甲烷的性质

课堂互动讲练探究整合应用知能优化训练第1课时课前自主学案学习目标1.了解有机化合物的概念。2.掌握甲烷的分子结构、了解甲烷的物理性质及存在、用途。3.掌握甲烷的化学性质，认识取代反应的特点。学习目标课前自主学案自主学习一、有机化合物及烃概念组成元素有机化合物含有____元素的化合物一定含有____元素，常含有氢、氧元素，有的还含有氮、硫、磷、卤素等烃仅含有________两种元素的有机物_______(写元素符号)碳碳碳、氢C、H二、甲烷1．分子组成及结构(1)分子组成(2)空间结构分子结构示意图结构特点及空间构型4个C—H键的长度和强度相同，夹角相同，具有_________结构正四面体思考感悟1.若把甲烷分子中的一个氢原子换成氯原子，还是正四面体结构吗？【提示】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。2．物理性质甲烷是一种无色、无味、______溶于水、密度比空气____的气体。3．化学性质在通常情况下，甲烷比较稳定，与__________等强氧化剂不反应，与_____________也不反应，但在特定的条件下，也能发生某些反应。(1)氧化反应甲烷在空气中燃烧发出淡蓝色火焰，同时放出大量的热，化学方程式为：极难小高锰酸钾强酸、强碱(2)取代反应有机化合物分子里的某些________________被其他________________所替代的反应，称为取代反应。甲烷在______条件下与氯气反应，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和________。反应的化学方程式为：原子或原子团原子或原子团光照氯化氢CH4＋2O2――→点燃CO2＋2H2O___________________________甲烷的四种氯代产物都不溶于水。除_________常温下是气体外，其他三种都是液体。CH4＋Cl2――→光CH3Cl＋HCl；CH3Cl＋Cl2――→光CH2Cl2＋HCl；CH2Cl2＋Cl2――→光CHCl3＋HCl；CHCl3＋Cl2――→光CCl4＋HCl。CH3Cl思考感悟2．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？【提示】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。4．存在与用途甲烷是_______、沼气、油田气和_____________的主要成分。________是一种高效、低耗、污染小的清洁能源，也是一种重要的化工原料。天然气煤矿坑道气天然气自主体验解析：选B。沼气、天然气、坑道气的主要成分都是甲烷，煤气的主要成分是H2和CO。1．下列气体的主要成分不．是甲烷的是()A．沼气B．煤气C．天然气D．坑道气解析：选D。甲烷性质稳定，但在一定条件下可以和氯气、氧气等物质反应。2．(2011年南昌高一检测)下列关于甲烷的性质叙述不．正确的是()A．甲烷是一种无色、无味的气体B．甲烷的密度比空气的密度小C．甲烷极难溶于水D．甲烷性质稳定，不和其他物质反应3．按照教材实验装置，将甲烷和氯气以1∶4的体积比混合于大试管中，并将试管倒置于饱和食盐水中，用光照射大试管，有关现象的描述错误的是()A．试管内的黄绿色逐渐消失B．试管内液面逐渐上升C．试管内有油状物生成D．试管内气体黄绿色变浅，并不消失解析：选D。氯气全部反应，最终黄绿色消失。由于生成的氯化氢溶于水，致使液面上升，生成的有机物不溶于水，所以有油状物生成。课堂互动讲练1．CH4分子的空间构型为正四面体，4条C—H键的长度、强度和夹角完全相同，因此CH4分子中的4个氢原子性质完全相同。(1)若将CH4分子中的4个氢原子被其他的相同原子或原子团替代，则该原子形成的分子结构仍为正四面体，如CCl4；甲烷分子的正四面体结构(2)若CH4分子中的4个氢原子被其他的不同原子或原子团替代，则该原子形成的分子结构仍为四面体，但不属于正四面体，如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3。2．中学化学中常见的具有正四面体结构的物质有CH4、CCl4、P4、金刚石、晶体硅、NH＋4等。特别提醒：(1)CH4分子属于10电子分子。(2)CH4分子中的化学键均为共价单键。(2011年北京西城区高一检测)甲烷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，其理由是()A．CHCl3只有一种结构B．CH2Cl2只有一种结构C．CH4分子受热分解D．CH4的四个价键的长度和强度都相等例1【解析】CH4无论是正四面体结构还是平面正方形结构，都符合选项A、C、D的说法，故不能用选项A、C、D来确定CH4是何种结构；若CH4是平面正方形结构，则CH2Cl2有如下两种结构：和，而CH4为正四面体结构时，CH2Cl2就只有一种结构。因此可由CH2Cl2只有一种结构推知CH4为正四面体结构。【答案】B【规律方法】有机物中碳原子的正四面体结构有机物分子中，碳原子以四个单键与其他原子或原子团结合，该碳原子形成的分子结构就是四面体结构，若这四个原子或原子团相同，则该碳原子所形成的分子结构就是正四面体结构。变式训练1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()A．ⅠB．ⅡC．ⅢD．Ⅳ解析：选D。Ⅰ中只表示CH4的空间结构，但不表示原子相对大小；Ⅱ中只表示原子最外层电子成键情况；Ⅲ中用短棍突出化学键；Ⅳ中，既表示出分子的空间结构，又表示出分子中各原子的相对大小。1．甲烷与卤素单质的取代反应取代反应反应条件光照(强光照射会发生爆炸)反应物气态卤素单质和甲烷生成物卤化氢和各种卤代甲烷的混合物，其中卤化氢的量最多反应特点①卤素单质不同，反应速率不同②逐步取代，各步反应同时进行③取代1molH原子，消耗1molX2，生成1molHX特别提醒：(1)有机反应比较复杂，常伴随很多副反应发生，因此有机反应方程式中常用“―→”而不用“===”。(2)CH4与Cl2的取代反应逐步进行，相关化学方程式应分步书写。2．取代反应与置换反应的区别反应类型取代反应置换反应定义有机物分子内的某些原子或原子团被其他的原子或原子团替代的反应一种单质和一种化合物反应生成另一种单质和另一种化合物的反应反应类型取代反应置换反应反应特点(1)反应物：有机化合物与单质或化合物(2)生成物：不一定有单质(3)很多反应进行不完全，速度慢(1)反应物：一种单质和一种化合物(2)生成物：新的单质和新的化合物(3)一般能进行完全，速度快反应类型取代反应置换反应反应条件反应受催化剂、温度、光等的影响水溶液中置换反应遵循“以强制弱”原则举例Zn＋2HCl===ZnCl2＋H2↑CH4＋Cl2――→光CH3Cl＋HCl特别提醒：利用取代反应和置换反应的特点来判断所给反应的反应类型时，一要看反应物，即参加反应的是有机物还是无机物，若反应物均为无机物，则一定不属于取代反应；二要看生成物，若生成物中有单质，一般也不属于取代反应。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。例2(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________。A．CH3ClHClB．CCl4HClC．CH3ClCH2Cl2D．CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HCl(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(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】(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H原子可完全被取代，生成CCl4和HCl，(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。CH4＋4Cl2――→光照CCl4＋4HCl。(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――→光照CCl4＋4HCl(2)D(3)B(4)有白色胶状沉淀生成(5)平衡气压变式训练2把1体积CH4和4体积Cl2组成的混合气体充入大试管中，将此试管倒立在盛有AgNO3溶液的水槽中，放在光亮处，片刻后发现试管壁上有油状液滴出现，该油状液滴可能是____________________，水槽中还观察到__________，原因是____________________________(用离子方程式解释)。若向水槽中再滴入几滴紫色石蕊试液又观察到______________，原因是____________________________________。解析：CH4与Cl2反应的产物中，HCl极易溶于水，能电离出H＋和Cl－，其他产物均为有机物，部分呈气态，部分为油状液体。CH4和Cl2光照生成CH3Cl(气体)、CH2Cl2、CHCl3、CCl4、HCl，随着反应进行，Cl2不断消耗，黄绿色逐渐消失，又由于生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4常温下均为无色液体，Cl2易溶于有机溶剂，使试管壁上有黄色油滴；因生成的HCl易溶于水，反应后，试管内气体压强减小，在试管内水位上升，HCl溶于水后，与AgNO3反应生成AgCl白色沉淀，同时溶液中溶质为HCl，溶液显酸性故加入紫色石蕊试液后溶液变红。答案：CH2Cl2、CHCl3、CCl4有白色沉淀产生Ag＋＋Cl－===AgCl↓溶液变红反应生成的HCl溶于水使溶液显酸性探究整合应用随着世界性能源危机和环境污染问题的突出，利用甲烷菌在密闭的条件下分解各种有机物产生沼气，已经成为我国广大农村地区获得新能源和保护环境的重要手段之一。沼气的主要成分是CH4，还有少量CO2、H2S等。下面是某课外活动小组在实验室模拟沼气池发酵制取沼气、收集较纯净甲烷并测定产生甲烷体积的实验。如图所示，甲瓶是产生沼气的发酵瓶，将堆沤过的牛、马粪按比例均匀拌入沼气菌种，放进发酵瓶甲内，并加满水；乙瓶中充满水；丙瓶内盛有X溶液；丁为量筒。(1)按实验要求，将四个装置a～f各个导管口连接起来，其正确的顺序是a→____________→____________→________→________(均填接口字母)→f。(2)丙瓶内盛有的X溶液为________。A．浓氨水B．NaOH溶液C．CuSO4溶液D．盐酸(3)若要验证CH4中含有H2S气体，要在甲装置后增加一个洗气瓶装置，该装置中可盛放的试剂可能是________。A．浓氨水B．NaOH溶液C．CuSO4溶液D．盐酸(4)已知1000mL(标准状况)甲烷完全燃烧生成二氧化碳和液态水，放出39.75kJ的热量，则1mol甲烷完全燃烧生成二氧化碳和液态水所放出的能量为________。【解析】解答此类题的关键是根据实验目的，利用实验原理确定各装置的作用。(1)(2)从题中信息可以看出甲是制取甲烷的装置，乙和丁连接用来收集并测定甲烷体积，丙是除杂装置，主要是除去甲烷中的CO2、H2S，因此盛装碱液。(3)若要验证CH4中含有H2S气体，可以在甲装置后增加一个盛有CuSO4溶液的洗气瓶，若有黑色沉淀(CuS)生成，则可以证明气体中含有H2S。【答案】(1)decb(2)B(3)C(4)890.4kJ(4)1mol甲烷完全燃烧生成CO2和液态水放出的热量为22.4L×103mL·L－11000mL×3