专题8 第1单元 第1课时 天然气的利用 甲烷-（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高一化学必修第二册教师用书（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 ［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 1.甲烷 甲烷是一种无色、无味、难溶于水的气体，熔、沸点低、密度比空气小。甲烷是天然气的主要成分，天然气的水合物外形似冰，被称为“可燃冰”。 2.甲烷的组成与结构 思考　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？ 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。 提示　甲烷分子中，N(C)==1，N(H)==4，故甲烷的分子式为CH4。 (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'，具有正四面体空间结构。 1.判断正误 (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(　　) 答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)× 2.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 答案　C 3.如图所示均能表示甲烷的分子结构，下列说法错误的是(　　) 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 答案　B 解析　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。 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。 二、甲烷的化学性质 1.稳定性 CH4性质稳定，不与强酸、强碱、KMnO4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CO2和H2O。 (2)实验验证 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 澄清石灰水变浑浊 生成了二氧化碳 (3)实验结论 经测定，1 mol CH4完全燃烧生成液态水和二氧化碳，放出890 kJ的热，热化学方程式为CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890 kJ·mol-1，因此，甲烷是一种高效而洁净的燃料。  3.取代反应 (1)实验探究 实验装置与操作 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 实验现象 集气瓶内黄绿色气体颜色逐渐变浅，集气瓶内壁有油状液体出现，瓶中有少量白雾，且瓶内液面上升，水槽中有固体析出 实验结论 CH4与Cl2需在光照条件下发生化学反应，有关化学方程式为 CH4+Cl2CH3Cl(一氯甲烷)+HCl； CH3Cl+Cl2CH2Cl2(二氯甲烷)+HCl； CH2Cl2+Cl2CHCl3(三氯甲烷或氯仿)+HCl； CHCl3+Cl2CCl4(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。 思考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？ 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。 思考2　0.5 mol CH4与Cl2在光照条件下发生取代反应，反应完成后，测得四种有机产物的物质的量相同，则消耗Cl2的物质的量是多少？生成HCl的物质的量是多少？ 提示　n(Cl2)=1.25 mol、n(HCl)=1.25 mol。 0.5 mol 甲烷与氯气发生取代反应，生成的四种有机物的物质的量相等，根据碳原子守恒可知CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4四种物质的物质的量均为0.125 mol，n(HCl)=0.125×(1+2+3+4)mol=1.25 mol，n(HCl)=n(Cl)=1.25 mol，根据取代反应的特点可知有机物中氯原子的物质的量等于氯气的物质的量，则n(Cl2)=1.25 mol。 (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)被另一种原子(或原子团)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。 1.判断正误 (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)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(　　) (4)用一根蘸有浓氨水的玻璃棒伸入甲烷与氯气反应后的集气瓶内有白烟产生(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　 (4)√ 2.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 答案　A 解析　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。 3.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(　　) 答案　D 解析　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；水槽中有固体析出。 4.在光照的条件下，将1 mol CH4与一定量的氯气充分混合，经过一段时间，甲烷和氯气均无剩余，生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl，若已知生成的二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳的物质的量分别为0.1 mol、0.2 mol、0.3 mol，该反应中生成HCl的物质的量是(　　) A.2.4 mol B.2 mol C.3.2 mol D.3 mol 答案　A 解析　根据碳原子守恒，1 mol甲烷完全反应生成一氯甲烷的物质的量为1 mol-0.1 mol-0.2 mol-0.3 mol=0.4 mol，根据H原子守恒，有机产物中被取代的H的物质的量是0.4 mol×1+0.1 mol×2+0.2 mol×3+0.3 mol×4=2.4 mol，而每取代1 mol H原子，生成1 mol HCl，则生成HCl的物质的量为2.4 mol。 甲烷的取代反应 　　　　 课时对点练　［分值：100分］ (选择题1~14题，每小题5分，共70分) 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 答案　D 解析　甲烷完全燃烧生成二氧化碳和水，不会造成空气污染物，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。 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 答案　D 解析　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；甲烷不能与溴水反应使其褪色，故D错误。 3.下图是CH4、CCl4、CH3Cl分子的球棍模型，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中的化学键完全相同 D.CH4、CCl4的结构相同，性质也相同 答案　B 解析　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。 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 答案　A 解析　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。 题组二　甲烷的性质 5.据《易经》记载：“泽中有火”“上火下泽”。“泽”指湖泊池沼。“泽中有火”是指“M气体”在湖泊池沼水面上起火现象的描述。这里“M气体”是指(　　) A.甲烷 B.一氧化碳 C.乙烯 D.氢气 答案　A 6.“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 答案　B 解析　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。 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 答案　C 解析　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。 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 答案　B 解析　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。 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(　　) 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+O2CO2+H2O D.反应前后的物质均由分子构成 答案　D 解析　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+2O2CO2+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。 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 答案　A 解析　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。 11.一定质量的甲烷燃烧后得到的产物为CO、CO2和水蒸气，此混合气体质量为49.6 g，当其缓慢经过无水CaCl2时，CaCl2增重25.2 g，则原混合气体中CO2的质量为(　　) A.12.5 g　　　　B.13.2 g　　　　　C.19.7 g　　　　　D.24.4 g 答案　B 解析　 12.以下关于甲烷的说法正确的是(　　) 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 答案　C 解析　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+Cl2CH3Cl+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。 13.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 答案　C 14.(2024·河北保定高一期中)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 答案　B 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、四氯化碳和氯化氢，故A正确；透明软管内氯气被消耗，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、四氯化碳都是油状液体，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。 15.(12分)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)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：　　　　　。  (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 (3)若水中含有Na2SiO3，则在U形管左端会观察到的现象是　　　　　。  (4)右端玻璃管的作用是　　　　　。  答案　(1)CH4+4Cl2CCl4+4HCl　(2)B (3)有白色胶状沉淀生成　(4)平衡气压 解析　(1)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。(2)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。(3)因U形管左侧生成的HCl溶于水后发生反应：2HCl+Na2SiO3H2SiO3↓+2NaCl，所以会观察到U形管左端有白色胶状沉淀生成。(4)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。 16.(18分)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。 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：　　　　　　　　　。  (2)加入药品前，应先进行的一步操作是　　　　　。  (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 (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：　　　　。  (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：　　　　　。  答案　(1)Al4C3+6H2SO42Al2(SO4)3+3CH4↑　(2)检查装置气密性　(3)B　(4)2CH4+7CuO7Cu+CO+CO2+4H2O　(5)CH4、CO(写上CO2不算错)　(6)CH4-8e-+10OH-C+7H2O 学科网（北京）股份有限公司 $$ 天然气的利用　甲烷 第1课时 专题8　第一单元 <<< 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。 2 内容索引 一、甲烷的组成与结构 二、甲烷的化学性质 课时对点练 3 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”。 2.甲烷的组成与结构 无 一、甲烷的组成与结构 无 难 低 小 天然气 天然气 思考　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？ 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。 提示　甲烷分子中，N(C)==1，N(H)==4，故甲烷的分子式为CH4。 分子式 电子式 结构式 球棍模型 ______ __________    ___________   (1)组成与结构 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 1.判断正误 (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 应用体验 × × × √ √ 2.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 √ 3.如图所示均能表示甲烷的分子结构，下列说法错误的是 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 应用体验 √ 应用体验 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 > < 二 甲烷的化学性质 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_____。 二、甲烷的化学性质 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 澄清石灰水变浑浊 _______________ 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 实验装置与操作   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 3.取代反应 (1)实验探究 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。 思考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？ 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。 思考2　0.5 mol CH4与Cl2在光照条件下发生取代反应，反应完成后，测得四种有机产物的物质的量相同，则消耗Cl2的物质的量是多少？生成HCl的物质的量是多少？ 提示　n(Cl2)=1.25 mol、n(HCl)=1.25 mol。 0.5 mol 甲烷与氯气发生取代反应，生成的四种有机物的物质的量相等，根据碳原子守恒可知CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4四种物质的物质的量均为0.125 mol，n(HCl)=0.125×(1+2+3+4)mol=1.25 mol，n(HCl)=n(Cl)=1.25 mol，根据取代反应的特点可知有机物中氯原子的物质的量等于氯气的物质的量，则n(Cl2)=1.25 mol。 (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) 1.判断正误 (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)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 (4)用一根蘸有浓氨水的玻璃棒伸入甲烷与氯气反应后的集气瓶内有白烟产生 应用体验 × × √ × 2.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 √ 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。 3.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 √ 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；水槽中有固体析出。 4.在光照的条件下，将1 mol CH4与一定量的氯气充分混合，经过一段时间，甲烷和氯气均无剩余，生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl，若已知生成的二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳的物质的量分别为0.1 mol、0.2 mol、0.3 mol，该反应中生成HCl的物质的量是 A.2.4 mol B.2 mol C.3.2 mol D.3 mol 应用体验 √ 应用体验 根据碳原子守恒，1 mol甲烷完全反应生成一氯甲烷的物质的量为1 mol -0.1 mol-0.2 mol-0.3 mol=0.4 mol，根据H原子守恒，有机产物中被取代的H的物质的量是0.4 mol×1+0.1 mol×2+0.2 mol×3+0.3 mol×4=2.4 mol，而每取代1 mol H原子，生成1 mol HCl，则生成HCl的物质的量为2.4 mol。 归纳总结 甲烷的取代反应 归纳总结 返回 课时对点练 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 D D B A A B C B 题号 9 10 11 12 13 14 答案 D A B C C B 对一对 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 (1)CH4+4Cl2 CCl4+4HCl　(2)B (3)有白色胶状沉淀生成　(4)平衡气压 15. 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 (1)Al4C3+6H2SO4===2Al2(SO4)3+3CH4↑　(2)检查装置气密性　(3)B　(4)2CH4+7CuO 7Cu+CO+CO2+4H2O　(5)CH4、CO(写上CO2不算错)　(6)CH4-8e-+10OH-===C+7H2O 16. 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 16 答案 对点训练 甲烷完全燃烧生成二氧化碳和水，不会造成空气污染物，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 16 答案 对点训练 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 16 答案 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； 甲烷不能与溴水反应使其褪色，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 答案 对点训练 3.下图是CH4、CCl4、CH3Cl分子的球棍模型，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中的化学键完全相同 D.CH4、CCl4的结构相同，性质也 相同 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 答案 对点训练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 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 答案 对点训练 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 16 答案 对点训练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 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 答案 对点训练 题组二　甲烷的性质 5.据《易经》记载：“泽中有火”“上火下泽”。“泽”指湖泊池沼。“泽中有火”是指“M气体”在湖泊池沼水面上起火现象的描述。这里“M气体”是指 A.甲烷 B.一氧化碳 C.乙烯 D.氢气 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 答案 对点训练 6.“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 16 答案 对点训练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 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 答案 对点训练 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 16 答案 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 答案 对点训练 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 √ 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。 16 答案 对点训练 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 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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 答案 对点训练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 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 答案 对点训练 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 16 答案 对点训练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 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 答案 对点训练 11.一定质量的甲烷燃烧后得到的产物为CO、CO2和水蒸气，此混合气体质量为49.6 g，当其缓慢经过无水CaCl2时，CaCl2增重25.2 g，则原混合气体中CO2的质量为 A.12.5 g　　　　 B.13.2 g　　　　 C.19.7 g　　　　 D.24.4 g √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 答案 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 答案 综合强化 12.以下关于甲烷的说法正确的是 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 √ 16 答案 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 答案 综合强化 13.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 √ 16 答案 综合强化 14.(2024·河北保定高一期中)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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 √ 16 答案 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 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、四氯化碳和氯化氢，故A正确； 透明软管内氯气被消耗，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； 16 答案 综合强化 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 软管内会发生取代反应，生成的二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳都是油状液体，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。 16 答案 综合强化 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)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：_______________________。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 CH4+4Cl2 CCl4+4HCl 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 答案 综合强化 (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 B 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。 16 答案 综合强化 (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 有白色胶状沉淀生成 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。 16 答案 综合强化 (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 平衡气压 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。 16 答案 综合强化 16.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。 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：__________________________________。  (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 Al4C3+6H2SO4 2Al2(SO4)3+3CH4↑ 检查装置气密性 16 答案 综合强化 (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 B 15 16 答案 综合强化 (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：___________ _______________________。  (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 2CH4+7CuO 7Cu+CO+CO2+4H2O CH4、CO(写上CO2不算错) CH4-8e-+10OH- C+7H2O 返回 15 16 答案 综合强化 本课结束 专题8　第一单元 <<< $$