311 天然气的利用 甲烷.docx

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311天然气的利用甲烷

3.1.1天然气的利用甲烷

一、甲烷——最简单的有机物

1、物理性质

甲烷是一种无色、无味的气体，难溶于水，密度比空气小。

存在：

是天然气、沼气、瓦斯、坑道气、可燃冰的主要成分。

分子结构

分子式

结构式

电子式

空间构型

CH4

2、化学性质

（1）可燃性

原理：

CH4+2O2

CO2+2H2O

现象：

安静燃烧，产生蓝色火焰，烧杯壁有“水雾”生成，

迅速翻转烧杯，加入澄清石灰水，石灰石变浑浊。

（2）取代反应

定义：

有机化合物分子中的某种原子（或原子团）被另一种原子（或原子团）所取代的反应，叫做取代反应。

甲烷与氯气的反应

实验操作

实验现象

a．黄绿色逐渐消失，最后变为无色；

b．集气瓶内壁有油状液滴出现；

c．集气瓶内液面上升，水槽内有少量固体析出

反应原理

CH4＋Cl2

CH3Cl＋HCl

CH3Cl＋Cl2

CH2Cl2＋HCl

CH2Cl2＋Cl2

CHCl3＋HCl

CHCl3＋Cl2

CCl4＋HCl

3、甲烷的利用

（1）可制得制冷剂——氟利昂：

CH4

CHCl3

CHFCl2。

（2）可制得CH3OH：

CH4

CO、H2

CH3OH。

（3）甲烷高温下可分解，分解的化学方程式为：

CH4

C＋2H2。

二、烷烃

1、烃：

仅含C、H两种元素的有机化合物，又叫碳氢化合物。

2、烷烃

（1）结构：

碳原子都以C—C键相连，其余的价键全部与氢原子结合，达到“饱和”。

（2）通式：

CnH2n＋2（n≥1）

（3）同系物：

分子结构相似，组成上相差1个或若干个“CH2”原子团的有机化合物互称为同系物。

如甲烷（CH4）、乙烷（CH3—CH3）、丙烷（CH3—CH2—CH3）互为同系物。

（4）性质：

和甲烷相似

①可与O2发生燃烧反应，其化学方程式为：

CnH2n＋2＋

O2

nCO2＋（n＋1）H2O。

烃都易燃烧：

CxHy＋（x＋

）O2

xCO2＋

H2O，

可见等物质的量的烃相比，（x＋

）越大，对应的烃耗氧量越多。

②可与Cl2在光照下发生取代反应。

烷烃的取代反应同甲烷的取代反应类似，在光照的条件下可与Cl2发生取代反应，其通式为

CnH2n＋2＋Cl2

CnH2n＋1Cl＋HCl。

（5）命名

习惯性命名法

①n≤10：

依次称为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷……

②n≥11：

直接根据碳原子数称为某烷，如C16H34称为十六烷。

系统命名法

步骤：

①选主链，称某烷：

选定分子中最长的碳链为主链，且依主链上碳原子的数目称之为“某烷”；

例：

CH3—CH—CH2—CH—CH2—CH3，主链为“己烷”

CH3CH3

②编号码，定支链：

把主链中离支链最近的一端作为起点，用阿拉伯数字给主链上的各个碳原子依次编号定位，以确定支链的位置；

123456

CH3—CH—CH2—CH—CH2—CH3

CH3CH3

③取代基，写在前，注位置，连短线：

把支链作为取代基，把取代基的名称写在烷烃名称的前面，在取代基的前面用阿位伯数字注明它在烷烃直链上所处的位置，并在数字与取代基名称之间用一短线隔开；

123456

CH3—CH—CH2—CH2—CH2—CH32—甲基己烷

CH3

④不同基，简在前，相同基，二三连：

a．如果主链上有相同的取代基，可以将取代基合并起来，用二、三等数字表示，在用于表示取代基位置的阿拉伯数字之间要用“,”隔开；

b．如果主链上有几个不同的取代基，就把简单的写在前面，把复杂的写在后面。

123456

CH3—CH—CH2—CH—CH2—CH32,4—二甲基己烷

CH3CH3

123456

CH3—CH—CH2—CH2—CH2—CH32—甲基—4—乙基己烷

CH3CH2CH3

系统命名法命名图例

3、如何确定烃类的分子式

（1）最简式法

最简式，又叫实验式，与分子式在数值上相差n倍，如乙烷的实验式为CH3。

根据烃中各元素的质量分数（或元素的质量比），求出该烃的实验式，再根据该烃的相对分子质量求n的值，即可确定分子式。

（2）物质的量法

根据烃的摩尔质量和烃中各元素的质量分数（或元素的质量比），推算出1mol该烃中各元素的原子的物质的量，从而确定分子中各原子的个数。

（3）原子守恒法

主要思路是：

首先要判断有机物中所含元素的种类，然后根据题目所给条件确定有机物中各元素的原子数目，从而得到分子式。

例如：

1mol烃完全燃烧得到amolCO2，则1mol烃中碳原子物质的量为amol；得到bmol水，则1mol烃中氢原子物质的量为2bmol，分子式为CaH2b。

（4）化学方程式法

写出烃（CxHy）燃烧生成CO2和H2O的化学方程式：

CxHy＋（x＋

）O2

xCO2＋

H2O。

根据化学方程式，结合已知条件可计算烃的分子式。

典例解析

1．（2011年龙岩高一检测）下列有关烷烃的叙述中，不正确的是（　　）

A．在烷烃分子中，所有的化学键都为单键

B．所有的烷烃在光照条件下都能与Cl2发生取代反应

C．烷烃的分子通式为CnH2n＋2，符合该通式的烃不一定是烷烃

D．随着碳原子数的增加，烷烃的熔、沸点逐渐升高

【解析】　烷烃中的碳碳键、碳氢键均为单键；烷烃都能与Cl2发生取代反应，这是烷烃的主要特性之一；随着碳原子数的增加，烷烃的分子间作用力增大，使其熔、沸点逐渐升高；因分子通式中CnH2n＋2中的氢原子已达饱和，故符合CnH2n＋2的有机物只可能是烷烃。

【答案】　C

2．某气态烷烃20mL，完全燃烧时，正好消耗同温同压下的氧气100mL，该烃的化学式是（　　）

A．C2H6B．C3H8C．C4H10D．C5H12

【解析】　气态烷烃的燃烧方程式为：

CnH2n＋2＋

O2

nCO2＋（n＋1）H2O

1　　　

20mL　　100mL

即

＝

，解得n＝3。

【答案】　B

3．（2011年福州高一检测）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的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的体积比为1∶1，则得到的产物为________（填字母代号）。

A．CH3Cl　HClB．CCl4　HCl

C．CH3Cl　CH2Cl2D．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________（填字母代号）。

A．升高B．降低C．不变D．无法确定

（4）若水中含有Na2SiO3，则在U形管左端会观察到。

（5）右端玻璃管的作用是________________________________________________________________________。

【思路点拨】　解答该题需注意以下三点：

（1）甲烷的取代反应是一种连锁反应，第一步反应一旦开始后续反应立即进行。

（2）产物HCl易溶于水，会引起压强变小。

（3）硅酸是难溶性弱酸。

【解析】　

（1）因Cl2足量，若充分反应，则CH4中的四个氢原子可完全被取代，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，U形管左侧生成的氯化氢气体易溶于水，压强减小，U形管右侧液面下降，左侧液面上升。

（4）因左侧生成HCl溶于水后发生反应2HCl＋Na2SiO3

H2SiO3↓＋2NaCl，所以观察到有白色胶状沉淀生成。

（5）为了平衡气压，在U形管右侧插有一个玻璃管。

【答案】　

（1）CH4＋4Cl2

CCl4＋4HCl

（2）D（3）B（4）有白色胶状沉淀生成（5）平衡气压

1．英国国家海洋学中心的研究人员及其同行利用声呐等手段探测到北极海洋中存在大量甲烷气泡，证实了全球变暖会使海底释放大量甲烷的说法。

研究人员认为，这些甲烷可能会反过来加剧全球变暖。

天然气的主要成分——CH4是一种会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，其中正确的是（　　）

①天然气与煤、柴油相比是较清洁的能源　②等质量的CH4和CO2产生的温室效应也是前者大　③燃烧天然气也是形成酸雨的原因之一

A．①②③B．①C．①②D．③

2．下列有机物中属于烷烃的是（　　）

A．C6H12（环己烷）B．C8H18（汽油的主要成分）C．C8H8（立方烷）D．CHBrClCF3（一种麻醉剂）

3．（2011年无锡高一检测）在集气瓶中使甲烷与氧气混合，点燃，进行爆炸性实验，下列甲烷与氧气的体积比（同温、同压）中爆炸声最大的是（　　）

A．1∶1B．1∶2C．1∶3D．3∶1

4．（2011年宁波高一检测）关于取代反应和置换反应的下列说法中，正确的是（　　）

A．取代反应和置换反应中一定都有单质生成

B．取代反应和置换反应一定都属于氧化还原反应

C．取代反应大多是可逆的，反应速率慢，而置换反应一般是单向进行的，反应速率快

D．取代反应和置换反应的产物都是唯一的，不会有多种产物并存的现象

5．美国宇航局科学家确认火星大气中存在甲烷气体，可能来自火星火山活动或者生命活动，这一发现将为寻找火星生命带来希望。

某课外活动小组利用右图所示装置探究甲烷与氯气的反应。

根据题意，回答下列问题：

（1）CH4与Cl2发生反应的条件是______________________；若用日光直射，可能会引起_______________。

（2）实验中可观察的实验现象有：

量筒内壁出现油状液滴，饱和食盐水中有少量固体析出___________________________，__________________________等。

（3）用饱和食盐水而不用水的原因是___________________________________________________。

（4）实验中生成的油状液滴中的氯仿可作局部麻醉剂，常因保存不慎而被空气氧化，产生剧毒气体——光气，反应的化学方程式为2CHCl3＋O2―→2COCl2＋2HCl，上述反应________（填选项符号，下同）。

A．属于取代反应B．不属于取代反应

为防止事故发生，在使用前检验氯仿是否变质可选用的试剂是________。

A．氢氧化钠溶液B．硝酸银溶液

C．稀盐酸D．水

E．湿润的蓝色石蕊试纸F．湿润的无色酚酞试纸

一、单项选择题

1．（2011年保定高一检测）下列物质中属于有机物的是（　　）

①乙醇②食盐③石墨④甲烷⑤蔗糖⑥水⑦一氧化碳⑧碳酸钙⑨乙酸

A．①②④⑤⑨B．①④⑤⑨C．①③④⑤⑦⑧⑨D．①④⑤⑥

2．有机物中的烃是________的化合物（　　）

A．含有碳元素B．含有碳元素和氢元素

C．仅含有碳元素和氢元素D．燃烧后生成二氧化碳和水

3．下列数值都是烃的相对分子质量，其对应的烃一定是烷烃的是（　　）

A．44B．42C．54D．128

4．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．②③C．②③①D．③②

5．（2011年厦门高一检测）如图，一端封闭的U形管，封闭着的一端有一段CH4和Cl2的混合气体，在水平部分有一段气柱，其他两段为液柱，已知液体与气体不反应，使CH4和Cl2在稍暗的光线下缓慢反应，则中间气柱的长度如何变化（假设中间气柱未移出U形管的水平部分）（　　）

A．变大B．变小C．不变D．难以确定

6．一定量CH4恰好与一定量的O2完全反应得CO2、CO、H2O（g），产物总质量为49.6g，将其通过足量的H2SO4后，洗气瓶质量增加25.2g，则CH4完全燃烧还需O2的体积（标准状况）为（　　）

A．8.96LB．2.24LC．4.48LD．6.72L

二、不定项选择题

7．下列物质在一定条件下，可与CH4发生取代反应的是（　　）

A．氧气B．液溴C．氯气D．酸性KMnO4溶液

8．在我国的南海、东海海底已发现天然气（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（　　）

A．甲烷属于烃类B．在相同条件下甲烷的密度大于空气

C．甲烷微溶于水D．可燃冰是一种极具潜力的能源

9．（2011年扬州高一检测）某有机物在氧气中充分燃烧，生成的CO2和H2O的物质的量之比为1∶2，下列说法正确的是（　　）

A．分子中C、H、O个数之比为1∶2∶3B．分子中C、H个数之比为1∶2

C．分子中可能含有氧原子D．此有机物的最简式为CH4

10．（2011年常州高一质检）随着2011年6月30日西气东输二线全线建成投产，预计年内西气东输的输气能力将增加百亿立方米。

这里的“气”指的是“天然气”，主要成分是甲烷。

下列关于甲烷的说法正确的是（　　）

A．实验室可以用排水法收集甲烷B．只有纯净甲烷在空气中安静燃烧

C．甲烷与氯水发生取代反应D．甲烷在空气中燃烧只生成二氧化碳和水

三、非选择题

11．写出下列各烷烃的分子式。

（1）烷烃A在同温同压下蒸气的密度是H2的43倍__________________。

（2）烷烃B的分子中含有200个氢原子_______________________________________。

（3）1L烷烃C的蒸气完全燃烧时，生成同温同压下15L的水蒸气________。

（4）分子中含有22个共价键的烷烃D为________。

（5）0.1mol烷烃E完全燃烧，消耗标准状况下的O211.2L________。

（6）室温下相对分子质量最大的气态直链烷烃F为________。

12．（2011年镇江高一检测）燃烧法是测定有机化合物化学式的一种重要方法。

现在完全燃烧0.1mol某烃，燃烧产物依次通过如图所示的装置，实验结束后，称得甲装置增重3.6g，乙装置增重4.4g。

则该烃的化学式为________。

13．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：

根据要求填空：

（1）B装置有三种功能：

①控制气流速度；②______________________；③____________________________。

（2）设V（Cl2）/V（CH4）＝x，若理论上欲获得最多的氯化氢，则x的取值范围是_______________。

（3）D装置中的石棉上均匀附着KI粉末，其作用是_________________________________________________。

（4）E装置的作用是________（填编号）。

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）装置中除了有盐酸生成外，还含有有机物，从E中分离出盐酸的最佳方法为_______________。

该装置还有缺陷，原因是没有进行尾气处理，其尾气的主要成分是________（填编号）。

A．CH4B．CH3ClC．CH2Cl2D．CHCl3E．CCl4

14．生态农业涉及农家废料的综合利用，某种肥料经发酵得到一种含甲烷、二氧化碳、氮气的混合气体。

2.016L（标准状况）该气体通过盛有足量红热CuO粉末的硬质玻璃管，发生的反应为：

CH4＋4CuO

CO2＋2H2O＋4Cu。

当甲烷完全反应后，硬质玻璃管的质量减轻4.8g。

将反应后产生的气体通过过量的澄清石灰水，充分吸收，生成沉淀8.5g。

（1）原混合气体中甲烷的物质的量是________。

（2）原混合气体中氮气的体积分数为________。

参考答案

同步测控

1．解析：

选C。

由甲烷的组成可判断天然气与煤、柴油相比是较清洁的能源，①正确；1molCH4的质量是16g,1molCO2的质量是44g，即16gCH4比44gCO2产生的温室效应大，②正确；酸雨的形成主要是含S、N的氧化物所致，③错误。

2．解析：

选B。

D不属于烃，首先被排除。

A、B、C中只有B符合烷烃通式CnH2n＋2，A、C被排除。

3．解析：

选B。

爆炸声最大的必要条件之一，气体恰好完全反应，使单位体积的气体反应放出的热量最多。

甲烷与氧气在点燃的条件下发生完全反应的化学方程式为CH4＋2O2

CO2＋2H2O，符合此反应中CH4和O2的物质的量比即可。

故选B。

4．解析：

选C。

取代反应的生成物中不一定有单质；取代反应中替换的原子或原子团的电性相同时应属非氧化还原反应，电性相反时应属氧化还原反应；取代反应是逐步进行的，因而生成物中可能会存在多种取代产物并存的现象。

5．解析：

CH4和Cl2光照反应生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4、HCl等物质，随着反应的进行，Cl2不断被消耗，黄绿色逐渐消失。

又由于生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4常温下是无色液体，且Cl2易溶于有机溶剂，故量筒内壁上有油状液滴。

因生成的HCl易溶于水，量筒内的压强减小，量筒内液面上升。

HCl溶于水后，溶液中Cl－浓度增大，使NaCl固体析出。

氯仿变质后产生HCl，检验产物HCl即可，加入硝酸银溶液后，若产生沉淀，则氯仿变质；HCl溶于水为盐酸，可以使湿润的蓝色石蕊试纸变红。

答案：

（1）光照（或光亮处）　爆炸

（2）量筒内黄绿色气体颜色变浅　量筒内液面上升　

（3）降低Cl2在水中溶解度，抑制Cl2和水的反应（4）B　BE

课时训练

一、单项选择题

1．解析：

选B。

食盐、水中不含碳元素，石墨、一氧化碳、碳酸钙三种物质虽含碳元素，但性质上与有机物有很大区别，不属于有机物。

2．解析：

选C。

仅含有碳元素和氢元素的有机物叫烃，烃燃烧后生成CO2和H2O，但烃的含氧衍生物（CxHyOz）燃烧也生成CO2和H2O，故只有C正确。

3．解析：

选A。

用CnH2n＋2的Mr＝14n＋2进行判断，44的对应烃是C3H8，A项符合题意，同理可知B、C项符合题意。

由于1个C原子与12个H原子相对分子质量之和相等，所以C9H20与C10H8的相对分子质量相等，则128的对应烃不一定是烷烃，D项不符合题意。

4．解析：

选D。

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。

5．解析：

选A。

本题为物理与化学的综合题，CH4与Cl2在光照条件下发生取代反应，气体总体积减小。

右边液面下降，左右液柱高度差减小，中间气体压强减小，体积膨胀。

6．解析：

选C。

题中水的物质的量为25.2g÷18g·mol-1＝1.4mol，根据原子守恒可得CH4为0.7mol，经计算可知0.7molCH4完全燃烧得到的CO2和H2O的总质量为56g，故题中所给CH4完全燃烧还需O2的质量为56g－49.6g＝6.4g，在标准状况下的体积为6.4g÷32g·mol-1×22.4L·mol-1＝4.48L。

二、不定项选择题

7．解析：

选BC。

甲烷性质稳定，与酸性KMnO4溶液不反应，但在光照时与纯卤素单质发生取代反应，在氧气中燃烧发生氧化反应，B、C正确。

8．解析：

选AD。

甲烷是最简单的烃，难溶于水，因其相对分子质量为16，故相同条件下密度小于空气，甲烷燃烧放出较多的热量且产物为CO2和H2O，所以可燃冰是一种极具潜力的能源，因此A、D正确。

9．解析：

选C。

根据有机物在氧气中燃烧时生成的CO2与H2O的物质的量之比为1∶2，推知有机物分子中碳、氢原子的个数比为1∶4，但不能说明其最简式为CH4，因为该分子中还可能含有氧原子，故C正确。

10．解析：

选A。

甲烷难溶于水，可以用排水法收集，A项正确；甲烷与空气的混合物中甲烷的体积分数只要在爆炸极限之外，甲烷就能安静燃烧，B项错误；甲烷与卤素单质发生取代反应的条件是光照，甲烷不能与氯水反应，C项错误；在氧气不足条件下，甲烷燃烧会生成一氧化碳和水，D项错误。

三、非选择题

11．解析：

（1）M＝2g/mol×43＝86g/mol，所以14n＋2＝86，n＝6，即该烷烃的分子式为C6H14。

（2）由CnH2n＋2得2n＋2＝200，n＝99，该烷烃的分子式为C99H200。

（3）由1L烷烃完全燃烧产生同条件下的15L水蒸气可知，其分子中应含有30个氢原子，则其分子式为C14H30。

（4）由CnH2n＋2可知：

其中含有（2n＋2）个C—H键，（n－1）个C—C键，所以（2n＋2）＋（n－1）＝22，即n＝7，所以该烷烃的分子式为C7H16。

（5）0.1mol烷烃完全燃烧消耗O2为

＝0.5mol。

所以

＝5　n＝3　即E为C3H8。

（6）室温下相对分子质量最大的气态直链烷烃应为CH3CH2CH2CH3，分子式为C4H10。

答案：

（1）C6H14　

（2）C99H200　（3）C14H30　（4）C7H16（5）C3H8　（6）C4H10

12．解析：

设该烃的化学式为CnHm，题图装置甲是利用浓硫酸的吸水性吸收该有机化合物燃烧所产生的水，浓碱液吸收二氧化碳，所以甲、乙装置增加的质量就是该有机化合物燃烧所产生的水和二氧化碳的质量。

CnHm＋（n＋

）O2

nCO2　＋　

H2O

1　　　　　　　　n　　　　　m/2

0.1mol　　　　

解得：

n＝1，m＝4

所以该有机化合物的化学式是CH4。

答案：

CH4

13．解析：

（2）每个氯气只能取代甲烷中的一个氢，根据甲烷中氢原子数，x≥4。

（3）由反应2KI＋Cl2===2KCl＋I2可知，D装置是用来除去多余氯气的。

（4）HCl易溶于水，球形漏斗可防倒吸。

（5）硬质玻璃管内壁的黑色小颗粒只能为碳单质，该反应为氯气置换出甲烷中的碳：

CH4＋2Cl2

C＋4HCl。

（6）生成的有机氯代物不溶于水，液—液互不相溶，分离方法为分液法。

尾气应为气态物质，只有甲烷和CH3Cl常温下为气态。

答案：

（1）使气体混合均匀　干燥气体　

（2）x≥4

（3）吸收过量的Cl2　（4）CD

（5）CH4＋2Cl2

C＋4HCl

（6）分液　AB

14．解析：

用差量法计算混合气体中甲烷的物质的量：

固体质量减少的量等于氧化铜失去氧元素的量，

Δn（O）＝4.8g/16g·mol-1＝0.3mol，

CH4＋4CuO

CO2＋2H2O＋4Cu　Δn（O）

1mol　　　　　1mol　　　　　　　4mol

0.07