高中化学 第三章 有机化合物 3.1.1 甲烷的性质学案 新人教版必修2-新人教版高二必修2化学学案

第1课时甲烷的性质一、甲烷的存在、用途及结构1．甲烷的存在与用途(1)甲烷的存在甲烷是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分。我国的天然气主要分布在中西部地区及海底。(2)甲烷的主要用途以甲烷为主要成分的天然气和沼气都是理想的清洁能源。甲烷还可用作化工原料。2．甲烷的组成与结构分子式电子式结构式分子模型球棍模型比例模型CH4

甲烷分子空间构型为正四面体形，碳原子位于中心，4个氢原子位于顶点，4个C—H键的长度和强度相等，夹角相等。例1下列各图均能表示甲烷的分子结构，其中更能反映其真实存在状况的是()答案D解析在这几种形式中，分子结构示意图、球棍模型及比例模型均能反映甲烷分子的空间构型，但比例模型更能形象的表达出H、C的位置及所占比例；电子式只反映原子的最外层电子的成键情况。例2下图是CH4、CCl4、CH3Cl分子的球棍模型图，下列说法正确的是()A．CH4、CCl4和CH3Cl都是正四面体结构B．CH4、CCl4都是正四面体结构C．CH4和CCl4中的化学键均为非极性键D．CH4、CCl4的结构相同，性质也相同考点甲烷的组成和结构题点甲烷分子结构的拓展答案B解析CCl4的分子结构同CH4相似，为正四面体结构，CH3Cl中的C—H和C—Cl键不同，不是正四面体结构，而是四面体结构。思维启迪一个碳原子以4个单键与其他原子相结合时：①如果这4个原子相同，则分别在四面体的顶点上，构成正四面体。②如果这4个原子不相同，则分别在四面体的顶点上，但不是正四面体。③无论这4个原子是否相同，都不可能在同一平面上，并且最多有3个原子共面。二、甲烷的性质1．甲烷的物理性质甲烷是无色无味、极难溶于水、密度比空气小的气体。2．甲烷的化学性质(1)具有稳定性通常情况下，甲烷性质比较稳定，与强酸、强碱不反应，与高锰酸钾溶液等强氧化剂也不反应。(2)氧化反应——可燃性将甲烷在空气中点燃，观察燃烧现象并检验燃烧产物：燃烧现象检验产物方法现象结论淡蓝色火焰在火焰上方罩一个干燥的烧杯烧杯内壁有液珠产生生成了水在火焰上方罩一个涂有澄清石灰水的烧杯烧杯内壁变浑浊生成了二氧化碳甲烷燃烧的化学方程式为CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(点燃))CO2＋2H2O。(3)取代反应①实验探究甲烷与氯气的反应实验操作实验现象A装置：a.试管内气体黄绿色逐渐变浅，b.试管内壁有油状液滴出现，c.试管中有少量白雾生成，d.试管内液面上升，e.水槽中有固体析出；B装置：无明显现象实验结论甲烷与氯气在光照时才能发生化学反应连续发生反应的化学方程式为CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CH3Cl＋HCl；CH3Cl＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CH2Cl2＋HCl；CH2Cl2＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CHCl3＋HCl；CHCl3＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CCl4＋HCl。②取代反应的概念有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团替代的反应。甲烷取代反应的相关规律反应条件甲烷与氯气无光照时，不发生反应；强光照射时会发生爆炸反应物甲烷与卤素单质反应，且卤素单质通常为气态。如甲烷与氯水、溴水不反应，但可以与氯气、溴蒸气发生取代反应生成物与氯气反应产物是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4四种有机物与HCl形成的混合物，很难出现有机产物全部是某一种产物的现象，生成物中HCl的物质的量最大物质的量关系每1mol氢原子被取代，消耗1mol氯气分子，同时生成1molHCl分子例3(2017·聊城高一检测)下列有关甲烷的取代反应的叙述正确的是()A．甲烷与氯气以物质的量之比1∶1混合时发生取代反应只生成CH3ClB．甲烷与氯气的取代反应产物中CH3Cl最多C．甲烷与氯气的取代反应产物为混合物D．1mol甲烷生成CCl4，最多消耗2mol氯气考点甲烷的取代反应题点甲烷取代反应的原理答案C解析甲烷与氯气一旦反应，不会停止在某一步，四种有机产物都会产生，得不到纯净的CH3Cl，A错误，C正确；甲烷与氯气的取代反应每取代1molH原子，消耗1mol氯气，生成1molHCl，故产生的HCl最多，B错误；1mol甲烷生成CCl4最多消耗4mol氯气，D项错误。特别提示(1)无论甲烷和氯气的比例如何，发生取代反应的产物都是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl的混合物。(2)甲烷与氯气发生取代反应的产物中，CH3Cl为气体，CH2Cl2、CHCl3和CCl4为液体。例4下列反应属于取代反应的是()A．CH4eq\o(→,\s\up7(高温))C＋2H2B．2HI＋Cl2=2HCl＋I2C．CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(点燃))CO2＋2H2OD．C2H6＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))C2H5Cl＋HCl考点甲烷的取代反应题点取代反应类型判断答案D解析取代反应是指有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应。选项A中的反应为分解反应；选项B中的反应为置换反应，不属于有机反应类型；选项C中的反应为甲烷的氧化反应。思维启迪无机反应中的置换反应不属于取代反应。抓住取代反应“有上有下”的特点，看有机物中的原子或原子团是否被其他原子或原子团替换，若是，则为取代反应。1．下列叙述中错误的是()A．点燃甲烷不一定会爆炸B．甲烷燃烧放出大量的热，所以是一种很好的气体燃料C．煤矿的矿井要注意通风并严禁烟火，以防爆炸事故的发生D．点燃甲烷前不必进行验纯考点甲烷的氧化反应题点甲烷的燃烧与爆炸答案D解析甲烷与氧气混合达到一定比例范围时，点燃会发生爆炸，因此，甲烷点燃前要进行验纯。2．为验证甲烷分子中含有碳、氢两种元素，可将其燃烧产物通过①浓硫酸②澄清石灰水③无水硫酸铜。正确的顺序是()A．①②③ B．②③C．②③① D．③②考点甲烷的氧化反应题点甲烷燃烧产物的检验答案D解析要证明CH4中含有碳、氢两种元素，可通过证明CO2和H2O的存在来证明，可选择②和③；但应注意检验的先后顺序，即先证明水后证明CO2。3．(2017·成都月考)若甲烷与氯气以物质的量之比1∶3混合，在光照下得到的有机产物可能是①CH3Cl②CH2Cl2③CHCl3④CCl4，其中正确的是()A．只有① B．只有②C．①②③的混合物 D．①②③④的混合物考点甲烷的取代反应题点甲烷取代反应的原理答案D解析甲烷与氯气在光照的条件下，发生取代反应时总共有五种产物，①CH3Cl，②CH2Cl2，③CHCl3，④CCl4和氯化氢，因此答案选D。4．如果使0.5mol甲烷完全跟Cl2发生取代反应并生成等物质的量的四种氯代物，则需要消耗氯气()A．0.5mol B．1molC．1.5mol D．1.25mol考点甲烷的取代反应题点甲烷取代反应的原理答案D解析利用原子守恒法：CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4中的碳原子都是从CH4中来的，故这四种氯代物共0.5mol，每种氯代物均为0.125mol，含氯原子的物质的量为0.125mol×1＋0.125mol×2＋0.125mol×3＋0.125mol×4＝1.25mol。而从甲烷分子中每取代1mol氢原子，就消耗1molCl2。因此消耗的Cl2的物质的量也为1.25mol。5．按如图所示装置进行实验，烧瓶内盛有等体积的CH4和Cl2，光照一段时间后，下列说法正确的是()A．只能生成CH3Cl一种有机物和HClB．烧瓶内液面不可能上升C．烧杯内的液体会分层D．向水中加入紫色石蕊溶液后无变化考点甲烷的取代反应题点甲烷的取代反应实验答案C解析甲烷与氯气在光照条件下发生取代反应生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氯化氢，A项错误；生成物中的氯化氢易溶于水，使烧瓶内压强减小，在外界大气压作用下，烧瓶内液面上升，B项错误；生成物中一氯甲烷为气体，二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳均为液体，它们都不溶于水，所以烧杯中液体会分层，C项正确；生成物中含有氯化氢，氯化氢溶于水电离生成氢离子，使溶液显酸性，可使紫色石蕊溶液变红，D项错误。[对点训练]题组一甲烷的结构、存在与用途1．(2017·四川资阳高一期末)下列关于甲烷分子结构的说法正确的是()A．甲烷分子的电子式为，分子中各原子都达到8电子稳定结构B．甲烷分子中的化学键全部为非极性键C．CH4分子比SiH4分子稳定，说明碳元素的非金属性比硅元素的非金属性强D．CH3Cl的四个价键的键长和强度相同，夹角相等考点甲烷的组成和结构题点甲烷的分子结构答案C解析甲烷分子中H原子最外层只有2个电子，不是8电子稳定结构，A项错误；甲烷分子中的化学键均为极性键，B项错误；元素的非金属性越强，其简单氢化物越稳定，反之也成立，C项正确；一氯甲烷中C—Cl键与C—H键的键长和强度不同，故四个键的键角也不完全相等，D项错误。2．(2017·宁波八校模拟)能够证明甲烷分子空间结构为正四面体的事实是()A．甲烷的四个碳氢键的强度相等B．甲烷的四个碳氢键的键长相等C．甲烷的一氯代物只有一种D．甲烷的二氯代物只有一种考点甲烷的组成和结构题点甲烷的分子结构答案D解析甲烷的结构式为，其分子的空间构型可能有两种：①平面正方形结构，②空间正四面体结构。A、B、C项成立并不能证明甲烷分子空间构型是①还是②。若是构型①，则二氯甲烷有两种结构：和；若是构型②，则二氯甲烷只有一种结构，故选D。3．(2017·济南高一检测)在我国的南海、东海海底已发现天然气(含甲烷等)的水合物，它易燃烧，外形似冰，被称为“可燃冰”。“可燃冰”的开采，有助于解决人类面临的能源危机。下列说法正确的是()①甲烷属于烃类②在相同条件下甲烷的密度大于空气③甲烷难溶于水④可燃冰是一种极具潜力的能源A．①②③ B．②③④C．①③④ D．①②④考点甲烷的存在、物理性质与用途题点甲烷的存在、物理性质与用途答案C解析甲烷是最简单的烃，难溶于水，因其相对分子质量为16，故相同条件下密度小于空气，甲烷燃烧放出较多的热量且产物为CO2和H2O，所以可燃冰是一种极具潜力的能源，因此C项正确。题组二甲烷的燃烧及相关计算4．鉴别甲烷、一氧化碳和氢气等三种无色气体的方法是()A．通入溴水→通入澄清石灰水B．点燃→罩上涂有澄清石灰水的烧杯C．点燃→罩上干冷烧杯→罩上涂有澄清石灰水的烧杯D．点燃→罩上涂有澄清石灰水的烧杯→通入溴水考点甲烷的氧化反应题点甲烷燃烧产物的判断答案C解析点燃，用干燥的烧杯可以检验出是否生成水，从而确定原气体是否含有氢元素；用涂有澄清石灰水的烧杯可检验出是否生成CO2，从而确定原气体中是否含有碳元素。5．在标准状况下，11.2L甲烷和22.4L氧气混合后点燃，恢复到原状况时，气体的体积共()A．11.2L B．22.4LC．33.6L D．44.8L考点甲烷的氧化反应题点甲烷燃烧的计算答案A解析甲烷燃烧的化学方程式为CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(点燃))CO2＋2H2O，当温度超过100℃时(即水为气态)，反应前后气体体积不变。而在标准状况下，水是液态，11.2L甲烷与22.4L氧气恰好完全反应，最后只剩下二氧化碳，其体积为11.2L。6．(2017·内蒙古包头九原区校级期中考试)一定质量的甲烷燃烧后得到的产物为CO、CO2和水蒸气，此混合气体质量为49.6g，当其缓慢经过无水CaCl2时，CaCl2增重25.2g，原混合气体中CO2的质量为()A．12.5g B．13.2gC．19.7g D．24.4g考点甲烷的氧化反应题点甲烷燃烧的计算答案B解析题组三甲烷的取代反应7．在常温下，把一个盛有一定量甲烷和氯气混合气体的密闭玻璃容器放在光亮的地方，两种气体发生反应，下列叙述中正确的是()A．反应产物物质的量最多的是CH3ClB．如果氯气过量，则最终产物只有一种C．反应前后容器内压强不变D．发生的反应都属于取代反应考点甲烷的取代反应题点甲烷的取代反应原理答案D8．(2017·四川宜宾期末考试)取一支硬质大试管，通过排饱和食盐水的方法先后收集半试管甲烷和半试管氯气(如图)，下列对于试管内发生的反应及现象的说法正确的是()A．反应过程中试管内黄绿色逐渐消失，试管壁上有油珠产生B．甲烷和Cl2反应后的产物有4种C．盛放饱和食盐水的水槽底部不会有晶体析出D．CH4和Cl2完全反应后液面上升，液体充满试管考点甲烷的取代反应题点甲烷的取代反应实验答案A解析Cl2被消耗后，黄绿色消失，生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4均为油状液体，所以试管壁上有油珠产生，A项正确；CH4与Cl2反应生成4种有机物和1种无机物，共有5种产物，B项错误；CH4与Cl2反应后最多的产物是HCl，HCl溶于饱和食盐水会有NaCl晶体析出，C项错误；取代产物CH2Cl2、CHCl3、CCl4是油状液体，而CH3Cl是气体，不溶于饱和食盐水，故液体不会充满试管，D项错误。9．已知正四面体形分子E和单质分子G反应，生成四面体形分子L和分子M(组成E分子的元素的原子序数小于10，组成G分子的元素为第三周期的元素)，如图所示，则下列判断中不正确的是()A．常温常压下，E、L均为气态有机物B．E是一种含有10个电子的分子C．上述反应的类型是置换反应D．上述4种物质中有3种为共价化合物考点甲烷的取代反应题点取代反应类型的判断答案C解析正四面体形分子E，组成E分子的元素的原子序数都小于10，E由两种元素组成，灰色球只形成一个共价键，所以是H，黑色球表示C，所以E是甲烷；直线形分子G，组成G分子的元素为第三周期的元素，且G是双原子分子，所以G是Cl2，该反应是甲烷和氯气发生取代反应生成一氯甲烷和氯化氢，即L是一氯甲烷，M是氯化氢。常温常压下，甲烷、一氯甲烷均是气体，A项正确；E是甲烷分子，含有10个电子，B项正确；甲烷中的氢原子被氯原子取代生成一氯甲烷，属于取代反应，生成物中没有单质，不是置换反应，C项错误；四种物质中甲烷、一氯甲烷和HCl属于共价化合物，所以4种物质中有3种为共价化合物，D项正确。10．在光照条件下，CH4与Cl2能发生取代反应。使1molCH4与Cl2反应，待反应完全后测得四种有机取代产物的物质的量之比n(CH3Cl)∶n(CH2Cl2)∶n(CHCl3)∶n(CCl4)＝1∶2∶3∶4，则消耗的Cl2的物质的量为()A．1.0molB．2.0molC．3.0molD．4.0mol考点甲烷的取代反应题点甲烷的取代反应原理答案C解析在光照条件下，CH4与Cl2发生取代反应时，生成1molCH3Cl消耗1mol氯气，生mol氯气。四种有机取代产物的物质的量之比n(CH3Cl)∶n(CH2Cl2)∶n(CHCl3)∶n(CCl4)＝1∶2∶3∶4，根据碳原子守恒可知，生成的n(CH3Cl)、n(CH2Cl2)、n(CHCl3)、n(CCl4)分别mol＋4×0.4mol＝3.0mol。题组四甲烷性质的综合11．(2017·哈尔滨高一下期中)下列关于甲烷的说法正确的是()A．实验室可用向上排空气法收集甲烷B．甲烷点燃之前需要验纯C．甲烷可以与溴水发生取代反应D．甲烷在空气中燃烧只可能生成CO2和H2O考点甲烷的化学性质题点甲烷化学性质综合答案B解析甲烷的密度小于空气，实验室可用向下排空气法收集甲烷，A项错误；甲烷是可燃性气体，点燃之前需要验纯，B项正确；甲烷与溴水不发生取代反应，与Br2在光照条件下发生取代反应，C错误；若甲烷在空气中燃烧不完全，可能生成CO和H2O，D项错误。12．(2017·合肥高一检测)天然气的主要成分为甲烷。下列关于甲烷的叙述中，错误的是()A．通常情况下，甲烷跟强酸、强碱、强氧化剂不反应B．甲烷化学性质比较稳定，不能被任何氧化剂氧化C．甲烷跟氯气反应无论生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3还是CCl4，都属于取代反应D．光照条件下甲烷与Cl2反应的四种有机产物都难溶于水考点甲烷的化学性质题点甲烷化学性质的综合答案B解析CH4的性质比较稳定，通常情况下，不与强酸、强碱、强氧化剂反应，但不是不能被任何氧化剂氧化(如能燃烧)，A项正确，B项错误；CH4在光照条件下与Cl2发生取代反应，生成4种有机产物，它们是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4，且均难溶于水，故C、D项均正确。[综合强化]13．(2017·南昌三校联考)如图所示，U形管的左端被水和胶塞封闭有甲烷和氯气(体积比为1∶4)的混合气体，假定氯气在水中的溶解度可以忽略。将封闭有甲烷和氯气混合气体的装置放置在有光亮的地方，让混合气体缓慢地反应一段时间。(1)假设甲烷与氯气反应充分，且只产生一种有机物，请写出化学方程式：_____________________________________________________________________。(2)若题目中甲烷与氯气体积之比为1∶1，则得到的产物为________(填字母，下同)。A．CH3ClHClB．CCl4HClC．CH3ClCH2Cl2D．CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HCl(3)经过几个小时的反应后，U形管右端的水面变化是________。A．升高B．降低C．不变D．无法确定(4)若水中含有Na2SiO3，则在U形管左端会观察到的现象是____________________。(5)右端玻璃管的作用是__________________________________________________。考点甲烷的取代反应题点甲烷的取代反应实验答案(1)CH4＋4Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CCl4＋4HCl(2)D(3)B(4)有白色胶状沉淀生成(5)平衡气压解析(1)因Cl2足量，若充分反应且只产生一种有机物，则CH4中的四个H原子可完全被取代，生成CCl4和HCl：CH4＋4Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CCl4＋4HCl。(2)甲烷与氯气的取代反应，是四步反应同时发生，故得到四种氯代产物和HCl。(3)甲烷和氯气在光照的条件下发生取代反应生成油状液滴，U形管左侧生成的氯化氢气体易溶于水。压强减小，U形管右端液面下降，左端液面上升。(4)因左侧生成的HCl溶于水后发生反应：2HCl＋Na2SiO3=H2SiO3↓＋2NaCl，所以观察到有白色胶状沉淀生成。(5)为了平衡气压，在U形管右侧插入一支玻璃管。14．(2017·锦州高一检测)燃烧法是测定有机化合物分子式的一种重要方法。以下是通过燃烧法推断物质组成的过程，请回答下列问题：(1)某物质A在氧气中完全燃烧只生成二氧化碳和水。则说明________(填字母)。A．A一定是烃B．A一定含有C、H两种元素，肯定不含氧元素C．A一定含有C、H两种元素，可能含有氧元素D．A一定含有C、H、O三种元素(2)甲烷在空气中完全燃烧的化学方程式为______________________________________________________________________________________________________。若2.24L(标准状况下)甲烷完全燃烧后，将生成的气体通过足量碱石灰，那么碱石灰增重的质量是________g。考点甲烷的氧化反应题点甲烷燃烧的综合答案(1)C(2)CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(点燃))CO2＋2H2O8解析(1)A在氧气中完全燃烧只生成二氧化碳和水，说明A一定含有C、H两种元素，由于氧气参与反应，故无法确定是否含有氧元素。(2)由甲烷完全燃烧的化学方程式CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(点燃))CO2＋2H2O知，2.24L(0.1mol)甲烷完全燃－1＋0.2mol×18g·mol－1＝8g。15．利用甲烷与氯气发生取