高中化學(xué)必修二導(dǎo)學(xué)案：第三章 有機化合物 第一節(jié) 第1課時甲烷的性質(zhì) 含答案

高中化學(xué)必修課程PAGE11-第一節(jié)最簡單的有機化合物——甲烷第1課時甲烷的性質(zhì)[學(xué)習(xí)目標定位]1.會寫甲烷的分子式、結(jié)構(gòu)式、電子式，知道甲烷的結(jié)構(gòu)特點。2.知道甲烷能發(fā)生氧化反應(yīng)和取代反應(yīng)，會寫化學(xué)方程式。3.知道取代反應(yīng)的概念和甲烷發(fā)生取代反應(yīng)時的斷鍵和成鍵情況。一甲烷的存在、用途及結(jié)構(gòu)1．甲烷的存在與用途(1)甲烷的存在甲烷是天然氣、沼氣、油田氣和煤礦坑道氣的主要成分。我國的天然氣主要分布在中西部地區(qū)及海底。(2)甲烷的主要用途甲烷易燃燒，完全燃燒生成CO2、H2O并放出大量的熱量，因此甲烷可用作燃料。天然氣和沼氣都是理想的清潔能源。甲烷還可用作化工原料。2．甲烷的組成與結(jié)構(gòu)分子式電子式結(jié)構(gòu)式空間構(gòu)型甲烷的分子模型CH4正四面體結(jié)構(gòu)，C原子位于正四面體中心，H原子位于四個頂點上歸納總結(jié)1．結(jié)構(gòu)式：用短線來表示一對共用電子的圖式叫做結(jié)構(gòu)式。2．一個碳原子以4個單鍵與其他原子相結(jié)合時，無論這4個原子是否相同，都分別在四面體的頂點上，但不一定為正四面體，也不可能在同一平面上，并且最多有3個原子共面。1．以下關(guān)于甲烷的說法中錯誤的是()A．甲烷分子是由極性鍵構(gòu)成的分子B．甲烷分子具有正四面體結(jié)構(gòu)C．甲烷分子中四個C—H鍵是完全等價的鍵D．甲烷分子中具有非極性鍵答案D2．下列各圖均能表示甲烷的分子結(jié)構(gòu)，其中更能反映其真實存在狀況的是()答案D解析在這幾種形式中，分子結(jié)構(gòu)示意圖、球棍模型及比例模型均能反映甲烷分子的空間構(gòu)型，但比例模型更能形象的表達出H、C的位置及所占比例；電子式只反映原子的最外層電子的成鍵情況。二甲烷的性質(zhì)1．甲烷的物理性質(zhì)甲烷是一種無色、無味、極難溶于水、密度比空氣小的氣體。2．甲烷的化學(xué)性質(zhì)(1)甲烷的氧化反應(yīng)將甲烷在空氣中點燃觀察現(xiàn)象：燃燒現(xiàn)象檢驗產(chǎn)物方法現(xiàn)象結(jié)論淡藍色火焰在火焰上方罩一個干燥的燒杯燒杯內(nèi)壁有水珠產(chǎn)生生成了水在火焰上方罩一個涂有澄清石灰水的燒杯燒杯內(nèi)壁變渾濁生成了二氧化碳①甲烷燃燒的化學(xué)方程式為CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(點燃))CO2＋2H2O。甲烷是優(yōu)良的氣體燃料，通常狀況下，1mol甲烷在空氣中完全燃燒，生成二氧化碳和水，放出890kJ熱量。因此以甲烷為主要成分的天然氣、沼氣是理想的清潔能源。特別提醒點燃甲烷前必須檢驗純度?？諝庵械募淄楹吭?%～15.4%(體積)范圍內(nèi)時，遇火花將發(fā)生爆炸；煤礦中的瓦斯爆炸多數(shù)是甲烷氣體爆炸引發(fā)的。②將CH4通入酸性KMnO4溶液中，觀察現(xiàn)象，試解釋其原因。答案現(xiàn)象：酸性KMnO4溶液的顏色不發(fā)生變化；原因：CH4分子為正四面體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)對稱，通常情況下化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定。(2)甲烷的取代反應(yīng)按要求完成下列實驗，并填寫下表：實驗操作實驗現(xiàn)象A裝置：①試管內(nèi)氣體顏色逐漸變淺，②試管內(nèi)壁有油狀液滴出現(xiàn)，③試管中有少量白霧生成，④試管內(nèi)液面上升，⑤水槽中有固體析出；B裝置：無明顯現(xiàn)象實驗結(jié)論CH4與Cl2在光照時才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)①上述實驗A中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為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取代反應(yīng)是指有機物分子里的某些原子或原子團被其他原子或原子團所替代的反應(yīng)。CH4和Cl2反應(yīng)的四種取代產(chǎn)物都不溶于水，除一氯甲烷常溫下是氣體外，其他三種都是油狀液體。③問題討論a．若把甲烷分子中的一個氫原子換成氯原子變成一氯甲烷，還是正四面體結(jié)構(gòu)嗎？答案因C—H鍵與C—Cl鍵的長度不同，故CH3Cl是四面體結(jié)構(gòu)，但不是正四面體結(jié)構(gòu)。b．CH4與Cl2發(fā)生取代反應(yīng)時，有機取代產(chǎn)物的總物質(zhì)的量與CH4的物質(zhì)的量有何關(guān)系？答案根據(jù)碳元素守恒，四種有機取代產(chǎn)物的總物質(zhì)的量等于反應(yīng)物CH4的物質(zhì)的量。c．CH3Cl、CCl4只有一種結(jié)構(gòu)，能說明CH4分子是以碳原子為中心的正四面體結(jié)構(gòu)而不是正方形的平面結(jié)構(gòu)嗎？答案不能。因為不論CH4分子是以碳原子為中心的正四面體結(jié)構(gòu)，還是正方形的平面結(jié)構(gòu)，CH3Cl、CCl4均只有一種結(jié)構(gòu)。歸納總結(jié)3．下列敘述中錯誤的是()A．點燃甲烷前不必進行驗純B．甲烷燃燒放出大量的熱，所以是一種很好的氣體燃料C．煤礦的礦井要注意通風(fēng)并嚴禁煙火，以防爆炸事故的發(fā)生D．點燃甲烷不一定會爆炸答案A解析甲烷與氧氣混合達到一定比例范圍時，點燃會發(fā)生爆炸，因此，甲烷點燃前要進行驗純。4．將1mol甲烷和適量的Cl2混合后光照，充分反應(yīng)后生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4四種有機產(chǎn)物的物質(zhì)的量依次增大0.1mol，則參加反應(yīng)的Cl2的物質(zhì)的量為()A．1.5mol B．3molC．4.5mol D．6mol答案B解析解答此題宜用原子守恒法。CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4中的碳原子都是從CH4中來的，故這四種取代物共1mol，設(shè)CH3Cl物質(zhì)的量為x，則x＋(x＋0.1mol)＋(x＋0.2mol)＋(x＋0.3mol)＝1mol，得x＝0.1mol，即CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4四種有機產(chǎn)物的物質(zhì)的量依次為0.1mol、0.2mol、0.3mol、0.4mol，含Cl原子的物質(zhì)的量共為0.1mol×1＋0.2mol×2＋0.3mol×3＋0.4mol×4＝3mol，而一個Cl2分子中只有一個Cl原子參加取代反應(yīng)，因此消耗的Cl2也為3mol。1．把1mol甲烷和4mol氯氣組成的混合氣體充入到大試管中，將此試管倒立在盛有飽和食鹽水的水槽里，放在光亮處，一段時間后，推測可能觀察到的現(xiàn)象是()①黃綠色逐漸消失②試管壁上有油珠③試管內(nèi)水面上升④水槽內(nèi)有少量晶體析出A．只有①③ B．只有①②③C．只有①③④ D．①②③④答案D解析氯氣被消耗后，黃綠色消失；生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4均為油狀液體，又因為氯氣被消耗，氣體的體積減小，試管內(nèi)水面上升。生成的HCl溶于水降低了NaCl的溶解度，有NaCl析出。2．已知正四面體形分子E和直線形分子G反應(yīng)，生成四面體形分子L和直線形分子M(組成E分子的元素原子序數(shù)小于10，組成G分子的元素為第三周期的元素)。如下圖所示，則下列判斷中正確的是()A．常溫常壓下，L是一種液態(tài)有機物B．E是一種含有非極性鍵的分子C．干燥的G能漂白有色物質(zhì)D．上述反應(yīng)的類型是取代反應(yīng)答案D解析本題實為用圖像考查甲烷與氯氣的反應(yīng)。L為CH3Cl，常溫常壓下是一種氣態(tài)有機物；E為甲烷，含有極性鍵；G為氯氣，干燥的氯氣不能漂白有色物質(zhì)。3．瓦斯爆炸是空氣中含甲烷5%～15.4%(體積分數(shù))遇火所產(chǎn)生的，發(fā)生爆炸最強烈時，甲烷在空氣中的體積分數(shù)大約為()A．10.5% B．9.5%C．8% D．5%答案B解析由CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(點燃))CO2＋2H2O可知瓦斯爆炸最強烈時，CH4和O2的體積比為1∶2，因此CH4與空氣的體積比為1∶eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2×\f(100,21)))≈1∶9.5。那么它在空氣中的體積分數(shù)為eq\f(1,9.5＋1)×100%≈9.5%，選B。4．有機物分子里的某些原子或原子團被其他原子或原子團所替代的反應(yīng)叫取代反應(yīng)。下列化學(xué)反應(yīng)中不屬于取代反應(yīng)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解析取代反應(yīng)是指有機物分子里的某些原子或原子團被其他原子或原子團所替代的反應(yīng)。C項中的反應(yīng)為置換反應(yīng)，不是有機反應(yīng)，更不是取代反應(yīng)。5．在光照的條件下，將1mol甲烷與一定量的氯氣充分混合，經(jīng)過一段時間，甲烷和氯氣均無剩余，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氯化氫。(1)若已知生成的二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳的物質(zhì)的量分別為amol、bmol、cmol，生成的混合物經(jīng)水洗后所得氣體在標準狀況下的體積為________。(2)該反應(yīng)中消耗的氯氣的物質(zhì)的量是________。答案(1)22.4×(1－a－b－c)L(2)(1＋a＋2b＋3c)mol解析(1)水洗后所得的氣體為CH3Cl，由碳原子守恒可知其物質(zhì)的量為(1－a－b－c)mol，標準狀況下的體積為22.4×(1－a－b－c)L。(2)CH4與Cl2的取代反應(yīng)中取代1個氫原子需要1個Cl2分子，由原子守恒可得出四種取代產(chǎn)物對應(yīng)的氯氣的量。總共取代氫的物質(zhì)的量為[(1－a－b－c)＋2a＋3b＋4c]mol，即為所需Cl2的物質(zhì)的量。40分鐘課時作業(yè)[經(jīng)典基礎(chǔ)題]一、甲烷的分子組成與結(jié)構(gòu)1．下圖是CH4、CCl4、CH3Cl的分子球棍模型圖，下列說法正確的是()A．CH4、CCl4和CH3Cl都是正四面體結(jié)構(gòu)B．CH4、CCl4都是正四面體結(jié)構(gòu)C．CH4和CCl4中的化學(xué)鍵均為非極性鍵D．CH4、CCl4的結(jié)構(gòu)相同，性質(zhì)也相同答案B解析CCl4的分子結(jié)構(gòu)同CH4相似為正四面體結(jié)構(gòu)，CH3Cl中的C—H和C—Cl鍵不同，不是正四面體結(jié)構(gòu)，而是四面體結(jié)構(gòu)。二、甲烷的性質(zhì)及應(yīng)用2．有一種無色的混合氣體可能由CH4、NH3、H2、CO、CO2和HCl組成。為確定其組成，進行了以下實驗：①將此混合氣體通過濃硫酸，氣體總體積基本不變；②再通過過量的澄清石灰水，未見渾濁，但氣體體積減少；③把剩余氣體在供氧的情況下燃燒，燃燒產(chǎn)物不能使無水硫酸銅變色。原混合氣體含有()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．公元前一世紀，我國已使用天然氣，天然氣的主要成分為甲烷。下列關(guān)于甲烷的敘述中，錯誤的是()A．通常情況下，甲烷跟強酸、強堿、強氧化劑不起反應(yīng)B．甲烷化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，不能被任何氧化劑氧化C．甲烷跟氯氣反應(yīng)無論生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3還是CCl4，都屬于取代反應(yīng)D．甲烷的四種取代物都難溶于水答案B解析CH4的性質(zhì)比較穩(wěn)定，通常情況下，不與強酸、強堿、強氧化劑反應(yīng)，而不是不能被任何氧化劑氧化，A正確，B錯誤；CH4在光照條件下與Cl2發(fā)生取代反應(yīng)，生成4種有機產(chǎn)物，它們是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4，且均難溶于水，故C、D均正確。4.如圖所示，集氣瓶內(nèi)充滿某混合氣體，置于光亮處，將滴管內(nèi)的水擠入集氣瓶后，燒杯中的水會進入集氣瓶，集氣瓶內(nèi)的氣體是()①CO、O2②Cl2、CH4③NO2、O2④N2、H2A．①②B．②④C．③④D．②③答案D解析①中CO與O2在光亮條件下不發(fā)生反應(yīng)，且都不與水反應(yīng)，不會使瓶內(nèi)壓強減?。虎谥蠧H4與Cl2發(fā)生反應(yīng)，生成易溶于水的HCl和一些油狀液體，可使瓶內(nèi)壓強減小；③中NO2與水發(fā)生反應(yīng)，可使瓶內(nèi)壓強減??；④N2與H2在光亮處不會發(fā)生反應(yīng)，且都不與水反應(yīng)，瓶中壓強不變，故D項正確。5．在標準狀況下，11.2L甲烷和22.4L氧氣混合后點燃，恢復(fù)到原狀況時，氣體的體積共()A．11.2LB．22.4LC．33.6LD．44.8L答案A解析甲烷燃燒的化學(xué)方程式為CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(點燃))CO2＋2H2O，當溫度超過100℃時(即水為氣態(tài))，反應(yīng)前后氣體體積不變。而在標準狀況下，水是液態(tài)，11.2L甲烷與22.4L氧氣恰好完全反應(yīng)，最后只剩下二氧化碳，其體積為11.2L。三、取代反應(yīng)6．下列反應(yīng)屬于取代反應(yīng)的是()A．C2H4＋3O2eq\o(→,\s\up7(點燃))2CO2＋2H2OB．Zn＋CuSO4=ZnSO4＋CuC．NaCl＋AgNO3=AgCl↓＋NaNO3D．CH2Cl2＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CHCl3＋HCl答案D解析取代反應(yīng)是有機物分子中的某些原子或原子團被其他原子或原子團所替代的反應(yīng)。A項C2H4的燃燒不是取代反應(yīng)；B項為置換反應(yīng)；C項為復(fù)分解反應(yīng)；D項中Cl原子取代了CH2Cl2中的一個H原子，故屬于取代反應(yīng)。7．在光照條件下，將1molCH4與Cl2反應(yīng)，得到等物質(zhì)的量的4種取代物，則消耗Cl2物質(zhì)的量為()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各為0.25mol，則消耗Cl2為0.25＋0.25×2＋0.25×3＋0.25×4＝2.5(mol)。[能力提升題]8．一定質(zhì)量的甲烷燃燒后的產(chǎn)物為CO、CO2和水蒸氣，此混合氣體質(zhì)量為49.6g，當其緩慢通過無水CaCl2時，CaCl2增重25.2g。原混合氣體中CO2質(zhì)量為()A．12.5g B．13.2gC．19.7g D．24.4g答案B解析通過CaCl2時被吸收的為水蒸氣，即n(H2O)＝eq\f(25.2g,18g·mol－1)＝1.4mol，根據(jù)CH4的組成可知，CO和CO2的物質(zhì)的量之和為eq\f(1.4mol×2,4)＝0.7mol，設(shè)CO2的質(zhì)量為x，則CO的質(zhì)量為49.6g－25.2g－x，故有關(guān)系式：eq\f(x,44g·mol－1)＋eq\f(24.4g－x,28g·mol－1)＝0.7mol，解得：x＝13.2g。9．如圖所示，U形管的左端被水和膠塞封閉有甲烷和氯氣(體積比為1∶4)的混合氣體，假定氯氣在水中的溶解度可以忽略。將封閉有甲烷和氯氣混合氣體的裝置放置在有光亮的地方，讓混合氣體緩慢地反應(yīng)一段時間。(1)假設(shè)甲烷與氯氣反應(yīng)充分，且只產(chǎn)生一種有機物，請寫出化學(xué)方程式：________________________________________________________________________。(2)若題目中甲烷與氯氣體積之比為1∶1，則得到的產(chǎn)物為________(填字母編號，下同)。A．CH3ClHClB．CCl4HClC．CH3ClCH2Cl2D．CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HCl(3)經(jīng)過幾個小時的反應(yīng)后，U形管右端的水柱變化是________。A．升高 B．降低C．不變 D．無法確定(4)若水中含有Na2SiO3，則在U形管左端會觀察到的現(xiàn)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)有白色膠狀沉淀生成(5)平衡氣壓解析(1)因Cl2足量，若充分反應(yīng)，則CH4中的四個H原子可完全被取代，生成CCl4和HCl：CH4＋4Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CCl4＋4HCl。(2)甲烷與氯氣的取代反應(yīng)，是四步反應(yīng)同時發(fā)生，故得到四種氯代產(chǎn)物和HCl。(3)甲烷和氯氣在光照的條件下發(fā)生取代反應(yīng)生成油狀液滴，U形管左側(cè)生成的氯化氫氣體易溶于水。壓強減小，U形管右端液面下降，左端液面上升。(4)因左側(cè)生成HCl溶于水后發(fā)生反應(yīng)2HCl＋Na2SiO3=H2SiO3↓＋2NaCl，所以觀察到有白色膠狀沉淀生成。(5)為了平衡氣壓，在U形管右側(cè)插有一個玻璃管。10．將裝有甲烷和氯氣混合氣體的三個集氣瓶，用玻璃片蓋好瓶口后，分別做如下處理，各有怎樣的現(xiàn)象發(fā)生？(1)①置于黑暗中：______________；②將點燃的鎂條靠近集氣瓶外壁：____________________________________________；③放在有光線的房子里：______________________________。(2)甲烷和氯氣發(fā)生的一系列反應(yīng)都是__________(填反應(yīng)類型)反應(yīng)，請寫出甲烷和氯氣反應(yīng)生成一氯甲烷的化學(xué)方程式：____________________________。答案(1)①無明顯現(xiàn)象②爆炸③黃綠色逐漸變淺，有油狀液滴生成(2)取代CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CH3Cl＋HCl11．利用甲烷與氯氣發(fā)生取代反應(yīng)制取副產(chǎn)品鹽酸的設(shè)想在工業(yè)上已成為現(xiàn)實。某化學(xué)興趣小組在實驗室中模擬上述過程，其設(shè)計的模擬裝置如下：根據(jù)設(shè)計要求回答：