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第1课时甲烷的结构和性质1．掌握甲烷的分子结构。2．掌握甲烷的重要化学性质。3．认识典型的有机反应类型——取代反应的特点。4．了解甲烷的存在和用途。知识点一烃、甲烷的分子结构1．有机化合物和烃2．甲烷的存在甲烷是气、气、油田气和煤矿坑道气的主要成分。3．甲烷的分子结构(1)分子结构：分子模型分子式电子式结构式球棍模型比例模型CH4天然沼(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，夹角相等，具有结构相同正四面体[微练习]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解析：食盐、水中不含碳元素不属于有机物；石墨属于单质，不属于有机物；一氧化碳和碳酸钙都含有碳元素，但具有无机物的性质，不属于有机物，故选B。答案：B[微知识点]含有碳元素的化合物称为有机物，但有些含碳的物质如①CO、CO2；②碳酸；③碳酸盐；④碳化物(如CaC2)；⑤硫氰化物(如KSCN)等，因其结构和性质与无机物相似，属于无机物。[典例剖析][典例1]下列各图均能表示甲烷的分子结构，按要求回答下列问题。(1)甲烷的球棍模型是________，甲烷的电子式是________。(2)如果甲烷是平面形，则CH2Cl2应该有________种结构，实际CH2Cl2有________种结构，证明甲烷不是平面形，而是________结构，上面________更能反映其真实存在状况。[解析](1)4种形式都可表示甲烷，其中分子结构示意图(A)、球棍模型(C)及比例模型(D)均能反映甲烷分子的空间构型，但其中比例模型更能形象地表达出H、C的相对位置及所占比例；电子式(B)只反映原子最外层电子的成键情况。(2)甲烷的结构式为，其分子空间构型若为平面正方形结构，则二氯甲烷有、两种结构，实际上CH2Cl2只有1种结构，所以甲烷为正四面体结构。[答案](1)CB(2)21正四面体D有机物组成和结构的表示方法表示方法实例含义分子式CH4用元素符号表示物质分子组成的式子，可反映一个分子中原子的种类和数目最简式(实验式)CH4表示物质组成的各元素原子最简整数比的式子表示方法实例含义电子式用小黑点等符号代替电子，表示原子最外层电子成键情况的式子结构式①具有分子式所能表示的意义，能反映物质的结构②表示分子中原子的结合或排列顺序的式子，但不表示空间构型表示方法实例含义结构简式CH4结构式的简便写法，着重突出结构特点球棍模型小球表示原子，短棍表示化学键，展示了空间构型比例模型表明了原子的相对大小和空间的相对位置[温馨提示]根据甲烷的正四面体结构推知，有机物分子中碳原子以4个单键与其他原子相连：。若a、b、c、d相同，则a、b、c、d构成正四面体结构，如CCl4；若a、b、c、d不相同，则a、b、c、d构成四面体，但不是正四面体，如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3。[题组训练]题组一有机物的概念1．下列说法正确的是()A．含碳元素的化合物都是有机物B．完全燃烧只生成CO2和H2O的化合物都是烃C．大多数有机物分子中碳原子与碳原子之间或碳原子与其他原子之间相结合的化学键是非极性共价键或极性共价键D．有机物完全燃烧只可能生成CO2和H2O解析：A项，有机物通常是指含碳元素的化合物，但CO、CO2、Na2CO3等少数物质，虽含有碳元素，但其性质却跟无机物相似，故一般把它们归为无机物，错误。B项，完全燃烧只生成CO2和H2O，仅说明该化合物中含有C、H两种元素，但不能说明该化合物只由C、H两种元素组成，例如，乙醇(C2H6O)完全燃烧也只生成CO2和H2O，但乙醇不是烃，错误。C项，有机物中碳原子与碳原子之间不论是形成单键、双键或三键，都是非极性共价键，而碳原子与其他原子之间形成的化学键多为极性共价键，正确。D项，有些有机物除含碳、氢、氧外，还含有氮、硫、卤素、磷等，它们完全燃烧可能还会生成SO2、氮的氧化物等物质，错误。答案：C2．下列关于烃的说法正确的是()A．烃是指仅含有碳和氢两种元素的有机物B．烃是指分子里含碳元素的化合物C．烃是指发生燃烧反应后生成二氧化碳和水的有机物D．烃是指含有碳和氢两种元素的化合物解析：烃是指仅含有碳和氢两种元素的化合物，A正确，B、D错误。C项，烃仅含有碳和氢两种元素，燃烧能生成CO2与H2O，烃的含氧衍生物燃烧也能生成CO2与H2O，如乙醇(CH3CH2OH)、乙酸(CH3COOH)等，错误。答案：A题组二甲烷的结构3．下列对的叙述中正确的是()A．有两种结构B．只有一种结构C．含有非极性键D．有四种结构解析：可以认为该有机物是CH4分子中的四个H原子，分别被两个F原子、两个Cl原子替代后的产物。因为CH4分子是空间正四面体结构，所以该有机物中任意两个顶点原子之间都是相邻关系，即只有一种结构。C中，C—F键、C—Cl键都属于极性键。答案：B4．如图是CH4、CCl4、CH3Cl的分子球棍模型图。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，性质也相同解析：CH3Cl中含C—H和C—Cl两种不同的化学键，不是正四面体结构，A项错误；CH4、CCl4中各自的键完全等同，故为正四面体结构，B项正确；CH4中为C—H键，CCl4中为C—Cl键，二者不同，C项错误；CH4、CCl4是两种不同的物质，性质肯定不同，D项错误。答案：B知识点二甲烷的性质1．物理性质甲烷是色、味、溶于水的气体，密度比空气。2．化学性质(1)稳定性：甲烷比较稳定，与等强氧化剂不反应，与强酸、强碱也不反应。(2)氧化反应：①可燃性：纯净的甲烷在空气中安静地燃烧，火焰呈色，烟，反应的化学方程式为：CH4＋2O2――→点燃CO2＋2H2O。无无难小KMnO4淡蓝无②将CH4通入KMnO4(H＋)溶液时，KMnO4(H＋)溶液不褪色，说明CH4被KMnO4(H＋)溶液氧化。[特别提醒]①空气中甲烷的含量在5%～15.4%(体积分数)时遇火花将发生爆炸，故点燃甲烷之前要检验纯度。②有机反应比较复杂，常伴随很多副反应发生，因此，书写有机反应方程式时，通常用“―→”，而不用“===”。不能(3)取代反应：实验操作实验现象①试管内气体颜色逐渐，②②试管内壁有出现，③试管内有少量，④试管内液面上升，⑤水槽中有少量晶体析出。无明显现象结论在条件下CH4和Cl2发生了反应变浅油状液滴白雾光照甲烷与氯气的反应比较复杂，简单地说是四个H原子被Cl原子逐一取代。简写为CH4＋Cl2――→光照CH3Cl＋HCl；第二步：CH3Cl＋Cl2――→光照CH2Cl2＋HCl；第三步：CH2Cl2＋Cl2――→光照CHCl3＋HCl；第四步：CHCl3＋Cl2――→光照CCl4＋HCl。产物性质：CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4状态气体均为油状液体水溶性都难溶于水取代反应的概念：有机物分子里的某些被其他原子或原子团所替代的反应。原子或原子团[微练习]辨析下列说法的正误：(1)CO和H2CO3都是含碳化合物，两者都是有机物。()(2)在点燃甲烷气体之前必须检验其纯度。()(3)CH4的结构式是，所以甲烷是平面结构。()(4)甲烷和氯气的反应是置换反应。()(5)1mol甲烷与1mol氯气反应可以制取纯净的CH3Cl。()(6)有机物中没有单质。()答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)×(6)√[微知识点](1)甲烷与氯气无光照时，不发生反应；强光照射时会发生爆炸。(2)CH4通入氯水、溴水中不反应。(3)甲烷与氯气的取代反应逐步进行，相关化学方程式要分步书写。(4)当n(CH4)∶n(Cl2)＝1∶1时，并不只发生反应CH4＋Cl2――→光CH3Cl＋HCl，其他反应仍能发生。①甲烷逐步取代，各步反应同时进行，四种氯代有机物都存在；②生成物中HX最多；③每取代1molH原子，消耗1molX2，生成1molHX。即1molCxHy与Cl2发生完全取代，消耗Cl2最多为ymol。n(Cl2)＝n(H)＝n(HCl)。[典例剖析][典例2]若甲烷与氯气以物质的量之比1∶1混合，在光照下得到的有机产物是()①CH3Cl②CH2Cl2③CHCl3④CCl4A．只有①B．只有③C．①②③的混合物D．①②③④的混合物[解析]甲烷与氯气的反应是分步反应，得到的一氯代物(CH3Cl)再进一步转化为二氯代物、三氯代物、四氯代物。所以无论甲烷与氯气的物质的量之比是多少，都会得到各种氯代物及HCl的混合物。[答案]D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，反应缓慢(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)反应一般能进行完全，反应速率较大反应类型取代反应置换反应本质反应中无电子得失反应中有电子转移反应条件反应受催化剂、温度、光的影响水溶液中置换遵循“以强制弱”原则举例CH4＋Cl2――→光CH3Cl＋HClZn＋2HCl===ZnCl2＋H2↑[温馨提示]判断取代反应和置换反应类型时，一要看反应物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。[题组训练]题组一甲烷的取代反应1．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．溴水C．氯气D．酸性KMnO4溶液解析：甲烷与卤素单质可以发生取代反应，但是不能与溴水发生取代反应，甲烷难溶于水，溴单质与甲烷接触的机会少。答案：C2．将1molCH4与Cl2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Cl2的物质的量为()A．0.5molB．2molC．2.5molD．4mol解析：将1molCH4与Cl2发生取代反应，得到四种取代物的物质的量相等，则生成的CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各为0.25mol，该四种取代物中n(Cl)＝0.25mol×(1＋2＋3＋4)＝2.5mol，根据取代反应的特点知，n(HCl)＝2.5mol，故反应物中含氯原子的物质的量为5mol，则消耗氯气的物质的量n(Cl2)＝2.5mol。答案：C题组二甲烷的燃烧3．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解析：要证明CH4中含碳氢两种元素，可以通过其燃烧产物为CO2和H2O来证明，可选择②、③，但应当注意检验的先后顺序，即先证明水，后证明CO2。答案：D4．鉴别CH4、CO、H2三种无色气体的方法是()A．点燃——通入澄清石灰水——加入溴的四氯化碳溶液B．点燃——罩上小烧杯——加入澄清石灰水C．点燃——通入澄清石灰水D．点燃——通入酸性KMnO4溶液解析：根据燃烧后的产物来判断，甲烷燃烧后生成CO2和H2O，氢气燃烧后生成H2O，CO燃烧后生成CO2。在燃烧的火焰上方罩上一个干燥的小烧杯，出现水雾的是甲烷和氢气，没有水雾的是CO；然后在有水雾的两个小烧杯里加入澄清石灰水，出现浑浊的是甲烷，无现象的是H2。答案：B甲烷与氯气反应的实验探究[典例]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，设计的模拟装置如图所示：根据设计要求回答：(1)B装置有三种功能：①控制气流速度；②均匀混合气体；③____________________。(2)设V(Cl2)/V(CH4)＝x，若理论上欲获得最多的氯化氢，则x值应________。(3)D装置的石棉中均匀混有KI粉末，其作用是_______________________________________