学年苏教版化学必修二同步学习讲义专题3第1单元化石燃料与有机化合物 第1课时 Word版含答案.docx

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学年苏教版化学必修二同步学习讲义专题3第1单元化石燃料与有机化合物第1课时Word版含答案

第一单元　化石燃料与有机化合物

第1课时　天然气的利用　甲烷

[学习目标定位]　1.认识甲烷的结构特点并会书写甲烷的分子式、结构式、电子式。

2.知道甲烷能发生氧化反应和取代反应，会书写相应的化学方程式。

3.认识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

通常状况下，1mol甲烷完全燃烧放出890kJ能量。

因此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

1.结构式：

用一条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：

（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。

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地表达出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。

2．以下关于甲烷的说法中错误的是（　　）

A．甲烷分子是由共价键构成的分子

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．甲烷分子中氢原子之间形成共价键

答案　D

二、甲烷的性质

1．甲烷的物理性质

甲烷是一种无色、无味、难溶于水、密度比空气小的气体。

2．甲烷的化学性质

（1）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＋2O2

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溶液的紫红色不发生变化；

原因：

CH4分子为正四面体结构，结构对称，化学键不易断裂，通常情况下化学性质比较稳定。

（2）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试管内气体黄绿色逐渐变浅，

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＋Cl2

CH3Cl＋HCl；

CH3Cl＋Cl2

CH2Cl2＋HCl；

CH2Cl2＋Cl2

CHCl3＋HCl；

CHCl3＋Cl2

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。

③CH4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。

④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。

d．CH2Cl2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　能。

因为如果CH4分子是以碳原子为中心的正四面体结构，则CH2Cl2只有一种结构；若CH4分子是正方形的平面结构，则CH2Cl2有两种结构，即：

。

甲烷的化学性质

（1）CH4的特征反应是能与卤素单质在光照条件下发生取代反应，但有机产物一般有多种。

（2）CH4能发生的氧化反应就是燃烧，但其化学性质稳定，不能与强氧化剂如酸性KMnO4溶液反应，也不能与强酸、强碱反应。

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

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。

4．在光照条件下，将等物质的量的甲烷和氯气充分反应，所得产物中物质的量最多的是（　　）

A．CH3ClB．CH2Cl2C．CHCl3D．HCl

答案　D

解析　在光照条件下，将等物质的量的甲烷和氯气充分反应，会发生取代反应，由于取代反应是逐步进行的，每一步在产生氯代烃的同时，都会产生HCl，所以在所得产物中物质的量最多的是HCl。

1．若甲烷与氯气以物质的量之比1∶3混合，在光照下得到的产物可能是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

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和氯化氢，因此答案选D。

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．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

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。

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＋Br2

CHBrCl2＋HBr

B．CH3OH＋HCl

CH3Cl＋H2O

C．2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑

D．CH3—CH2—Br＋H2O

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．将含O2和CH4的混合气体充入有23.4gNa2O2的密闭容器中，电火花点燃，反应结束后，容器内于150℃时压强约为0，将残留物溶于水，无气体逸出。

（1）原混合气体中O2和CH4体积比为________。

（2）残留固体成分为________________。

答案　

（1）1∶2　

（2）Na2CO3和NaOH

解析　

（1）甲烷燃烧生成水和二氧化碳，过氧化钠与二氧化碳反应生成碳酸钠和氧气，该反应为2Na2O2＋2CO2===2Na2CO3＋O2，过氧化钠与水反应生成氢氧化钠和氧气的化学反应为2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑，依题意，容器内于150℃时压强约为0，将残留物溶于水，无气体逸出，这说明最后产物只能是Na2CO3和NaOH的混合物，根据原子守恒原理（尤其是CH4中C和H原子个数比为1∶4），可得2CH4＋O2＋6Na2O2===2Na2CO3＋8NaOH，所以原混合气体中O2和CH4体积比为1∶2。

（2）根据以上分析可知残留物是碳酸钠和氢氧化钠的混合物。

[基础过关]

题组一　甲烷的分子组成与结构

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　D

2．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。

题组二　甲烷的性质及应用

3．在光照条件下，下列物质中能与甲烷反应的是（　　）

A．盐酸B．Cl2

C．NaOH溶液D．酸性KMnO4溶液

答案　B

解析　甲烷与氯气在光照的条件下能发生取代反应，所以答案选B。

4．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．22.4L

C．33.6LD．44.8L

答案　A

解析　甲烷燃烧的化学方程式为CH4＋2O2

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。

5．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。

6．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HClB．CH4和NH3

C．CH4和HClD．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。

7．一定量的CH4燃烧后得到的产物是CO、CO2、H2O（g），此混合物的质量为49.6g，当其缓缓通过足量的无水CaCl2时气体质量减少25.2g，则混合气中CO的质量为（　　）

A．24.4gB．13.2g

C．12.5gD．11.2g

答案　D

解析　设产物中CO的物质的量为x，CO2的物质的量为y。

由碳原子守恒可得CH4的物质的量为x＋y，又由氢原子守恒可得生成H2O的物质的量为2（x＋y），即可得：

44g·mol－1·y＋28g·mol－1·x＋2（x＋y）×18g·mol－1＝49.6g,2（x＋y）×18g·mol－1＝25.2g。

则解得x＝0.4mol，y＝0.3mol，m（CO）＝0.4mol×28g·mol－1＝11.2g。

题组三　取代反应

8．下列反应属于取代反应的是（　　）

A．C2H4＋3O2

2CO2＋2H2O

B．Zn＋CuSO4===ZnSO4＋Cu

C．NaCl＋AgNO3===AgCl↓＋NaNO3

D．CH2Cl2＋Cl2

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，Cl原子取代了CH2Cl2中的一个H原子，故属于取代反应。

9．在常温下，把一个盛有一定量甲烷和氯气的密闭容器放在光亮的地方，两种气体发生反应，下列叙述中不正确的是（　　）

A．容器内原子总数不变B．容器内分子总数不变

C．容器内压强不变D．发生的反应属于取代反应

答案　C

解析　由质量守恒定律知，A正确；甲烷与氯气的反应中，由碳原子守恒知生成的有机物的分子个数等于甲烷的分子个数，再由每取代1个H原子，消耗一分子氯气，生成一分子HCl，故反应前后分子总数不变，B正确；由于有机产物中只有CH3Cl为气体，故反应后气体的物质的量减少，容器内压强减小，C错误；甲烷与氯气的反应属于取代反应，D正确。

10．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．1molB．2mol

C．2.5molD．10mol

答案　C

解析　由于CH4＋Cl2

CH3Cl＋HCl、CH4＋2Cl2

CH2Cl2＋2HCl、CH4＋3Cl2

CHCl3＋3HCl、CH4＋4Cl2

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）mol＝2.5mol。

[能力提升]

11．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，下同）。

A．CH3Cl　HCl

B．CCl4　HCl

C．CH3Cl　CH2Cl2

D．CH3Cl　CH2Cl2　CHCl3　CCl4　HCl

（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

答案　

（1）CH4＋4Cl2

CCl4＋4HCl　

（2）D　（3）B

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＋4Cl2

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。

12．把1molCH4和一定量Cl2组成的混合气体通入大试管中，将此试管倒立在盛有饱和食盐水的水槽中，放在光亮处，回答下列问题：

（1）片刻后试管中的现象：

①试管内气体的黄绿色变浅，②试管壁上出现________________________________________________________________________，

③试管内______________________________________________________________。

（2）在反应结束后，试管内的产物最多的是________，空间构型呈正四面体的产物为________。

（3）若

（2）中生成的四种有机产物的物质的量相同，则反应消耗的Cl2的物质的量为________。

（4）已知CH4分子在空间呈正四面体形状，1个C原子与4个H原子各共用一对电子形成4条共价键，C原子位于中心，4个H原子位于4个顶点。

如图所示为一个立方体，已画出1个C原子（在立方体中心）、1个H原子（在立方体顶点）和1条共价键（实线表示）。

请画出另外3个H原子的合适位置和3条共价键。

答案　

（1）油状液滴　出现白雾、液面上升

（2）HCl　CCl4

（3）2.5mol

（4）

解析　甲烷与氯气在光照下发生取代反应，消耗氯气，所以黄绿色变浅，由于产生的一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷都难溶于水，所以在试管内壁有油状液滴，由于取代反应产生的HCl气体在水中溶解，所以试管内液面上升，而且出现白雾。

（1）片刻后试管中的现象：

①试管内气体的颜色变浅，②试管壁上出现油状液滴，③试管内出现白雾、液面上升。

（2）由于取代反应是逐步进行的，每一步取代反应都会产生HCl气体，所以在反应结束后，试管内的产物最多的是HCl；其中空间构型呈正四面体的产物为CCl4。

（3）甲烷物质的量是1mol，若

（2）中生成的四种有机产物的物质的量相同，则反应消耗的Cl2的物质的量为（0.25×1＋0.25×2＋0.25×3＋0.25×4）mol＝2.5mol。

13．如图所示，某气体X可能由H2、CO、CH4中的一种或几种组成，将X气体燃烧后生成的气体通过A、B两个洗气瓶。

试回答下列问题：

（1）若A洗气瓶的质量增加，B洗气瓶的质量不变，则气体X是________。

（2）若A洗气瓶的质量不变，B洗气瓶的质量增加，则气体X是________。

（3）若A、B两个洗气瓶的质量都增加，则X气体可能是（完成下表，可不填满，也可补充）：

①

②

③

④

⑤

答案　

（1）H2　

（2）CO

（3）

①

CH4

②

H2、CO

③

H2、CH4

④

CO、CH4

⑤

H2、CO、CH4

解析　本题主要考查根据洗气瓶中溶液质量的变化来确定X气体的成分。

2H2＋O2

2H2O,2CO＋O2

2CO2，

CH4＋2O2

CO2＋2H2O

由浓H2SO4吸收水，石灰水吸收CO2，得：

（1）若A洗气瓶质量增加，B洗气瓶质量不变，则说明X气体燃烧只生成水，故X为H2。

（2）若A洗气瓶质量不变，B洗气瓶质量增加，则说明X气体燃烧只有CO2生成，故X为CO。

（3）若A、B两个洗气瓶质量都增加，则说明X气体的燃烧产物既有H2O又有CO2，它可以是CH4或下列组合：

H2、CO，H2、CH4，CO、CH4，H2、CO、CH4。

14．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：

（1）B装置有三种功能：

①控制气流速度；②均匀混合气体；③____________。

（2）设V（Cl2）/V（CH4）＝x，若理论上欲获得最多的氯化氢，则x值应为____________。

（3）D装置的石棉中均匀混有KI粉末，其作用是_______________________________。

（4）E装置的作用是________（填字母）。

A．收集气体B．吸收氯气

C．防止倒吸D．吸收氯化氢

（5）在C装置中，经过一段时间的强光照射，发现硬质玻璃管内壁有黑色小颗粒产生，写出置换出黑色小颗粒的化学方程式：

__________________________________________。

（6）E装置除生成盐酸外，还含有油状有机物，从E中分离出油状有机物的最佳方法为__________。

该装置还有缺陷，原因是没有进行尾气处理，其尾气主要成分为________（填字母）。

a．CH4　b．CH3Cl　c．CH2Cl2　d．CHCl3　e．CCl4

答案　

（1）干燥混合气体　

（2）大于或等于4

（3）吸收过量的氯气　（4）CD

（5）CH4＋2Cl2

C＋4HCl　（6）分液　ab

解析　

（1）B装置的三个作用：

①控制气流速度从而达到合适的反应比例；②均匀混合气体，便于后续实验；③干燥混合气体。

（2）当发生反应：

CH4＋4Cl2

CCl4＋4HCl时生成HCl气体最多，所以要保证

＝x≥4。

（3）KI能吸收多余的Cl2，反应的化学方程式为Cl2＋2KI===2KCl＋I2。

（4）E装置既吸收反应生成的HCl气体，同时还防止倒吸。

（5）根据信息知黑色小颗粒应为碳粉，根据原子守恒应为CH4＋2Cl2

C＋4HCl。

（6）分离难溶于水的油状液体可用分液法。