高中化学必修二导学案：第三章 有机化合物 第一节 第1课时甲烷的性质 含答案

高中化学必修课程PAGE11-第一节最简单的有机化合物——甲烷第1课时甲烷的性质[学习目标定位]1.会写甲烷的分子式、结构式、电子式，知道甲烷的结构特点。2.知道甲烷能发生氧化反应和取代反应，会写化学方程式。3.知道取代反应的概念和甲烷发生取代反应时的断键和成键情况。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)甲烷的主要用途甲烷易燃烧，完全燃烧生成CO2、H2O并放出大量的热量，因此甲烷可用作燃料。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空间构型甲烷的分子模型CH4正四面体结构，C原子位于正四面体中心，H原子位于四个顶点上归纳总结1．结构式：用短线来表示一对共用电子的图式叫做结构式。2．一个碳原子以4个单键与其他原子相结合时，无论这4个原子是否相同，都分别在四面体的顶点上，但不一定为正四面体，也不可能在同一平面上，并且最多有3个原子共面。1．以下关于甲烷的说法中错误的是()A．甲烷分子是由极性键构成的分子B．甲烷分子具有正四面体结构C．甲烷分子中四个C—H键是完全等价的键D．甲烷分子中具有非极性键答案D2．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。二甲烷的性质1．甲烷的物理性质甲烷是一种无色、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)甲烷的氧化反应将甲烷在空气中点燃观察现象：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水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①甲烷燃烧的化学方程式为CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(点燃))CO2＋2H2O。甲烷是优良的气体燃料，通常状况下，1mol甲烷在空气中完全燃烧，生成二氧化碳和水，放出890kJ热量。因此以甲烷为主要成分的天然气、沼气是理想的清洁能源。特别提醒点燃甲烷前必须检验纯度。空气中的甲烷含量在5%～15.4%(体积)范围内时，遇火花将发生爆炸；煤矿中的瓦斯爆炸多数是甲烷气体爆炸引发的。②将CH4通入酸性KMnO4溶液中，观察现象，试解释其原因。答案现象：酸性KMnO4溶液的颜色不发生变化；原因：CH4分子为正四面体结构，结构对称，通常情况下化学性质比较稳定。(2)甲烷的取代反应按要求完成下列实验，并填写下表：实验操作实验现象A装置：①试管内气体颜色逐渐变浅，②试管内壁有油状液滴出现，③试管中有少量白雾生成，④试管内液面上升，⑤水槽中有固体析出；B装置：无明显现象实验结论CH4与Cl2在光照时才能发生化学反应①上述实验A中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。CH4和Cl2反应的四种取代产物都不溶于水，除一氯甲烷常温下是气体外，其他三种都是油状液体。③问题讨论a．若把甲烷分子中的一个氢原子换成氯原子变成一氯甲烷，还是正四面体结构吗？答案因C—H键与C—Cl键的长度不同，故CH3Cl是四面体结构，但不是正四面体结构。b．CH4与Cl2发生取代反应时，有机取代产物的总物质的量与CH4的物质的量有何关系？答案根据碳元素守恒，四种有机取代产物的总物质的量等于反应物CH4的物质的量。c．CH3Cl、CCl4只有一种结构，能说明CH4分子是以碳原子为中心的正四面体结构而不是正方形的平面结构吗？答案不能。因为不论CH4分子是以碳原子为中心的正四面体结构，还是正方形的平面结构，CH3Cl、CCl4均只有一种结构。归纳总结3．下列叙述中错误的是()A．点燃甲烷前不必进行验纯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．点燃甲烷不一定会爆炸答案A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。4．将1mol甲烷和适量的Cl2混合后光照，充分反应后生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4四种有机产物的物质的量依次增大0.1mol，则参加反应的Cl2的物质的量为()A．1.5mol B．3molC．4.5mol D．6mol答案B解析解答此题宜用原子守恒法。CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4中的碳原子都是从CH4中来的，故这四种取代物共1mol，设CH3Cl物质的量为x，则x＋(x＋0.1mol)＋(x＋0.2mol)＋(x＋0.3mol)＝1mol，得x＝0.1mol，即CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4四种有机产物的物质的量依次为0.1mol、0.2mol、0.3mol、0.4mol，含Cl原子的物质的量共为0.1mol×1＋0.2mol×2＋0.3mol×3＋0.4mol×4＝3mol，而一个Cl2分子中只有一个Cl原子参加取代反应，因此消耗的Cl2也为3mol。1．把1mol甲烷和4mol氯气组成的混合气体充入到大试管中，将此试管倒立在盛有饱和食盐水的水槽里，放在光亮处，一段时间后，推测可能观察到的现象是()①黄绿色逐渐消失②试管壁上有油珠③试管内水面上升④水槽内有少量晶体析出A．只有①③ B．只有①②③C．只有①③④ D．①②③④答案D解析氯气被消耗后，黄绿色消失；生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4均为油状液体，又因为氯气被消耗，气体的体积减小，试管内水面上升。生成的HCl溶于水降低了NaCl的溶解度，有NaCl析出。2．已知正四面体形分子E和直线形分子G反应，生成四面体形分子L和直线形分子M(组成E分子的元素原子序数小于10，组成G分子的元素为第三周期的元素)。如下图所示，则下列判断中正确的是()A．常温常压下，L是一种液态有机物B．E是一种含有非极性键的分子C．干燥的G能漂白有色物质D．上述反应的类型是取代反应答案D解析本题实为用图像考查甲烷与氯气的反应。L为CH3Cl，常温常压下是一种气态有机物；E为甲烷，含有极性键；G为氯气，干燥的氯气不能漂白有色物质。3．瓦斯爆炸是空气中含甲烷5%～15.4%(体积分数)遇火所产生的，发生爆炸最强烈时，甲烷在空气中的体积分数大约为()A．10.5% B．9.5%C．8% D．5%答案B解析由CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(点燃))CO2＋2H2O可知瓦斯爆炸最强烈时，CH4和O2的体积比为1∶2，因此CH4与空气的体积比为1∶eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2×\f(100,21)))≈1∶9.5。那么它在空气中的体积分数为eq\f(1,9.5＋1)×100%≈9.5%，选B。4．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叫取代反应。下列化学反应中不属于取代反应的是()A．CH2Cl2＋Br2eq\o(→,\s\up7(光照))CHBrCl2＋HBrB．CH3OH＋HCleq\o(→,\s\up7(光照))CH3Cl＋H2OC．2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑D．CH3—CH2—Br＋H2Oeq\o(→,\s\up7(NaOH),\s\do5(△))CH3—CH2—OH＋HBr答案C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。C项中的反应为置换反应，不是有机反应，更不是取代反应。5．在光照的条件下，将1mol甲烷与一定量的氯气充分混合，经过一段时间，甲烷和氯气均无剩余，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氯化氢。(1)若已知生成的二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳的物质的量分别为amol、bmol、cmol，生成的混合物经水洗后所得气体在标准状况下的体积为________。(2)该反应中消耗的氯气的物质的量是________。答案(1)22.4×(1－a－b－c)L(2)(1＋a＋2b＋3c)mol解析(1)水洗后所得的气体为CH3Cl，由碳原子守恒可知其物质的量为(1－a－b－c)mol，标准状况下的体积为22.4×(1－a－b－c)L。(2)CH4与Cl2的取代反应中取代1个氢原子需要1个Cl2分子，由原子守恒可得出四种取代产物对应的氯气的量。总共取代氢的物质的量为[(1－a－b－c)＋2a＋3b＋4c]mol，即为所需Cl2的物质的量。40分钟课时作业[经典基础题]一、甲烷的分子组成与结构1．下图是CH4、CCl4、CH3Cl的分子球棍模型图，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。二、甲烷的性质及应用2．有一种无色的混合气体可能由CH4、NH3、H2、CO、CO2和HCl组成。为确定其组成，进行了以下实验：①将此混合气体通过浓硫酸，气体总体积基本不变；②再通过过量的澄清石灰水，未见浑浊，但气体体积减少；③把剩余气体在供氧的情况下燃烧，燃烧产物不能使无水硫酸铜变色。原混合气体含有()A．CO和HCl B．CH4和NH3C．CH4和HCl D．H2和CO2答案A解析由①知，不含NH3；由②知，不含CO2，含HCl；由③知，不含CH4、H2，含CO。3．公元前一世纪，我国已使用天然气，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、强氧化剂不起反应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．甲烷的四种取代物都难溶于水答案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，而不是不能被任何氧化剂氧化，A正确，B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均正确。4.如图所示，集气瓶内充满某混合气体，置于光亮处，将滴管内的水挤入集气瓶后，烧杯中的水会进入集气瓶，集气瓶内的气体是()①CO、O2②Cl2、CH4③NO2、O2④N2、H2A．①②B．②④C．③④D．②③答案D解析①中CO与O2在光亮条件下不发生反应，且都不与水反应，不会使瓶内压强减小；②中CH4与Cl2发生反应，生成易溶于水的HCl和一些油状液体，可使瓶内压强减小；③中NO2与水发生反应，可使瓶内压强减小；④N2与H2在光亮处不会发生反应，且都不与水反应，瓶中压强不变，故D项正确。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．11.2LB．22.4LC．33.6LD．44.8L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。三、取代反应6．下列反应属于取代反应的是()A．C2H4＋3O2eq\o(→,\s\up7(点燃))2CO2＋2H2OB．Zn＋CuSO4=ZnSO4＋CuC．NaCl＋AgNO3=AgCl↓＋NaNO3D．CH2Cl2＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CHCl3＋HCl答案D解析取代反应是有机物分子中的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应。A项C2H4的燃烧不是取代反应；B项为置换反应；C项为复分解反应；D项中Cl原子取代了CH2Cl2中的一个H原子，故属于取代反应。7．在光照条件下，将1molCH4与Cl2反应，得到等物质的量的4种取代物，则消耗Cl2物质的量为()A．1mol B．2molC．2.5mol D．10mol答案C解析由于CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CH3Cl＋HCl，CH4＋2Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CH2Cl2＋2HCl，CH4＋3Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CHCl3＋3HCl，CH4＋4Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CCl4＋4HCl。1molCH4生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各为0.25mol，则消耗Cl2为0.25＋0.25×2＋0.25×3＋0.25×4＝2.5(mol)。[能力提升题]8．一定质量的甲烷燃烧后的产物为CO、CO2和水蒸气，此混合气体质量为49.6g，当其缓慢通过无水CaCl2时，CaCl2增重25.2g。原混合气体中CO2质量为()A．12.5g B．13.2gC．19.7g D．24.4g答案B解析通过CaCl2时被吸收的为水蒸气，即n(H2O)＝eq\f(25.2g,18g·mol－1)＝1.4mol，根据CH4的组成可知，CO和CO2的物质的量之和为eq\f(1.4mol×2,4)＝0.7mol，设CO2的质量为x，则CO的质量为49.6g－25.2g－x，故有关系式：eq\f(x,44g·mol－1)＋eq\f(24.4g－x,28g·mol－1)＝0.7mol，解得：x＝13.2g。9．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________(填字母编号，下同)。A．CH3ClHClB．CCl4HClC．CH3ClCH2Cl2D．CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HCl(3)经过几个小时的反应后，U形管右端的水柱变化是________。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______________________________________________。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，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形管右侧插有一个玻璃管。10．将装有甲烷和氯气混合气体的三个集气瓶，用玻璃片盖好瓶口后，分别做如下处理，各有怎样的现象发生？(1)①置于黑暗中：______________；②将点燃的镁条靠近集气瓶外壁：____________________________________________；③放在有光线的房子里：______________________________。(2)甲烷和氯气发生的一系列反应都是__________(填反应类型)反应，请写出甲烷和氯气反应生成一氯甲烷的化学方程式：____________________________。答案(1)①无明显现象②爆炸③黄绿色逐渐变浅，有油状液滴生成(2)取代CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CH3Cl＋HCl11．利用甲烷与氯气发生取代反应制取副产品盐酸的设想在工业上已成为现实。某化学兴趣小组在实验室中模拟上述过程，其设计的模拟装置如下：根据设计要求回答：