8.1.1 天然气的利用 甲烷 （课件）-【步步高】2023-2024学年高一化学必修第二册学习笔记（苏教版2019）

专题8　第一单元　 第1课时　天然气的利用　甲烷 1 核心素养 发展目标 1.认识甲烷的组成和结构特点。会书写甲烷的分子式、结构式及电子式，形成 “结构决定性质”的观念，培养宏观辨识与微观探析的能力。 2.知道甲烷能发生氧化反应和取代反应，掌握取代反应的概念，能通过分析、 推理等方法，判断有机物的取代反应，培养证据推理的能力。 一、甲烷的组成与结构 二、甲烷的化学性质 课时对点练 内容索引 甲烷的组成与结构 一 1.甲烷 甲烷是一种____色、____味、____溶于水的气体，熔、沸点____、密度比空气____。甲烷是_______的主要成分，_______的水合物外形似冰，被称为“可燃冰”。 无 无 难 低 小 天然气 天然气 2.甲烷的组成与结构 (1)组成与结构 分子式 电子式 结构式 球棍模型 ______ ________  _________    CH4 (2)结构特点 碳原子位于中心，与4个氢原子形成完全相同的4个C—H共价键，相邻C—H共价键的夹角为109°28′，具有_________空间结构。 正四面体 正误判断 (1)甲烷分子中碳原子最外层有4个电子，可以形成4个共价键 (2)已知甲烷为正四面体结构，可推知CCl4也为正四面体结构 (3)天然气就是纯净的甲烷气体 (4)16 g CH4分子中含有2NA个C—H键 (5)甲烷和四氯化碳的分子中各原子均达到8电子稳定结构 √ × × √ × 已知标准状况下，甲烷的密度是0.717 g·L－1。 (1)甲烷的相对分子质量是多少？ 深度思考 提示　由M＝ρ·22.4 L·mol－1得，M(甲烷)≈16 g·mol－1，即甲烷的相对分子质量为16。 (2)甲烷中含碳元素的质量分数为75%，含氢元素的质量分数为25%，求甲烷的分子式。 深度思考 1.下列叙述与甲烷无关的是 A.天然气、沼气、可燃冰的主要成分 B.“西气东输”工程中运输的气体的主要成分 C.造成“光化学烟雾”的气体 D.煤矿中瓦斯爆炸 √ 应用体验 2.如图所示均能表示甲烷的分子结构，下列说法错误的是 应用体验 A.Ⅰ将各原子看成了质点，为空间结构示意图 B.Ⅱ为电子式，表示甲烷分子中有8个电子 C.Ⅲ为球棍模型，棍代表甲烷分子内含有的共价键 D.Ⅳ为空间填充模型，能表示出甲烷的空间结构及各原子的相对大小 √ Ⅱ表示电子式，但略去了碳原子的内层电子，甲烷分子中应含有10个电子。 归纳总结 一个碳原子与其他4个原子以4个单键相结合时： (1)如果这4个原子相同，分别在四面体的顶点上，则构成正四面体； (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。 返回 甲烷的化学性质 二 1.稳定性 CH4性质稳定，不与_____、_____、________等物质反应。 2.氧化反应 点燃甲烷气体，观察燃烧现象，并检验燃烧产物。 (1)猜想：根据甲烷(CH4)的组成，其燃烧后可能会生成_____和____。 强酸 强碱 KMnO4 CO2 H2O (2)实验验证 燃烧现象 检验产物 方法 现象 结论 _____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 _________ 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 _______________ 淡蓝 生成了水 生成了二氧化碳 (3)实验结论 经测定，1 mol CH4完全燃烧生成________和__________，放出890 kJ的热，热化学方程式为________________________________________ ______________，因此，甲烷是一种高效而洁净的燃料。 液态水 二氧化碳 CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝ －890 kJ·mol－1 3.取代反应 (1)实验探究 实验装置 与操作 实验现象 集气瓶内黄绿色气体颜色逐渐变浅，集气瓶内壁有_________出现，瓶中有少量白雾，且瓶内液面_____，水槽中有固体析出 实验结论 CH4与Cl2需在_____条件下发生化学反应，有关化学方程式为 CH4＋Cl2　　　______________________； CH3Cl＋Cl2　　　______________________； CH2Cl2＋Cl2　　　___________________________； CHCl3＋Cl2　　　_____________________________ 油状液体 上升 光照 CH3Cl(一氯甲烷)＋HCl CH2Cl2(二氯甲烷)＋HCl CHCl3(三氯甲烷或氯仿)＋HCl CCl4(四氯甲烷或四氯化碳)＋HCl 特别提醒　①水溶性：CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4均不溶于水。 ②状态：常温下除CH3Cl是气体，其余三种均为油状液体。 (2)取代反应 ①概念：有机化合物分子中的某种原子(或原子团)被另一种_________ ________所取代的反应。 ②特点 a.反应条件，在光照条件下，甲烷与卤素单质发生取代反应。 b.连续反应，甲烷分子中的氢原子被氯原子逐步取代，反应一旦开始，后续反应立即进行，且各步反应可同时进行。 ③因为有机化学反应的副产物较多，所以写化学方程式时用“―→”连接反应物和目标产物。 原子(或 原子团) 正误判断 (1)甲烷性质稳定，与任何氧化剂都不反应 (2)CH4和Cl2按体积比1∶1混合，发生取代反应生成的产物只有两种 (3)CH4和Cl2发生取代反应时，每生成1 mol HCl，则有1 mol Cl2参加反应 (4)CH4分子为正四面体结构，因此其生成物CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4都为正四面体结构 (5)取代反应和置换反应都是物质中某些原子或原子团被其他原子或原子团代替，因此本质相同 × √ × × × 1.若甲烷分子中的一个氢原子被氯原子取代，生成的CH3Cl还是四面体结构吗？ 深度思考 提示　CH3Cl中3个H和1个Cl仍分别位于四面体的4个顶点，仍为四面体结构，但不是正四面体结构。 2.甲烷中每有1 mol氢原子被取代，消耗Cl2的物质的量是多少？ 提示　1 mol。 1.下列物质在一定条件下能与甲烷发生取代反应的是 A.氯气 B.酸性高锰酸钾溶液 C.氢氧化钠溶液 D.溴水 √ 应用体验 A项，氯气在光照条件下与甲烷可以发生取代反应； B项，酸性高锰酸钾溶液不能氧化甲烷，也不能与甲烷发生取代反应； C项，氢氧化钠溶液与甲烷不反应； D项，溴水与甲烷不反应。 2.实验室中用如图所示的装置进行甲烷与氯气在光照条件下反应的实验。 光照下反应一段时间后，下列装置示意图中能正确反映实验现象的是 应用体验 √ 甲烷与氯气在光照条件下发生取代反应，黄绿色的 氯气减少，因此试管内气体颜色逐渐变浅；反应生 成的HCl极易溶于水，使试管内气体压强减小，因 此试管内液面上升；生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4 均为无色油状液体，附着在试管壁上，因此试管壁上出现无色油状液滴；生成的HCl气体遇到水蒸气溶解生成盐酸小液滴，形成白雾，因此试管中有少量白雾。 3.在光照条件下，将1 mol CH4与Cl2反应，得到四种有机产物CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4的物质的量之比为1∶2∶3∶4，则消耗Cl2的物质的量为 A.0.5 mol　 　　　B.1.25 mol　 　　　C.2.5 mol　 　　　D.3 mol √ 应用体验 四种有机产物的物质的量之比为n(CH3Cl)∶n(CH2Cl2)∶n(CHCl3)∶　n(CCl4)＝1∶2∶3∶4，则四种取代物的物质的量分别为n(CH3Cl)＝ 0.1 mol，n(CH2Cl2)＝0.2 mol，n(CHCl3)＝0.3 mol，n(CCl4)＝0.4 mol，发生取代反应时，一半的Cl进入HCl，消耗氯气的物质的量为0.1 mol＋2×0.2 mol＋3×0.3 mol＋4×0.4 mol＝3 mol。 归纳总结 甲烷的取代反应 返回 课时对点练 题组一　甲烷的组成与结构 1.下列关于甲烷的说法错误的是 A.分子式：CH4 B.可作为清洁燃料 C.球棍模型： D.可使酸性KMnO4溶液褪色 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 16 甲烷完全燃烧生成二氧化碳和水，不产生空气污染物，可作为清洁燃料，故B正确； 甲烷为正四面体结构，碳原子的半径大于氢原子的半径，球棍模型为 　，故C正确； 甲烷化学性质稳定，不能使酸性KMnO4溶液褪色，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 16 2.下列关于甲烷的说法不正确的是 A.甲烷分子具有正四面体结构 B.甲烷是无色、无味的气体 C.甲烷是最简单的有机化合物 D.甲烷能使溴水褪色 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 √ 通常情况下，甲烷是一种无色、无味的气体，难溶于水，密度比空气小，故B正确； 仅含碳氢单键的甲烷不能与溴水反应，溶液不会褪色，故D错误。 16 3.下图是CH4、CCl4、CH3Cl分子的球棍模型，下列说法正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 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中的化学键完全相同 D.CH4、CCl4的结构相同，性质也相同 √ 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 CCl4与CH4的分子结构相似，为正四面体结构，CH3Cl中的C—H键和C—Cl键不同，不是正四面体结构，而是四面体结构。 16 4.(2023·苏州高一期末)能证明CH4分子的空间结构为正四面体形而非平面正方形的事实是 A.CH2Cl2只有一种结构 B.CH3Cl分子只有一种结构 C.C原子距离四个H原子的距离一样 D.CH4分子中的四个碳氢键一样 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 √ 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 若CH4分子的空间结构为平面正方形，CH2Cl2应有2种结构，而实际上CH2Cl2只有一种结构，说明CH4分子的空间结构为正四面体形，故选A； 无论CH4分子的空间结构为正四面体形还是平面正方形，CH3Cl分子都只有一种结构，C原子距离四个H原子的距离一样，CH4分子中的四个碳氢键一样，故不选B、C、D。 16 题组二　甲烷的性质 5.“北溪”天然气管道是俄罗斯向欧洲输气的主要管道，天然气的主要成分——CH4，是一种会产生温室效应的气体，下列关于甲烷的叙述错误的是 A.通常情况下，甲烷与强酸、强碱、强氧化剂都不反应 B.甲烷的化学性质比较稳定，点燃前不必验纯 C.甲烷与氯气反应，生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3或CCl4，都属于取代反应 D.甲烷的四种有机氯代产物都难溶于水 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 √ 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 通常情况下，CH4性质稳定，不与强酸、强碱、强氧化剂反应，故A正确； 可燃性气体在加热或点燃前都要验纯，以防发生爆炸，故B错误； CH4与Cl2的反应，每步都属于取代反应，故C正确； CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4均难溶于水，故D正确。 16 6.最新研究发现，火星大气层中含有甲烷。下列说法错误的是 A.甲烷是一种共价化合物 B.可燃冰释放出的气体中含有甲烷 C.甲烷能发生氧化反应和取代反应 D.等物质的量的CH4与Cl2在光照下的反应产物只有CH3Cl和HCl √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 甲烷是由碳元素和氢元素组成的共价化合物，A项正确； 可燃冰是由水和甲烷在高压、低温条件下形成的类冰状结晶物质，可燃冰释放出的气体为甲烷，B项正确； 等物质的量的CH4和Cl2在光照下发生取代反应，属于连锁反应，生成4种氯代产物，同时生成HCl，D项错误。 16 7.下列有关甲烷取代反应的叙述正确的是 A.甲烷与氯气以物质的量之比为1∶1混合时只生成CH3Cl B.甲烷与氯水在光照的条件下也能发生取代反应 C.甲烷与氯气的取代反应的产物为混合物 D.1 mol甲烷参加反应生成CCl4最多消耗2 mol氯气 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 甲烷与氯气以物质的量之比为1∶1混合时，生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4等，故A错误； 甲烷与氯气的取代反应的产物为CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4、HCl的混合物，故C正确； 1 mol甲烷参加反应生成CCl4最多消耗4 mol氯气，故D错误。 16 8.(2023·南京高一检测)1 mol甲烷和1 mol氯气在光照条件下充分反应，产物中物质的量最多的是 A.CH3Cl B.HCl C.CH2Cl2 D.CHCl3 √ 甲烷和氯气在光照条件下发生取代反应，可生成有机物CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4，每一步反应都生成HCl，所以生成物中物质的量最多的是HCl，故B正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 16 9.我国是世界上第一个在海域成功试采可燃冰的国家，可燃冰主要含有甲烷水合物，用作燃料时反应的微观示意图如图，下列说法正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 A.可燃冰中只有甲烷 B.化学变化中原子数目变化 C.反应的化学方程式为CH4＋O2　　　CO2＋H2O D.反应前后的物质均由分子构成 √ 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 A项，可燃冰主要含甲烷水 合物，为混合物，故不符合 题意； C项，反应的化学方程式应为CH4＋2O2　　　CO2＋2H2O，故不符合题意； B项，由反应的方程式可知：化学变化中原子数目没有变化，故不符合题意； D项，反应前后的物质均由分子构成，故符合题意。 16 10.将甲烷与一定量的氯气混合于一试管中，倒立于盛有饱和食盐水的水槽中(如图所示)，对于此反应，有关叙述不正确的是 A.该反应的生成物只有四种 B.该反应的条件是光照 C.该反应结束后试管内液面上升(冷却到室温) D.该反应属于取代反应 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 对点训练 甲烷和氯气反应的生成物有一氯甲烷、二氯 甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氯化氢5种， 故A错误； 该反应氯气中的氯原子取代了甲烷中的氢原 子，属于取代反应，反应条件是光照，故B、D正确； 该反应生成了液态的二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳，使气体的量减少，且生成的氯化氢气体极易溶于水，试管内压强减小，液面上升(冷却到室温)，故C正确。 16 11.以下关于甲烷的说法中，正确的是 ①一氯甲烷分子具有四面体结构　②二氯甲烷有两种　③甲烷与Cl2在光照条件下发生取代反应，取代1 mol H需0.5 mol Cl2　④甲烷分子中四个C—H键，任意两个共价键之间的键角均相等 A.②③④ 　　　　B.②③ 　　　　C.①④ 　　　　D.①③ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 √ 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 一氯甲烷分子为甲烷中一个H原子被Cl取代，CH3Cl的结构不对称，为四面体结构，故①正确； 甲烷为正四面体结构，所以二氯甲烷只有一种，故②错误； 甲烷与氯气发生一氯取代的化学方程式为CH4＋Cl2　　　CH3Cl＋HCl，取代1 mol H需1 mol Cl2，故③错误； 甲烷分子中四个碳氢键完全相同，任意两个碳氢键之间的键角均相等，故④正确。 16 12.鉴别甲烷、一氧化碳和氢气三种无色气体的方法是 A.通入溴水中→通入澄清石灰水中 B.点燃→罩上涂有澄清石灰水的烧杯 C.点燃→罩上干燥的冷烧杯→罩上涂有澄清石灰水的烧杯 D.点燃→罩上涂有澄清石灰水的烧杯→通入溴水中 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 16 13.标准状况下，44.8 L CH4与一定量Cl2在光照条件下发生取代反应，待反应完全后，测得四种有机取代产物的物质的量相等，则消耗Cl2的物质的量为 A.1 mol B.2 mol C.4 mol D.5 mol 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 √ 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 标准状况下，44.8 L CH4的物质的量为2 mol，2 mol甲烷完全与氯气发生取代反应，生成相同物质的量的四种取代物，所以每种取代物的物质的量是0.5 mol，在甲烷和氯气的取代反应中，被取代的氢原子的物质的量与消耗的氯气的物质的量相等，所以生成0.5 mol一氯甲烷需要0.5 mol氯气，生成0.5 mol二氯甲烷需要1 mol氯气，生成0.5 mol三氯甲烷需要1.5 mol氯气，生成0.5 mol四氯化碳需要2 mol氯气，所以总共消耗氯气的物质的量为0.5 mol＋1 mol＋1.5 mol＋2 mol＝5 mol。 16 14.取一支硬质大试管，通过排饱和食盐水的方法先后收集半试管甲烷和半试管氯气(如图)，下列对于试管内发生的反应及现象的说法正确的是 A.反应过程中试管内黄绿色逐渐消失，试管壁上 　有油珠产生 B.甲烷和Cl2反应后的产物有4种 C.盛放饱和食盐水的水槽底部不会有晶体析出 D.CH4和Cl2完全反应后液面上升，液体充满试管 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 √ 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 Cl2被消耗后，黄绿色消失，生成的CH2Cl2、 CHCl3、CCl4均为油状液体，所以试管壁 上有油珠产生，A项正确； CH4与Cl2反应生成4种有机物和1种无机物， 共有5种产物，B项错误； CH4与Cl2反应生成HCl，HCl溶于饱和食盐水会有NaCl晶体析出，C项错误； 取代产物CH2Cl2、CHCl3、CCl4是油状液体，而CH3Cl是气体，不溶于饱和食盐水，故液体不会充满试管，D项错误。 16 15.如图所示，U形管的左端是被水和胶塞封闭的甲烷和氯气(体积比为1∶4)的混合气体，假设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一端放置在有光的地方，让混合气体缓慢地反应一段时间。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 (1)假设甲烷与氯气充分反应，且只产生一种有机物，请写出其化学方程式：__________________________。 16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 因CH4和Cl2的体积之比为1∶4，若充分反应且只产生一种有机物，则CH4中的四个H原子可完全被取代，生成CCl4和HCl。 16 (2)经过几个小时的反应后，U形管右端的液面变化是_____(填字母)。 A.升高 B.降低 C.不变 D.无法确定 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 甲烷和氯气在光照条件下发生取代反应生成的一氯甲烷为不溶于水的气体，其他三种有机产物均为油状液体，且生成的氯化氢气体易溶于水，故甲烷和氯气的反应为气体的物质的量减少的反应，会导致U形管右端液面降低，左端液面升高。 B 16 (3)若水中含有Na2SiO3，则在U形管左端会观察到的现象是___________________。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 因U形管左侧生成的HCl溶于水后发生反应：2HCl＋Na2SiO3=== H2SiO3↓＋2NaCl，所以会观察到U形管左端有白色胶状沉淀生成。 有白色胶状沉淀生成 16 (4)右端玻璃管的作用是__________。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 在U形管右侧插入一支玻璃管的目的是连通大气，平衡气压。 平衡气压 16 16.(2022·山西运城高一联考)为了探究甲烷与氧化剂的反应，某同学设计如图实验方案。已知碳化铝(Al4C3)与水反应生成氢氧化铝和甲烷。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 16 实验现象：溴水不褪色，无水硫酸铜变蓝色，澄清石灰水变浑浊。 回答下列问题： (1)写出碳化铝与稀硫酸反应的化学方程式：___________________________ __________。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 16 Al4C3＋6H2SO4===2Al2(SO4)3 ＋3CH4↑ (2)加入药品前，应先进行的一步操作是________________。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 16 检查装置气密性 (3)下列对实验中的有关现象与结论叙述都正确的是_____(填字母)。 A.甲烷不能与溴水反应，推知甲 烷不能与卤素单质反应 B.酸性高锰酸钾溶液不褪色，结 论是通常情况下甲烷不能与强 氧化剂反应 C.硬质玻璃管中黑色粉末无颜色变化，结论是甲烷不与氧化铜反应 D.硬质玻璃管中黑色粉末变红色，推断氧化铜与甲烷反应只生成水和二 氧化碳 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 16 B (4)经测定，甲烷与氧化铜反应时消耗1 mol甲烷转移7 mol电子，写出实验时硬质玻璃管中发生反应的化学方程式：________________________ ________________。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 16 CO＋CO2＋4H2O (5)集气瓶中排水法收集到的气体是________________________。 (6)甲烷是一种重要的化工原料和新型燃料。写出用氢氧化钾溶液作电解质溶液时甲烷燃料电池的负极反应式：____________________________ ________。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 综合强化 16 返回 CH4、CO(写上CO2不算错) ＋7H2O 提示　甲烷分子中，N(C)＝＝1，N(H)＝ ＝4，故甲烷的分子式为CH4。 用排饱和食盐水法在集气瓶中先后收集体积的氯气和 体积的甲烷气体，用灯光照射瓶中的混合气体 CH4＋4Cl2CCl4＋4HCl 2CH4＋7CuO7Cu＋ CH4－8e－＋10OH－===CO $$