高中化學(xué)必修二導(dǎo)學(xué)案：第三章 有機(jī)化合物 第一節(jié) 第1課時(shí)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(jī)化合物——甲烷第1課時(shí)甲烷的性質(zhì)[學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]1.會(huì)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(diǎn)。2.知道甲烷能發(fā)生氧化反應(yīng)和取代反應(yīng)，會(huì)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(shí)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(gè)頂點(diǎn)上歸納總結(jié)1．結(jié)構(gòu)式：用短線來表示一對(duì)共用電子的圖式叫做結(jié)構(gòu)式。2．一個(gè)碳原子以4個(gè)單鍵與其他原子相結(jié)合時(shí)，無論這4個(gè)原子是否相同，都分別在四面體的頂點(diǎn)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(gè)原子共面。1．以下關(guān)于甲烷的說法中錯(cuò)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(gè)C—H鍵是完全等價(jià)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(shí)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(dá)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(diǎn)燃觀察現(xiàn)象：燃燒現(xiàn)象檢驗(yàn)產(chǎn)物方法現(xiàn)象結(jié)論淡藍(lán)色火焰在火焰上方罩一個(gè)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(gè)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(diǎn)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(diǎn)燃甲烷前必須檢驗(yàn)純度?？諝庵械募淄楹吭?%～15.4%(體積)范圍內(nèi)時(shí)，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(duì)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(shí)驗(yàn)，并填寫下表：實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論CH4與Cl2在光照時(shí)才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)①上述實(shí)驗(yàn)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(jī)物分子里的某些原子或原子團(tuán)被其他原子或原子團(tuán)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(gè)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(shí)，有機(jī)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(jī)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?yàn)椴徽揅H4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(cuò)誤的是()A．點(diǎn)燃甲烷前不必進(jìn)行驗(yàn)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(yán)禁煙火，以防爆炸事故的發(fā)生D．點(diǎn)燃甲烷不一定會(huì)爆炸答案A解析甲烷與氧氣混合達(dá)到一定比例范圍時(shí)，點(diǎn)燃會(huì)發(fā)生爆炸，因此，甲烷點(diǎn)燃前要進(jìn)行驗(yàn)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(jī)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(jī)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(gè)Cl2分子中只有一個(gè)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(shí)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?yàn)槁葰獗幌?，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(jī)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(shí)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(jī)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?jǐn)?shù))遇火所產(chǎn)生的，發(fā)生爆炸最強(qiáng)烈時(shí)，甲烷在空氣中的體積分?jǐn)?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(diǎn)燃))CO2＋2H2O可知瓦斯爆炸最強(qiáng)烈時(shí)，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?jǐn)?shù)為eq\f(1,9.5＋1)×100%≈9.5%，選B。4．有機(jī)物分子里的某些原子或原子團(tuán)被其他原子或原子團(tuán)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(jī)物分子里的某些原子或原子團(tuán)被其他原子或原子團(tuán)所替代的反應(yīng)。C項(xiàng)中的反應(yīng)為置換反應(yīng)，不是有機(jī)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)氫原子需要1個(gè)Cl2分子，由原子守恒可得出四種取代產(chǎn)物對(duì)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(shí)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(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：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(jì)，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(cuò)誤的是()A．通常情況下，甲烷跟強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)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(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑反應(yīng)，而不是不能被任何氧化劑氧化，A正確，B錯(cuò)誤；CH4在光照條件下與Cl2發(fā)生取代反應(yīng)，生成4種有機(jī)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?dāng)D入集氣瓶后，燒杯中的水會(huì)進(jìn)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(huì)使瓶內(nèi)壓強(qiáng)減??；②中CH4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(qiáng)減?。虎壑蠳O2與水發(fā)生反應(yīng)，可使瓶內(nèi)壓強(qiáng)減??；④N2與H2在光亮處不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，且都不與水反應(yīng)，瓶中壓強(qiáng)不變，故D項(xiàng)正確。5．在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，11.2L甲烷和22.4L氧氣混合后點(diǎn)燃，恢復(fù)到原狀況時(shí)，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(diǎn)燃))CO2＋2H2O，當(dāng)溫度超過100℃時(shí)(即水為氣態(tài))，反應(yīng)前后氣體體積不變。而在標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)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(jī)物分子中的某些原子或原子團(tuán)被其他原子或原子團(tuán)所替代的反應(yīng)。A項(xiàng)C2H4的燃燒不是取代反應(yīng)；B項(xiàng)為置換反應(yīng)；C項(xiàng)為復(fù)分解反應(yīng)；D項(xiàng)中Cl原子取代了CH2Cl2中的一個(gè)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(dāng)其緩慢通過無水CaCl2時(shí)，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(shí)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(shí)間。(1)假設(shè)甲烷與氯氣反應(yīng)充分，且只產(chǎn)生一種有機(jī)物，請(qǐng)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(hào)，下同)。A．CH3ClHClB．CCl4HClC．CH3ClCH2Cl2D．CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HCl(3)經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)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(huì)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(gè)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(shí)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(qiáng)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(gè)玻璃管。10．將裝有甲烷和氯氣混合氣體的三個(gè)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(diǎn)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(qǐng)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(shí)。某化學(xué)興趣小組在實(shí)驗(yàn)室中模擬上述過程，其設(shè)計(jì)的模擬裝置如下：根據(jù)設(shè)計(jì)要求回答：