版高中化学第3章重要的有机化合物第1节认识有机化合物第1课时甲烷的性质与结构学案鲁科版必修2.docx

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版高中化学第3章重要的有机化合物第1节认识有机化合物第1课时甲烷的性质与结构学案鲁科版必修2

第1课时　甲烷的性质与结构

一、甲烷的存在、用途及结构

1．有机化合物

（1）定义：

有机化合物是指绝大多数含碳的化合物，但含碳的化合物不一定是有机化合物。

（2）性质：

多数有机物具有较低的熔、沸点，难溶于水，可以燃烧。

2．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。

甲烷还可用做化工原料。

3．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

填充模型

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、球棍模型及填充模型均能反映甲烷分子的空间构型，但填充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＋2O2

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＋Cl2

CH3Cl＋HCl；

CH3Cl＋Cl2

CH2Cl2＋HCl；

CH2Cl2＋Cl2

CHCl3＋HCl；

CHCl3＋Cl2

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

　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。

特别提醒

点燃甲烷前必须检验纯度。

空气中的甲烷含量在4.9%～16%（体积）范围内时，遇火花将发生爆炸。

例4

　（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CH3Cl

B．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5

　下列反应属于取代反应的是（　　）

A．CH4

C＋2H2

B．2HI＋Cl2===2HCl＋I2

C．CH4＋2O2

CO2＋2H2O

D．C2H6＋Cl2

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．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）某有机物完全燃烧只生成CO2和H2O，说明该有机物属于烃（　　）

（2）甲烷与Cl2的反应属于置换反应（　　）

（3）甲烷通入酸性KMnO4溶液中可使其退色（　　）

（4）甲烷与氯水、溴水能发生取代反应（　　）

（5）沼气就是纯净的甲烷气体（　　）

（6）16gCH4分子中含有4NA个C—H键（　　）

（7）天然气属于不可再生能源（　　）

（8）通过燃烧法观察火焰颜色可鉴别CH4和CO（　　）

（9）甲烷不能使酸性KMnO4溶液退色，故甲烷不能发生氧化反应（　　）

（10）甲烷的一氯代物只有一种结构证明甲烷是正四面体结构而非平面正方形结构（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×　（6）√　（7）√　（8）×　（9）×　（10）×

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．①②③B．②③

C．②③①D．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①CH3Cl　②CH2Cl2　③CHCl3　④CCl4，其中正确的是（　　）

A．只有①B．只有②

C．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HCl，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．0.5molB．1mol

C．1.5molD．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HCl

B．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