甲烷是一种化学式为 CH₄ 的化合物，由一个碳原子与四个氢原子结合而成。它是最简单的烃，也是烷烃系列的第一个成员。在常温常压下，甲烷是一种无色、无臭、易燃的气体。它是天然气中含量最多的成分，是重要的燃料和工业原料，也是一种参与地球碳循环的温室气体。(webbook.nist.gov)
分子结构与物理性质
甲烷分子呈四面体结构：碳原子位于中心，四个氢原子在其周围占据等价的位置。H–C–H 键角约为 109.5°。其四个碳氢共价键是有机化学中碳原子四面体成键结构的典型例子。甲烷的摩尔质量约为 16.04 克/摩尔。(chem.ucla.edu)
在大气压下，甲烷的沸点约为 −162 °C，熔点约为 −183 °C。因此，要使甲烷保持液态，必须维持极低的温度。甲烷的低沸点是液化天然气储运过程中需要考虑的关键因素，而气态甲烷则可通过管道输送。商业供应的天然气是混合物，并非纯甲烷；加工处理时会除去水和不需要的组分，并分离出部分较重的烃。(webbook.nist.gov)
纯甲烷没有可起警示作用的气味。供气系统中天然气的特殊气味来自人为添加的加臭剂，通常是含硫化合物。区分这一点很重要，因为从未经加臭的来源逸出的甲烷，无法仅凭嗅觉识别。(eia.gov)
形成与自然赋存
甲烷既可通过生物过程形成，也可通过地质过程形成。生物产生甲烷的过程称为产甲烷作用，是某些古菌在缺氧环境中进行的一种保存能量的代谢过程。产甲烷古菌能够利用的底物种类有限，包括氢和二氧化碳、乙酸盐以及甲基化合物。它们的活动构成有机物厌氧分解的末端阶段。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
产甲烷作用发生于湿地、沉积物、动物消化系统、垃圾填埋场及厌氧废物处理设施等环境中。湿地是大气甲烷最大的天然来源。畜牧生产、淹水农田、粪便管理和废物处置，将微生物产甲烷过程与人类活动联系起来。产甲烷古菌不同于细菌，不过，多种微生物类群会参与与之相关的分解过程。(epa.gov)
热成因甲烷是在地质历史中，埋藏的有机物受热后形成的。它存在于含油气地层及其他天然气藏中。甲烷也存在于煤层中，可在采矿过程中释放，也可单独开采。甲烷气藏的地质背景和形成历史，会影响其组成及其与其他气体的伴生关系。(eia.gov)
大量甲烷以甲烷水合物的形式储存。甲烷水合物是一种外观类似冰的晶体物质，其中的水分子构成笼状结构，将甲烷分子包裹在内。天然水合物主要分布在大陆边缘的海洋沉积物和多年冻土地区。它们所含的甲烷可来自微生物作用或热成因过程；水合物的形成是一种储存机制，本身并不产生甲烷。(usgs.gov)
化学反应与工业用途
CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O。
这一反应是甲烷用作燃料的基础。燃烧条件会影响产物：甲烷与空气的混合物还可能造成严重的火灾和爆炸危险，尤其是在气体积聚于密闭空间时。(pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
甲烷也是制氢原料。在蒸汽重整过程中，甲烷在高温和催化剂存在的条件下与水蒸气反应。主要反应为：
CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3 H₂。
这一过程需要外部供给热。随后，一氧化碳通过水煤气变换反应，与额外加入的水蒸气反应：
CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂。
这些反应共同提高了氢气产量，同时将甲烷中的碳大部分转化为二氧化碳。之后通过分离过程，除去所得氢气流中的二氧化碳和其他杂质。(energy.gov)
部分氧化是另一种工业转化途径。在氧气供应受限时，甲烷主要转化为一氧化碳和氢气，而不是被完全氧化。与蒸汽重整不同，部分氧化会释放热量。这些不同的热效应特征，是工艺设计和化学工程中的重要考量。(energy.gov)
大气中的行为与气候影响
甲烷通过天然来源，以及农业、废物管理、煤炭开采和石油天然气作业等活动进入地球大气层。大气中的甲烷含量反映了排放与清除之间的平衡。甲烷最主要的化学清除途径是与羟基自由基（OH）反应；土壤过程及其他大气反应也会清除甲烷。(epa.gov)
甲烷吸收红外辐射，并促成气候变化。其大气寿命通常被认为约为 12 年，远短于所排放二氧化碳中相当大一部分的存留时间。但这并不意味着甲烷的气候影响可以忽略不计：在通常采用的评估时间跨度内，按单位排放质量计算，甲烷的增温效应要强得多。(epa.gov)
这种比较采用全球增温潜势来表示，即在指定时段内，对某种气体相对于二氧化碳的增温效应进行积分。因此，其数值取决于所选的时间跨度和评估假设，而不是一项固定不变的固有属性。美国环境保护署（EPA）在其甲烷排放概述中给出的 100 年全球增温潜势值为 28。(epa.gov)
安全特性
甲烷与空气混合后可能被点燃并发生爆炸；矿山安全说明中广泛采用的爆炸浓度范围为甲烷体积分数约 5%–15%。实际情况取决于环境条件和混合物组成。甲烷积聚是井下采煤及其他密闭环境中的重大危险。(archive.cdc.gov)
甲烷还会排挤氧气，造成窒息危险。溶解在地下水中的甲烷可能逸出并进入封闭空间，使看似无关的水中甲烷和气态甲烷问题产生联系。这些危险源于氧气被排挤以及甲烷的易燃性，而甲烷本身并不会通过气味警示其存在。(atsdr.cdc.gov)