrate）：用M·nH2O来表示，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。

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先机？夹杂着白色颗粒状“可燃冰”的海底沉积物放入水中随即冒出大量气泡悬疑一：到底藏有多少“可燃冰”？对“可燃冰”，第一个疑问恐怕就是：全世界有多少储藏量？中国又有多少？没有确切的答案。

美国地质调查局的科学家卡文顿曾预测，全球的冻土和海洋中，“可燃冰”的储量在3114万亿立方米到763亿亿立方米之间，但当时世界海洋中发现的“可燃冰”分布带只有57处，2001年就增加到88处。

对于中国可燃冰的储藏量，中国地质调查局给出的初步预测是，南海北部远景资源量可达上百亿吨油当量，可与目前全世界一年的能源消费总量相当。

“这些‘可燃冰’的储量都是估算的。

”中国石油大学教授陈光进说，“从远景资源量再到地质资源量、再到地质储量、再到探明的储量，至少还需要十多年工作。

”除了未证明的巨大储量，科学家还相信，“可燃冰”的价值是非常惊人的。

陈光进告诉记者，科学实验证明，1立方米纯净的“可燃冰”，能释放出164立方米的天然气。

有科学家推算，全世界海洋所储藏的“可燃冰”，其所含天然气约为1.8亿亿立方米至2.1亿亿立方米，而目前估算的全球天然气储量在180万亿到1000万亿立方米之间。

美国能源部认为，仅南、北卡罗来纳州大西洋底的储备就够美国人用100年。

而日本地质调查的估计，周边海底埋藏的“可燃冰”相当于日本百年天然气的使用量。

有个数据是确信无疑的：中国此次发现的“可燃冰”，沉积层厚度达34米，气体中甲烷含量高达99.8%。

无论是矿层厚度、水合物丰度，还是甲烷纯度，都超出世界上其他地区类似的发现。

全程参与此次勘察的广州海洋地质调查局副总工程师吴能友告诉记者，“从粒级小于0.063毫米的细土里，国际上发现的‘可燃冰’含量多在5%至10%，而中国这次发现的含量高于40%，这在世界上还是第一次。

”“理论上说，如果将目前估算的全球‘可燃冰’都开采出来的话，可以供人类使用100年以上。

”陈光进说，这种存在于海洋大陆架地区和陆地冻土带内的固态化合物，燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物，对于日益陷入能源危机的地球来说，“可燃冰”是大自然赐给人类神奇也是最后的天然能源。

这是夹杂着白色颗粒状“可燃冰”的海底沉积悬疑二：何时走上“商业化”之路？“可燃冰”能否成为人类未来的新能源，取决于其何时能够实现大规模的商业化开采。

美国1998年在《天然气水合物研究与资源开发计划》中，把商业性开采的时间定为2015年。

日本的目标更早，计划较美国提前5年即2010年就将实现商业性开发。

全球性的“可燃冰”商业利用竞赛已经开始……“现在的难题是，‘可燃冰’开采成本非常高”，中科院广州天然气水合物研究中心首席研究员陈多福博士告诉记者。

陈博士曾应美国康奈尔大学地球与大气科学系的邀请，参加在美国墨西哥湾开展的海底“可燃冰”考察。

他所见到的开采，用的是潜艇：在约540米深的海底，潜艇的机械臂直接抓取裸露在外的“可燃冰”，然后放入密封罐中，带回地面。

“租一艘潜艇，每天大约需要1.8万美元，对科考来说不算贵，但如果用于商业，那肯定不划算。

”根据美国和日本披露的数据，目前的“可燃冰”开采成本平均高达每立方米200美元，根据每立方米释放能量相当于164立方米天然气计算，其折合天然气的成本达到每立方米1美元以上，而上海目前民用天然气的售价每立方米也仅2.1元。

作为后来者，中国比发达国家面临更多困难。

吴能友在领衔攻关“天然气水合物资源调查”项目后，一年之中瘦了32斤，“压力很大，主要是缺乏基础理论的支撑。

”昨天，他告诉记者，尽管已成功取得了“可燃冰”实物样品，依然不能太过乐观：调查仅仅认识了天然气水合物存在的现象，钻探也仅仅在一个点上取得突破，要科学地认识南海北部整个海域的天然气水合物形成机理和分布规律，尚有许多科学问题需要解决。

另外，在开采技术方面，钻获可燃冰的勘探航次首席科学家、中国地质调查局的张海啟博士坦承：中国目前不具备独立钻探和取芯的技术，只能和国外钻探公司合作。

“中国要实现‘可燃冰’的商业化开采，最终得靠自主创新。

”陈多福博士告诉记者，虽然美国的海底“可燃冰”考察对许多国家的科学家都开放，但一涉及到关键技术的会议，美方都会实施清场，只留“自己人”。

今年5月25日，中美发布了《第二次中美战略经济对话联合情况说明》，中美在能源和环境领域达成包括清洁煤技术、煤层气项目、燃油低硫化及核电合作多项共识，唯独没有“可燃冰”方面的研究合作，美国对中国这个潜在的竞争对手，保留了最大的新能源秘密。

国家发改委去年8月公布的《中国石油替代能源发展概述》研究报告表示，未来10年，中国将投入8亿元进行“可燃冰”的勘探研究，预计2010年至2015年将进行试开采。