甲烷和烷烃讲义.docx

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甲烷和烷烃讲义

甲烷和烷烃

1．学习重点

1．甲烷的结构、化学性质；

2．烷烃的定义、命名、同系物、同分异构体及典型的取代反应。

2．难点聚焦

1.有机物：

含碳化合物叫做有机化合物，简称有机物。

（除CO、CO2、碳酸盐、碳化物、硫氰化物、氰化物等外）

它们虽然含碳，但性质和组成与无机物很相近，所以把它们看作为无机物。

也就是说，有机物一定含碳元素，但含碳元素的物质不一定是有机物。

而且有机物都是化合物，没有单质。

2．有机物与无机物的主要区别

性质和反应

有机物

无机物

溶解性

多数不溶于水，易溶于有机溶剂，如油脂溶于汽油，煤油溶于苯。

多数溶于水，而不溶于有机溶剂，如食盐、明矾溶于水。

耐热性

多数不耐热；熔点较低，（400°C以下）。

如淀粉、蔗糖、蛋白质、脂肪受热分解；C20H42熔点36.4°C,尿素132°C。

多数耐热难熔化；熔点一般很高。

如食盐、明矾、氧化铜加热难熔，NaCl熔点801°C。

可燃性

多数可以燃烧，如棉花、汽油、天然气都可以燃烧。

多数不可以燃烧，如CaCO3、MnCl2不可以燃烧。

电离性

多数是非电解质，如酒精、乙醚、苯都是非电解质、溶液不电离、不导电。

多数是电解质，如盐酸、氢氧化钠、氯化镁的水溶液是强电解质。

化学反应

一般复杂，副反应多，较慢，如生成乙酸乙酯的酯化反应在常温下要16年才达到平衡。

石油的形成更久

一般简单，副反应少，反应快，如氯化钠和硝酸银反应瞬间完成。

3.有机物的组成

C、H、O、N、S、P、卤素等元素。

构成有机物的元素只有少数几种，但有机物的种类确达三千多种？

几种元素能构几千万种有机物质？

（学生自学后概括）

有机物种类之所以繁多主要有以下几个原因：

①碳原子最外电子层上有4个电子，可形成4个共价键；

②有机化合物中，碳原子不仅可以与其他原子成键，而且碳碳原子之间也可以成键；

③碳与碳原子之间结合方式多种多样，可形成单键、双键或叁键，可以形成链状化合物，也可形成环状化合物；（结构图5—1）

④相同组成的分子，结构可能多种多样。

（举几个同分异构体）

在有机物中，有一类只含C、H两种元素的有机物。

4.烃：

仅含碳和氢两种元素的有机物称为碳氢化合物，又叫烃

在烃中最简单的是甲烷，所以我们就先从甲烷开始学起。

甲烷

一、甲烷的物理性质

（学生回答）无色、无味，难溶于水的，比空气轻的，能燃烧的气体，天然气、坑气、沼气等的主要成分均为甲烷。

收集甲烷时可以用什么方法？

（1.向下排空气法，2.排水法）

二、甲烷的分子结构

已知甲烷的气体密度在标准状况下为0.717g/L，其中含碳的质量分数为75％，含氢质量分数为25％，求甲烷的分子式。

（平行班提示：

M=ρVm）

a.计算甲烷的摩尔质量

因为摩尔质量=气体摩尔体积×密度

=22.4L/mol×O.7179/L

=16g/mol

所以甲烷的分子量为16。

b.按分子量和质量分数计算一个甲烷分子中C、H原子的个数

C原子数：

16×75％÷12=1

H原子数：

16×25％÷1=4

所以甲烷的分子式为CH4。

甲烷的分子式：

CH4电子式：

结构式：

用短线表示一对共用电子对的图式叫结构式。

上述结构式都不能表明甲烷分子的真实构型

结论：

以碳原子为中心，四个氢原子为顶点的正四面体结构。

甲烷是非极性分子，所以甲烷极难溶于水，这体现了相似相溶原理。

CH4：

正四面体NH3：

三角锥形

三、甲烷的化学性质

1.甲烷的氧化反应

CH4+2O2

CO2+2H2O

a.方程式的中间用的是“”（箭头）而不是“====”（等号），

主要是因为有机物参加的反应往往比较复杂，常有副反应发生。

b.火焰呈淡蓝色：

CH4、H2、CO、H2S

我们知道酸性KMnO4具有很强的氧化性，若遇到一般的还原性物质时常常会发生氧化还原反应，且自身被还原而褪色，那么甲烷能否被酸性高锰酸钾溶液氧化呢？

我们通过下面的实验来验证。

［演示实验5—1］观察、记录、思考实验现象：

经过一段时间后，酸性KMnO4溶液的颜色无任何变化，即不褪色。

结论：

甲烷气体不能被酸性KMnO4溶液氧化。

在通常条件下，甲烷不仅与高锰酸钾等强氧化剂不反应，而且与强酸、强碱也不反应，所以可以说甲烷的化学性质是比较稳定的。

但稳定是相对的，在一定条件下也可以与一些物质如Cl2发生某些反应。

（承上启下，并对学生进行辩证唯物主义的教育）

2.甲烷的取代反应

［演示实验5—2］

现象：

①量筒内Cl2的黄绿色逐渐变浅，最后消失。

②量筒内壁出现了油状液滴。

③量筒内水面上升。

④量筒内产生白雾

甲烷与氯气的反应过程

［说明］在反应中CH4分子里的1个H原子被Cl2分子里的1个Cl原子所代替，但是反应并没有停止，生成的一氯甲烷仍继续跟氯气作用，依次生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷，反应如下：

a.注意CH4和Cl2的反应不能用日光或其他强光直射，否则会因为发生如下剧烈的反应：

CH4+2Cl2

C+4HCl而爆炸。

b.在常温下，一氯甲烷为气体，其他三种都是液体，三氯甲烷（氯仿）和四氯甲烷（四氯化碳）是工业重要的溶剂，四氯化碳还是实验室里常用的溶剂、灭火剂，氯仿与四氯化碳常温常压下的密度均大于1g·cm－3，即比水重。

c.分析甲烷的四种氯代物的分子极性。

但它们均不溶于水。

取代反应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代替的反应

3.甲烷的受热分解

CH4

C+2H2

这么高的温度才分解，说明甲烷的热稳定性很强。

4.甲烷的制备总反方程式为：

CH3COONa+NaOH→Na2CO3+CH4↑

二、烷烃的结构和性质

1.烷烃的概念

a.分子里碳原子都以单键结合成链状；

b.碳原子剩余的价键全部跟氢原子结合.

2.烷烃的结构式和结构简式

甲烷乙烷丙烷丁烷

结构式：

结构简式：

CH4CH3CH3CH3CH2CH3CH3CH2CH2CH3/CH3（CH2）2CH3

这种式子，书写起来是比较方便的，我们称之为有机物的结构简式。

当然，在书写有机物分子的结构简式时，若遇到像丁烷分子中有两个（或多个）相同的成分时，还可以写成CH3（CH2）2CH3。

由于结构简式书写方便，且仍能表示出分子结构的简况，所以更多情况下常使用结构简式。

3.烷烃的物理性质

（a）随着分子里含碳原子数的增加，熔点、沸点逐渐升高，相对密度逐渐增大；

（b）分子里碳原子数等于或小于4的烷烃。

在常温常压下都是气体，其他烷烃在常温常压下都是液体或固体；

（c）烷烃的相对密度小于水的密度。

（1）表中所列烷烃均为无支链的烷烃，常温常压下是气体的烷烃除了上述碳原子数小于或等于4的几种分子之外，还有一种碳原子数为5的分子，但分子中含有支链的戊烷，

（2）烷烃分子均为非极性分子，故一般不溶于水，而易溶于有机溶剂，液态烷烃本身就是良好的有机溶剂。

Q:

烷烃分子的熔沸点为什么会随着碳原子数的增大即相对分子质量的提高而升高呢？

由于随着相对分子质量的增大，分子之间的范德华力逐渐增大，从而导致烷烃分子的熔沸点逐渐升高。

甲烷与其他烷烃结构的相似不仅表现在物理性质上的规律性变化，而且化学性质上也具有极大的相似性。

4.烷烃的化学性质

（1）通常状况下，它们很稳定，跟酸、碱及氧化物都不发生反应，也难与其他物质化合；

（2）在空气中都能点燃；

（3）它们都能与氯气发生取代反应。

a烷烃与氯气也可以是溴在光照条件下发生的取代反应，由于碳原子数的增多而使生成的取代产物的种类将更多；例如：

甲烷的氯代物有：

一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷共四种氯代物。

同学们算乙烷的氯代物有几种？

答案：

9种。

（实验班可以讲规律）

b在空气或氧气中点燃烷烃，完全燃烧的产物为CO2和H2O，相同状况下随着烷烃分子里碳原子数的增加往往会燃烧越来越不充分，使燃烧火焰明亮，甚至伴有黑烟；

c烷烃分子也可以分解，但产物不一定为炭黑和氢气，这在以后的石油裂化—裂解的学习中就将学到。

5.烷烃的通式：

CnH2n+2

CH4C2H6C3H8C4H10C5H12……

若烷烃分子的碳原子数为n，那么氢原子的数目就可表示为2n+2，这样烷烃的分子式就可以表示为CnH2n+2。

结论：

在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团。

6.同系物概念

分子结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质，互称为同系物。

［练习］下列各组内的物质不属于同系物的是（）

（强调）：

在判断同系物的时候要严格把握同系物概念涵义的两个方面：

一是分子结构相似，二是分子组成上相差一个或若干个CH2原子团，二者要联系在一起应用，缺一不可。

3．例题精讲

一、烷烃

1、烷烃的概念：

碳原子跟碳原子都以单键结合成链状，碳原子剩余的价键全部跟氢原

子相结合。

这样的结合使得每个碳原子的化合价都已充分利用，都已达到“饱和”，这种结合的链烃叫做饱和链烃，或称烷烃。

2、烷烃的通式：

CnH2n+2（n≥1）

3、烷烃物理性质：

状态：

一般情况下，1—4个碳原子烷烃为气态，5—16个碳原子为液态，16个

碳原子以上为固态。

（1）溶解性：

烷烃不溶于水，易溶于有机溶剂。

（2）熔沸点：

随着碳原子数的递增，熔沸点逐渐升高。

（3）密度：

随着碳原子数的递增，密度逐渐增加。

4、烷烃的化学性质

（1）一般比较稳定，在通常情况下跟酸、碱和高锰酸钾等都不起反应。

（2）取代反应：

在光照条件下能跟卤素发生取代反应。

（3）氧化反应：

在点燃条件下，烷烃能燃烧，

CnH2n+2+

（4）分解反应：

在高温下，烷烃能分解成小分子。

二、同系物

1、同系物的概念：

结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质相互称为同系物。

2、掌握概念的三个关键：

（1）通式相同；

（2）结构相似；（3）组成上相差n个（n≥1）

CH2原子团。

例1、下列化合物互为同系物的是：

AO2和O3B、C2H6和C4H10

HBrCH3

C、Br—C—Br和Br—C—HD、CH3CH2CH3和CH3—CH—CH3

HH

分析：

（A）是同素异形体，（C）为同一种物质，分子组成上不相差CH2原子团，而（B）

（D）符合题意。

三、同分异构现象和同分异构物体

1、同分异构现象：

化合物具有相同的化学式，但具有不同结构的现象。

2、同分异构体：

化合物具有相同的化学式，不同结构的物质互称为同分异构体。

3、同分异构体的特点：

分子式相同，结构不同，性质也不相同。

例2、有一种AB2C2型分子，在该分子中以A为中心原子，下列关于它的分子构型和

有关同分异构体的各种说法正确的是（）

A、假如为平面四边形，则有两种同分异构体；

B、假如为四面体，则有二种同分异构体；

C、假如为平面四边形，则无同分异构体；

D、

假如为四面体，则无同分异构体。

BCBC

分析：

该分子如果分子结构是平面的，则会有两种同分异构体：

A、A

BCCB

；如果分子结构为四面体结构，而A原子位于四面体的中心，那么A—B键与A—C键都相邻，则无同分异构体。

故答案选（A）、（D）。

例3、进行一氯取代后，只能生成三种沸点不同产物的烷烃是（）

A、（CH3）2CHCH2CH2CH3B、（CH3）3CCH2CH3

C、（CH3）2CHCH（CH3）2D、（CH3）2CHCH3

分析：

首先要审清题意，该题实际上就是选择“取代反应后，只能生成三种—氯代物”，这样就可以选择结构中有三种不同的氢，即是只有三种不同位置的碳原子。

（A）中有五种，（B）中有三种，（C）、（D）中有二种。

故答案为（B）。

四、烷烃的系统命名法

1、选主链——碳原子最多的碳链为主链；

2、编号位——定支链，要求取代基所在的碳原子的编号代数和为最小；

3、写名称——支链名称在前，母体名称在后；先写简单取代基，后写复杂取代基；相

同的取代基合并起来，用二、三等数字表示。

例3、下列烷烃的命名是否正确？

若有错误加以改正，把正确的名称填在横线上：

（1）CH3—CH—CH2—CH32—乙基丁烷

CH2

CH3

（2）CH3—CH—CH—CH33，4—二甲基戊烷

CH3CH2

CH3

CH3—CH2—CH2CH2—CH3

（3）CH3—CH2—C—CH—CH—CH35—甲基—4，6三乙基庚烷

CH2CH3

CH3

分析：

（1）命名错误，选错了主链，正确的是：

3—甲基戊烷。

（2）命名错误，编号错

误，不符合之和最小原则，正确的是：

2，3—甲基戊烷。

（3）命名错误，不仅选错了主链，编号也是错误的。

正确的是3，4—二甲基—5，5—二乙基辛烷。

五、同系物、同位素、同分异构体、同素异形体的比较：

同系物

同位素

同分异构体

同素异形体

研究对象

有机化合物之间

元素、原子之间

化合物之间

单质之间

相似点

结构相似通式相同

质子数相同

分子式相同

同种元素

不同点

相差n个CH2原子团（n≥1）

中子数不同

原子排列不同

组成或结构不同

例4、有下列各组微粒或物质：

CH3

A、O2和O3B、

C和

CC、CH3CH2CH2CH3和CH3CH2CHCH3

HClCH3

D、Cl—C—Cl和Cl—C—HE、CH3CH2CH2CH3和CH3—CH—CH3

HH

（1）组两种微粒互为同位素；

（2）组两种物质互为同素异形体；

（3）组两种物质属于同系物；

（4）组两物质互为同分异构体；

（5）组两物质是同一物质。

分析：

这道题主要是对几个带“同字”概念的考查及识别判断能力。

答案分别为：

（1）

（B）、

（2）（A）、（3）（C）、（4）（E）、（5）（D）

例5甲烷和氯气以物质的量1∶1混合，在光照条件下，得到的产物是（?

?

?

?

?

D?

?

?

）

　　①CH3Cl?

?

②CH2Cl2?

?

?

?

?

?

?

?

?

③CHCl3?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

④CCl4

　　A．只有①?

　　B．①和②的混合物?

　　C．只有②　D．①②③④的混合物

　　选题目的：

学生对于甲烷的取代反应的理解往往不够深刻，此题正好纠正它们认识上的错误。

　　解析：

甲烷和氯气按等物质的量反应，而不可能是1个甲烷分子与1个氯分子在反应，所以无论反应物的物质的量之比是多少，都会得到各种氯代物。

不能认为甲烷和氯气1∶1，就生成CHCl3。

1∶2就生成CH2Cl2等。

答案：

D

启示：

本题常常错选A，认为甲烷和氯气物质的量之比（或者同温同压下等体积混合）1∶1，只是发生第一步反应得到CH3Cl。

本节测试题

一、选择题（每小题5分，共45分）

1.已知天然气的主要成分CH4是一种能产生温室效应的气体。

等物质的量的CH4和CO2产生的温室效应，前者大。

下面是有关天然气的几种叙述：

①天然气与煤、煤油相比是比较清洁的能源；②等质量的CH4和CO2产生的温室效应也是前者大；

③燃烧天然气也是酸雨的成因之一。

其中正确的是

A.是①②③B.只有①

C.是①和②D.只有③

2.在光照条件下，将等物质的量的甲烷和氯气混合，得到产物的物质的量最多的是

A．CH3ClB．CHCl3

C．CCl4Ｄ．HCl

3.若要使0．5　mol甲烷完全和Cl2发生取代反应，并生成相同物质的量的四种取代物，则需要Cl2的物质的量为

A．2．5　molB．2　mol

C．1．25　molＤ．0．5　mol

4.用于制造隐形飞机的某种物质具有吸收微波的功能，其主要成分的结构如图，它属于

A.无机物B.烃

C.高分子化合物D.有机物

5.甲烷分子的空间构型是正四面体，下列事实可以证明这一观点的是

A.CH3Cl没有同分异构体

B.CH2Cl2没有同分异构体

C.甲烷分子中C—H键键角均相等

D.甲烷分子可以发生取代反应

6.进行一氯取代反应后，只能生成3种沸点不同的产物的烷烃是

A.（CH3）2CHCH2CH2CH3

B．（CH3CH2）2CHCH3

C．（CH3）2CHCH（CH3）2

Ｄ．（CH3）3CCH2CH3

7.1，2，3—三苯基环丙烷的3个苯基可以分布在环丙烷平面的上下，因此有如下2个异构体。

（

是苯基，环用键线表示，C、H原子都未画出）

据此，可判断1，2，3，4，5—五氯环戊烷（假定五个碳原子也处于同一平面上）的异构体数是

A．4B．5C．6Ｄ．7

8.某植物中（C6H10O5）n的含量为10%，若在一定条件下，微生物将（C6H10O5）n转化成CH4：

（C6H10O5）n＋nH2O

3nCH4↑＋3nCO2↑

某沼气池，当加入该植物162　ｋｇ，可得CH4在标况下的体积为

A.6．72　ｍ3B.6．72　L

C.2．24　ｍ3Ｄ.4．48　ｍ3

9.已知化合物B3N3H6（硼氮苯）与C6H6（苯）的分子结构相似，如下图：

则硼氮苯的二氯取代物B3N3H4Cl2的同分异构体的数目为

A.2B.3C.4D.6

二、非选择题（共55分）

10.（10分）按系统命名法填写下列有机物的名称及有关内容：



名称是，它的一卤代物有种同分异构体；

（2）名称是，1　mol该烃完全燃烧需消耗O2mol。

11.（10分）下图是德国化学家李比希1831年测定烃类化合物（只含C、H两元素）组成的装置。

瓷舟内的烃样品经加热分解或气化后用纯O2流驱赶经过红热的CｕO，这里烃类化合物反应变成CO2和H2O，再经吸收管吸收。

已知下表数据。



瓷舟

吸收管Ⅰ

吸收管Ⅱ

小舟

样品＋小舟

吸收前

吸收后

吸收前

吸收后

Aｍｇ

Bｍｇ

Cｍｇ

Dｍｇ

Eｍｇ

Fｍｇ

（1）烃样品在反应过程中所用的氧化剂是。

（2）吸收管Ⅰ应装的吸收剂是，Ⅱ应装的吸收剂是。

（3）样品中碳的质量分数的数学表达式是。

12.（10分）在1．01×105Ｐa、120℃时，1LA、B两种烷烃组成的混合气体，在足量O2中充分燃烧后，得到同温同压下2．5　L　CO2和3．5　L水蒸气，且A分子中比B少2个碳原子，试确定A和B的分子式及体积比。



13.（15分）化学上常用燃烧法确定有机物的组成。

这种方法是在电炉上加热纯O2氧化管内样品，根据产物的质量确定有机物的组成。

下图所列装置是用燃烧法确定有机物分子式的常用装置。



回答下列问题：



（1）若产生的O2按从左到右的流向，则所选装置各导管的连接顺序是。

（2）装置C中浓H2SO4的作用是。

（3）装置D中MnO2的作用是。

（4）燃烧管中CuO的作用是。

（5）若准确称取0.90g样品（只含C、H、O三种元素中的两种或三种），经充分燃烧后，A管质量增加1.32g，B管质量增加0.54g，则该有机物的最简式是。

（6）若要确定该有机物的分子式，则还需要。

14.（10分）取标准状况下CH4和过量O2的混合气体840mL，点燃，将燃烧后的气体用过量碱石灰吸收，碱石灰增重0.600g，计算：



（1）碱石灰吸收后所剩气体的体积（标准状况）。



（2）原混合气体中CH4和O2的体积比。

附参考答案

一、1.C2.D3.C4.D5.B6.D7.A8.A9.C

二、10.

（1）3,4—二甲基辛烷10

（2）环十二烷18

11.

（1）O2、CuO

（2）CaCl2、P2O5碱石灰

（3）w（C）=

%

12.A为CH4，B为C3H8时，两者的体积比为：

V（CH4）∶V（C3H8）=1∶3；A为C2H6，B为C4H10时，两者的体积比为V（C2H6）∶V（C4H10）=3∶1

13.

（1）gfehicd（或dc）ab（或ba）；

（2）吸收水分，干燥O2

（3）作催化剂，加大产生O2的速率

（4）使有机物更充分的氧化成CO2和H2O

（5）CH2O（6）测定有机物的式量

14.

（1）CH4+2O2

1mol80g

原混合气体中n（CH4）=

=0.0075mol

则V（CH4）=0.0075mol×22.4×103mL·mol－1=168mL

故剩余气体840mL－3×168mL=336mL

（2）V（CH4）∶V（O2）=168mL∶（840mL－168mL）=1∶4

烷烃的命名

　　烷烃常用的命名法有普通命名法和系统命名法两种。

　　1.普通命名法（习惯命名法）

　　一般只适用于简单、含碳较少的烷烃，基本原则是：

（1）根据分子中碳原子的数目称“某烷”。

碳原子数在十以内时，用天干字甲、乙、丙、丁、戊、已、庚、辛、壬、癸表示；碳原子数在十个以上时，则以十一、十二、十三、……表示。

例如：

（2）为了区别异构体，直链烷烃称“正”某烷；在链端第二个碳原子上连有一个甲基且无其它支链的烷烃，称“异”某烷；在链端第二个碳原子上连有两个甲基且无其它支链的烷烃，称“新”某烷。

例如：

戊烷的三种异构体，分别称为正戊烷、异戊烷、新戊烷。

　　2．烷基的命名

　　烷烃分子中去掉一个氢原子形成的一价基团叫烷基。

烷基的名称由相应的烷烃命名。

常见烷基如下：

　　CH3—　　　CH3CH2—　　　CH3CH2CH2—　　　（CH3）2CH—　　　CH3CH2CH2CH2—

　　甲基　　　　　乙基　　　　　　丙基　　　　　　　异丙基　　　　　　　　丁基

　　（CH3）3C—　（CH3）2CHCH2—　CH3CH2CH（CH3）—　（CH3）3CCH2—　（CH3）2CHCH2CH2—

　　　叔丁基　　　　　异丁基　　　　　仲丁基　　　　　新戊基　　　　异戊基

　　烷基通式为CnH2n+1，通常用R-表示，所以烷烃也可用RH表示。

对于结构比较复杂的烷烃，应使用系统命名法。

　　3．系统命名法

　　直链烷烃的系统命名法与普通命名法相同，只是把“正”字取消。

对于结构复杂的烷烃，则按以下原则命名。

（1）在分子中选择一个最长的碳链作主链，根据主链所含的碳原子数叫做某烷。

主链以外的其它烷基看做主链上的取代基，同一分子中若有两条以上等长的主链时，则应选取分支最多的碳链作主链。

例如：

　　　　　　　　　　　　　　　　　正确的选择是2，不是1

（2）由距离支链最近的一端开始，将主链上的碳原子用阿拉伯数字编号。

将支链的位置和名称写在母体名称的前面，阿拉伯数字和汉字之间必须加一半字线隔开。

例如：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3-甲基丁烷

　　（3）如果含有几个相同的取代基时，要把它们合并起来。

取代基的数目用二、三、四……表示，写在取代基的前面，其位次必须逐个注明，位次的数字之间要用逗号隔开。

例如：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　2，2，3-三甲基己烷

　　（4）如果含有几个不同取代基时，取代基