专题8 第1单元 第1课时 天然气的利用 甲烷(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中化学必修第二册（苏教版2019）

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 课程目标 核心素养 1．了解有机化合物中碳原子的成键特点。 2．搭建甲烷的球棍模型，认识甲烷的空间构型。 3．了解甲烷的主要性质和取代反应的概念。 1．宏观辨识与微观探析 能从原子、分子的视角认识有机物中碳原子的成键特点，形成结构决定性质的观点。 2．科学探究与创新意识 通过实验探究甲烷与氯气的反应，理解取代反应的概念；对产物进行创新性实验验证。 3．科学态度与社会责任 能列举事实说明化学对人类文明的贡献，主动关心与环境保护、资源开发等有关的社会热点问题，形成与环境和谐共处，合理利用资源的观念。 [对应学生用书P47] 知识点一　甲烷的存在、用途及结构 1．甲烷的存在与用途 (1)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)主要用途 甲烷易燃烧，完全燃烧生成__CO2__、__H2O__并放出大量的热量，因此甲烷可用作燃料。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．已知标准状况下，甲烷的密度是0.717 g·L－1，你能确定甲烷的相对分子质量吗？甲烷中含碳75%、含氢25%，则甲烷的分子式是什么？ 提示　甲烷的相对分子质量是0.717×22.4≈16，甲烷分子中碳原子数为＝1，氢原子数为＝4，故甲烷的分子式为CH4。 2．根据甲烷的正四面体结构推测CH2Cl2结构应该有几种？ 提示　甲烷的立体结构为，因此，CH2Cl2中的2个Cl在空间一定处于相似位置，CH2Cl2只有一种结构。 1．证明甲烷分子是正四面体结构的方法 甲烷的正四面体结构，可以通过研究CH2Cl2存在几种结构来确定。CH4有四个等同的C—H键，在空间上可能有两种对称分布：正四面体结构和平面正方形结构，如图所示。 若是正四面体结构，甲烷分子中任意两个氢原子被两个氯原子取代，CH2Cl2的结构只有一种；若是平面正方形结构，则取代的两个氢原子分邻位和对位，CH2Cl2的结构有两种。科学研究发现，CH2Cl2的结构只有一种，说明甲烷是正四面体结构。 2．甲烷空间结构的两点拓展应用 (1)若CH4分子中的4个氢原子全部用其他相同的原子替代，则形成的分子结构仍为正四面体结构。 (2)若CH4分子中的4个氢原子被其他不同的原子替代，则形成的分子结构仍为四面体，但不属于正四面体，如CH3Cl、CH2Cl2等。 1．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．甲烷分子中的四个C—H键相同 C．甲烷分子是平面正方形结构 D．甲烷分子的结构式是 解析　甲烷分子的空间结构是正四面体，不是平面正方形。 答案　C 2．下列各图均能表示甲烷的分子结构，哪一种更能反映其真实存在状况(　　) 解析　这几种形式都可表示甲烷分子，其中分子结构示意图、球棍模型及比例模型均能反映甲烷分子的空间构型，但空间填充模型更能形象的表达出甲烷分子中H、C原子的位置及所占比例。电子式只反映出原子的最外层电子的成键情况。 答案　D 知识点二　甲烷的性质 1．物理性质 颜色 状态 气味 密度(与空气相比) 水溶性 __无__色 __气__体 __无__味 比空气__小__ __极难__溶于水 2．化学性质 (1)甲烷燃烧的现象和化学方程式 现象：在空气中安静地燃烧，火焰呈__淡蓝__色。 化学方程式：　CH4＋2O2CO2＋2H2O　。 (2)CH4与Cl2在光照时反应的化学方程式 ①　CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl　； ②　CH3Cl＋Cl2CH2Cl2＋HCl　； ③　CH2Cl2＋Cl2CHCl3＋HCl　； ④　CHCl3＋Cl2CCl4＋HCl　。 (3)甲烷的4种氯代产物的性质 ①常温下为气体的是__CH3Cl__，常温下为液体的是__CH2Cl2、CHCl3和CCl4__。 ②不溶于水的是__CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4__。 [特别提醒]　有机反应比较复杂，常有副反应发生，因此有机反应的化学方程式常用“―→”而不是“===”。 1．如何检验CH4的燃烧产物？ 提示　将甲烷点燃，在火焰上方罩一洁净而干燥的烧杯，若烧杯内壁有水雾生成，则证明燃烧产物中有H2O，然后迅速将烧杯倒转过来，向其中加入少量澄清石灰水，石灰水变浑浊，则说明有CO2生成。 2．1 mol甲烷与1 mol Cl2在光照条件下充分反应，所得的产物只有一氯甲烷吗？ 提示　1 mol CH4与1 mol Cl2光照条件下发生取代反应得到一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳的混合物。 3．CH4和Cl2取代反应的产物中物质的量最多的是什么？它与Cl2在量上有什么关系？ 提示　因为在CH4和Cl2的取代反应中，每一步都有HCl生成，故产物中物质的量最多的是HCl。根据化学方程式可知，每生成1 mol HCl则消耗1 mol Cl2，故反应生成的HCl与反应消耗的Cl2的物质的量相等。 甲烷与氯气等卤素单质反应时注意的问题 1．反应条件 光照但不能用强光直接照射，否则会发生爆炸，在黑暗处不发生反应。 2．物质状态 与氯气相似，其他卤素单质在光照条件下，也能与甲烷发生取代反应。反应物中的卤素为卤素单质，如甲烷通入溴水中不反应。 3．连锁反应 甲烷的取代反应是一种连锁反应，即第一步反应一旦开始，后续反应立即进行。 4．产物 光照甲烷与氯气的混合物，得到甲烷各种氯代物与HCl的混合物，生成物中HCl的物质的量最多。 5．数量关系 CH4与Cl2发生取代反应时，有1 mol H被取代，就有1 mol Cl2被消耗，同时生成1 mol HCl。即1 mol CxHy与Cl2发生取代反应时，最多可消耗y mol Cl2。 1．(2024·保定示范校期中)某化学兴趣小组在阴暗的地方用如图所示装置探究CH4与Cl2的反应，灯泡接通电源后，开始实验。下列说法错误的是(　　) A．软管内会发生取代反应，生成物可能有5种 B．透明软管内气体颜色会逐渐变浅，透明软管的体积会缩小直至完全凹瘪 C．软管内会有油状液滴产生 D．充分反应后，打开K1，导管口可能会有白雾出现 解析　软管内会发生取代反应，生成物可能有5种，分别是一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和氯化氢，故A正确；透明软管内氯气消耗，气体颜色会逐渐变浅，透明软管的体积会缩小，但由于有氯化氢和一氯甲烷两种气体生成，所以不会完全凹瘪，故B错误；软管内会发生取代反应，生成的二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷都是油状液体，故C正确；充分反应后，打开K1，由于反应有氯化氢生成，所以导管口可能会有白雾出现，故D正确。 答案　B 2．在标准状况下，22.4 L CH4与氯气在光照下发生取代反应，待反应完全后，测得四种有机取代物的物质的量相等，则消耗的氯气为(　　) A．0.5 mol　　　　　　　 B．2 mol C．2.5 mol D．4 mol 解析　1 mol CH4与氯气发生取代反应，生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各0.25 mol，该四种取代物中n(Cl)＝0.25 mol×(1＋2＋3＋4)＝2.5 mol，根据取代反应特点，的氯原子进入氯化氢，所以n(HCl)＝2.5 mol，故生成物中所含氯原子共2.5 mol＋2.5 mol＝5 mol，参加反应的氯气为n(Cl2)＝2.5 mol。 答案　C 知识点三　烷烃 1．两个概念 2．烷烃 (1)分子通式__CnH2n＋2(n≥1)__。 (2)习惯命名 n≤10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 甲烷 乙烷 丙烷 __丁烷__ __戊烷__ __己烷__ __庚烷__ __辛烷__ 壬烷 癸烷 n＞10 直接根据碳原子数称某烷 C16H34：__十六烷__，C18H38：__十八烷__ (3)化学性质(类似甲烷) ①稳定性：通常状态下烷烃性质稳定。 ②可燃性：烷烃都能燃烧，燃烧通式为　CnH2n＋2＋O2nCO2＋(n＋1)H2O　。 ③取代反应：烷烃都能与卤素单质在光照下发生取代反应。写出C2H6与Cl2在光照条件下生成一氯代物的化学方程式：　C2H6＋Cl2C2H5Cl＋HCl　。 3．同系物 (1)概念 “相似”——分子结构__相似__； “相差”——分子组成相差1个或若干个“__CH2__”原子团。 (2)实例 CH4与CH3CH3、丙烷(CH3CH2CH3)、正丁烷(CH3CH2CH2CH3)互为__同系物__。 4．烷烃同分异构体的书写技巧 (1)同分异构体的书写 一般采用“减链法”，即先写出所有碳在一条链上的结构式；再减去一个碳作为一个甲基取代不同的氢；再减去二个碳，作为一个乙基取代不同的氢，再作为二个甲基进行取代，依此类推。技巧如下所示： 减链法 (2)实例 现以C6H14为例，基本步骤如下： ①将分子中全部碳原子连成直链作为母链 C—C—C—C—C—C ②从母链一端取下一个碳原子作为支链(即甲基)，依次连在主链中心对称线一侧的各个碳原子上，此时碳架结构有两种： 注意：不能连在①位和⑤位上，否则会使碳链变长，②位和④位等效，只能用一个，否则重复。 ③从母链上取下两个碳原子作为一个支链(即乙基)或两个支链(即2个甲基)依次连在主链中心对称线一侧的各个碳原子上，此时碳架结构有两种： ②位或③位上不能连乙基，否则会使主链上有5个碳原子，使主链变长。 所以C6H14共有5种同分异构体。 [特别提醒] 在一个碳链上，甲基不能出现在1号和倒数1号碳上。乙基不能出现在1号、2号和倒数1号、2号碳上，依此类推。 1．由烷烃的分子通式计算烷烃分子中能形成多少条共价键？ 提示　烷烃的通式为CnH2n＋2(n为碳原子数)，碳、氢原子提供的成键电子数之和为4×n＋2n＋2＝6n＋2，电子对数也就是共价键数为(6n＋2)＝3n＋1，即能形成3n＋1条共价键。 2．互为同系物的两种化合物的最简式一定相同吗？ 提示　不一定。CH4与CH3CH3互为同系物，但CH3CH3的最简式为CH3。 3．相对分子质量相差14的化合物是否属于同系物？ 提示　不一定；如乙烷(相对分子质量30)和CO2(相对分子质量44)相差14，但二者不属于同系物。 判断同系物的方法 1．判断标准——“同类不同碳” 2．组成特点 (1)同系物必须结构相似。 (2)分子组成通式相同。 (3)同系物相对分子质量相差14或14的整数倍。 3．判断方法 4．注意事项 (1)同系物必须是“有机化合物”。 (2)同系物一定具有不同的分子式。若分子式相同就可能属于同分异构体。 (3)具有相同通式的有机物除烷烃外都不能确定是不是同系物。 1．下列有关简单烷烃的叙述中正确的是(　　) ①都是易燃物　②特征反应是取代反应　③相邻两个烷烃在分子组成上相差一个—CH3原子团 A．①③　　　　　　 B．②③ C．① D．①② 解析　烷烃含有碳和氢两种元素，都能燃烧生成二氧化碳和水，①正确；烷烃都易发生取代反应，②正确；相邻两个烷烃在分子组成上相差一个“CH2”，③不正确。 答案　D 2．有下列结构的物质：①CH3(CH2)3CH3 ②CH3CH2CH2CH2CH3 ③CH3CH2CH2CH2CH2CH3 其中，属于同系物的是____________；属于同分异构体的是____________；属于同种物质的是____________。 A．①② B．②③ C．③④⑤⑥⑦ D．①③ E．③④⑤⑦ F．④⑥ 解析　7种物质的分子式分别为①C5H12，②C5H12，③C6H14，④C6H14，⑤C6H14，⑥C6H14，⑦C6H14。所以①②中任一物质与③④⑤⑥⑦中任一物质均属于同系物；①②结构相同，属于同种物质，④⑥结构相同，属于同种物质，③④⑤⑦或③⑤⑥⑦互为同分异构体。 答案　BD　E　AF [对应学生用书P52] 1．下列有关烷烃的叙述中，正确的是(　　) ①在烷烃分子中，所有的化学键都是单键　②烷烃中除甲烷外，很多都能使酸性KMnO4溶液的紫色褪去　③分子通式为CnH2n＋2的烃不一定是烷烃　④所有的烷烃在光照条件下都能与氯气发生取代反应　⑤光照条件下，乙烷通入溴水中，可使溴水褪色　⑥所有的烷烃都可以在空气中燃烧 A．①②③⑥　　　　　　 B．①④⑥ C．②③④ D．①②③④ 解析　①烷烃属于饱和烃，碳与碳之间、碳与氢之间都以单键结合；②烷烃性质稳定，均不能使酸性KMnO4溶液褪色；③分子通式为CnH2n＋2的烃一定是烷烃；④烷烃在光照条件下都能与Cl2发生取代反应；⑤C2H6不能与溴水发生取代反应使其褪色，但能与Br2蒸气在光照下发生取代反应。烷烃都可以在空气中燃烧生成CO2和H2O。 答案　B 2．下列物质中，属于烷烃的是(　　) A．C8H16 B．CH3CH2OH C． D．CH2—CH2 解析　A不符合烷烃通式CnH2n＋2；B不是烃(含O)；D项分子中碳原子间不是单键结合，不是烷烃。 答案　C 3．下列叙述正确的是(　　) A．分子式相同，各元素质量分数也相同的物质是同种物质 B．通式相同的不同物质一定属于同系物 C．分子式相同的不同物质一定是同分异构体 D．同系物的性质完全相同 解析　分子式相同的物质，结构不一定相同，可能是同分异构体；通式相同的不同物质不一定是同系物，也可能是同分异构体或是其他关系；同系物的化学性质相似，物理性质不同。 答案　C 4．下列物质之间的相互关系错误的是(　　) A．CH3CH2CH2CH2CH3和互为同分异构体 B．干冰和冰为同一种物质 C．CH3CH3和CH3CH2CH3互为同系物 D．12C和14C互为同位素 答案　B 5．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，让混合气体缓慢的反应一段时间。 (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)经过几个小时的反应后，U形管右端的玻璃管中水柱变化是____________。 A．升高 B．降低 C．不变 D．无法确定 (3)甲烷通常用来作燃料，其燃烧反应的化学方程式是________________________________________________________________________。 解析　(1)甲烷与氯气的体积之比是1∶4时，若只生成一种有机产物，则该产物是四氯化碳，甲烷分子中的H原子全部被取代，化学方程式是CH4＋4Cl2CCl4＋4HCl。 (2)因为HCl溶于水，所以反应完全后，气体的压强减小，则左侧水面升高，右侧水面降低。 (3)甲烷完全燃烧生成二氧化碳和水，化学方程式是CH4＋2O2CO2＋2H2O。 答案　(1)CH4＋4Cl2CCl4＋4HCl　(2)B (3)CH4＋2O2CO2＋2H2O 学科网（北京）股份有限公司 $$