高中化学 专题3 有机物的获得与利用 第一单元 天然气的利用 甲烷 第1课时教学案 苏教版必修

我带领班子成员及全体职工，积极参加县委、政府和农牧局组织的政治理论学习，同时认真学习业务知识，全面提高了自身素质，增强职工工作积极性，杜绝了纪律松散第1课时天然气的利用甲烷知识条目必考要求加试要求甲烷的分子组成、结构特征、主要性质(取代、氧化反应)bb能力要求1.会写甲烷的分子式、结构式、电子式，知道甲烷的结构特点。2.知道甲烷能发生氧化反应和取代反应，会写化学方程式。3.知道取代反应的概念和甲烷发生取代反应时的断键和成键情况。一、甲烷的存在、用途及结构1甲烷的存在与用途(1)甲烷的存在甲烷是天然气、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)甲烷的主要用途通常状况下，1mol甲烷完全燃烧放出890kJ能量。因此以甲烷为主要成分的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.结构式：用一条短线来表示一对共用电子的图式叫做结构式。2一个碳原子以4个单键与其他原子相结合时：(1)如果这4个原子相同，则分别在四面体的顶点上，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。1下列各图均能表示甲烷的分子结构，其中更能反映其真实存在状况的是()答案D解析在这几种形式中，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，但比例模型更能形象的表达出H、C的位置及所占比例；电子式只反映原子的最外层电子的成键情况。2以下关于甲烷的说法中错误的是()A甲烷分子是由共价键构成的分子B甲烷分子具有正四面体结构C甲烷分子中四个CH键是完全等价的键D甲烷分子中氢原子之间形成共价键答案D二、甲烷的性质1甲烷的物理性质甲烷是一种无色、无味、难溶于水、密度比空气小的气体。2甲烷的化学性质(1)氧化反应将甲烷在空气中点燃观察现象：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烧杯内壁变浑浊生成了二氧化碳甲烷燃烧的化学方程式为CH42O2CO22H2O。甲烷是优良的气体燃料，通常状况下，1mol甲烷在空气中完全燃烧，生成二氧化碳和水，放出890kJ热量。因此以甲烷为主要成分的天然气、沼气是理想的清洁能源。特别提醒点燃甲烷前必须检验纯度。空气中的甲烷含量在5%15.4%(体积)范围内时，遇火花将发生爆炸；煤矿中的瓦斯爆炸多数是甲烷气体爆炸引发的。将CH4通入酸性KMnO4溶液中，观察现象，试解释其原因。答案现象：酸性KMnO4溶液的紫红色不发生变化；原因：CH4分子为正四面体结构，结构对称，化学键不易断裂，通常情况下化学性质比较稳定。(2)取代反应按要求完成下列实验，并填写下表：实验操作实验现象A装置：试管内气体黄绿色逐渐变浅，试管内壁有油状液滴出现，试管中有少量白雾生成，试管内液面上升，水槽中有固体析出；B装置：无明显现象实验结论CH4与Cl2在光照时才能发生化学反应上述实验A中发生反应的化学方程式为CH4Cl2CH3ClHCl；CH3ClCl2CH2Cl2HCl；CH2Cl2Cl2CHCl3HCl；CHCl3Cl2CCl4HCl。取代反应是指有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应。CH4和Cl2反应的四种取代产物都不溶于水，除一氯甲烷常温下是气体外，其他三种都是油状液体。问题讨论a若把甲烷分子中的一个氢原子换成氯原子变成一氯甲烷，还是正四面体结构吗？答案因CH键与CCl键的长度不同，故CH3Cl是四面体结构，但不是正四面体结构。bCH4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？答案根据碳元素守恒，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。cCH3Cl、CCl4只有一种结构，能说明CH4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吗？答案不能。因为不论CH4分子是以碳原子为中心的正四面体结构，还是正方形的平面结构，CH3Cl、CCl4均只有一种结构。dCH2Cl2只有一种结构，能说明CH4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吗？答案能。因为如果CH4分子是以碳原子为中心的正四面体结构，则CH2Cl2只有一种结构；若CH4分子是正方形的平面结构，则CH2Cl2有两种结构，即：甲烷的化学性质(1)CH4的特征反应是能与卤素单质在光照条件下发生取代反应，但有机产物一般有多种。(2)CH4能发生的氧化反应就是燃烧，但其化学性质稳定，不能与强氧化剂如酸性KMnO4溶液反应，也不能与强酸、强碱反应。3下列叙述中错误的是()A点燃甲烷不一定会爆炸B甲烷燃烧放出大量的热，所以是一种很好的气体燃料C煤矿的矿井要注意通风并严禁烟火，以防爆炸事故的发生D点燃甲烷前不必进行验纯答案D解析甲烷与氧气混合达到一定比例范围时，点燃会发生爆炸，因此，甲烷点燃前要进行验纯。4在光照条件下，将等物质的量的甲烷和氯气充分反应，所得产物中物质的量最多的是()ACH3ClBCH2Cl2CCHCl3DHCl答案D解析在光照条件下，将等物质的量的甲烷和氯气充分反应，会发生取代反应，由于取代反应是逐步进行的，每一步在产生氯代烃的同时，都会产生HCl，所以在所得产物中物质的量最多的是HCl。1下列说法不正确的是()A甲烷是一种难溶于水的气体B天然气是一种高效、低耗、污染小的清洁能源C甲烷分子是一种对称的正四面体结构，四个CH键强度相同D甲烷不与任何物质反应答案D解析通常情况下，甲烷性质较稳定，与强酸、强碱、强氧化剂(酸性高锰酸钾溶液)等不反应，但在一定条件下能与氧气、卤素单质等发生反应。2已知正四面体形分子E和直线形分子G反应，生成四面体形分子L和直线形分子M(组成E分子的元素原子序数小于10，组成G分子的元素为第3周期的元素)。如下图所示，则下列判断中正确的是()A常温常压下，L是一种液态有机物BE是一种含有非极性键的分子C干燥的G能漂白有色物质D上述反应的类型是取代反应答案D解析本题实为用图像考查甲烷与氯气的反应。L为CH3Cl，常温常压下是一种气态有机物；E为甲烷，含有极性键；G为氯气，干燥的氯气不能漂白有色物质。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浓硫酸澄清石灰水无水硫酸铜。正确的顺序是()ABCD答案D解析要证明CH4中含有碳、氢两种元素，可通过证明CO2和H2O的存在来证明，可选择和；但应注意检验的先后顺序，即先证明水后证明CO2。4有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应叫取代反应。下列化学反应中不属于取代反应的是()ACH2Cl2Br2CHBrCl2HBrBCH3OHHClCH3ClH2OC2Na2H2O=2NaOHH2DCH3CH2BrH2OCH3CH2OHHBr答案C解析取代反应是指有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应。C项中的反应为置换反应，不是有机反应，更不是取代反应。5将含O2和CH4的混合气体充入有23.4gNa2O2的密闭容器中，电火花点燃，反应结束后，容器内于150时压强约为0，将残留物溶于水，无气体逸出。(1)原混合气体中O2和CH4体积比为_。(2)残留固体成分为_。答案(1)12(2)Na2CO3和NaOH解析(1)甲烷燃烧生成水和二氧化碳，过氧化钠与二氧化碳反应生成碳酸钠和氧气，该反应为2Na2O22CO2=2Na2CO3O2，过氧化钠与水反应生成氢氧化钠和氧气的化学反应为2Na2O22H2O=4NaOHO2，依题意，容器内于150 时压强约为0，将残留物溶于水，无气体逸出，这说明最后产物只能是Na2CO3和NaOH的混合物，根据原子守恒原理(尤其是CH4中C和H原子个数比为14)，可得2CH4O26Na2O2=2Na2CO38NaOH，所以原混合气体中O2和CH4体积比为12。(2)根据以上分析可知残留物是碳酸钠和氢氧化钠的混合物。基础过关题组一甲烷的分子组成、结构特征1下图是CH4、CCl4、CH3Cl的分子球棍模型图，下列说法正确的是()ACH4、CCl4和CH3Cl都是正四面体结构BCH4、CCl4都是正四面体结构CCH4和CCl4中的化学键均为非极性键DCH4、CCl4的结构相同，性质也相同答案B解析CCl4的分子结构同CH4相似，为正四面体结构，CH3Cl中的CH和CCl键不同，不是正四面体结构，而是四面体结构。2(2017浙江省瑞安中学月考)甲烷在氧气中燃烧后生成二氧化碳和水，从该实验事实中可以得出的结论是()A甲烷的分子式为CH4B甲烷气体中含碳元素和氢元素C甲烷分子中只含碳元素和氢元素D甲烷的化学性质比较稳定答案B题组二甲烷的性质及应用3在光照条件下，下列物质中能与甲烷反应的是()A盐酸BCl2CNaOH溶液D酸性KMnO4溶液答案B解析甲烷与氯气在光照的条件下能发生取代反应，所以答案选B。4(2017无锡高一检测)甲烷和氯气以物质的量比为11混合，在光照条件下，得到的有机产物是()CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HClA只有B和的混合物C只有D的混合物答案D5(2017泰安高一检测)三氯甲烷(CHCl3)又称氯仿，可用作麻醉剂，但在光照下易被氧化成剧毒的光气(COCl2)，其反应方程式为2CHCl3O22COCl22HCl。为了防止事故发生，在使用前要先检验一下是否变质，检验用的最佳试剂是()A溴水BNaOH溶液C淀粉碘化钾溶液DAgNO3溶液答案D6公元前一世纪，我国已使用天然气，天然气的主要成分为甲烷。下列关于甲烷的叙述中，错误的是()A通常情况下，甲烷跟强酸、强碱、强氧化剂不起反应B甲烷化学性质比较稳定，不能被任何氧化剂氧化C甲烷跟氯气反应无论生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3还是CCl4，都属于取代反应D甲烷的四种取代物都难溶于水答案B解析CH4的性质比较稳定，通常情况下，不与强酸、强碱、强氧化剂反应，而不是不能被任何氧化剂氧化，故A正确、B错误；CH4在光照条件下与Cl2发生取代反应，生成4种有机产物，它们是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4，且均难溶于水，故C、D均正确。7在一定的温度、压强下，向100mLCH4和Ar的混合气体中通入400mLO2，点燃使其完全反应，最后在相同条件下得到干燥气体460mL，则反应前混合气体中CH4和Ar的物质的量之比为()A14B13C12D11答案A解析Ar是稀有气体，不参与反应，反应前后气体的体积变化是由CH4燃烧生成的水引起的。设混合气体中CH4的体积为x。CH42O2CO22H2OV减小1mL2mL1mL2mLx(100mL400mL)460mL40mLx20mLAr的体积为100mL20mL80mL，CH4与Ar的体积之比为14，相同条件下，气体的体积之比等于物质的量之比，即n(CH4)n(Ar)14。8一定量的CH4燃烧后得到的产物是CO、CO2、H2O(g)，此混合物的质量为49.6g，当其缓缓通过足量的无水CaCl2时，气体质量减少25.2g，则混合气体中CO的质量为()A24.4gB13.2gC12.5gD11.2g答案D解析设产物中CO的物质的量为x，CO2的物质的量为y。由碳原子守恒可得CH4的物质的量为xy，又由氢原子守恒可得生成H2O的物质的量为2(xy)，即可得：44 gmol1y28 gmol1x2(xy)18 gmol149.6 g,2(xy)18 gmol125.2 g。则解得x0.4 mol，y0.3 mol，m(CO)0.4 mol28 gmol111.2 g。9有一种无色的混合气体可能由CH4、NH3、H2、CO、CO2和HCl组成。为确定其组成，进行了以下实验：将此混合气体通过浓硫酸，气体总体积基本不变；再通过过量的澄清石灰水，未见浑浊，但气体体积减少；把剩余气体在供氧的情况下燃烧，燃烧产物不能使无水硫酸铜变色。原混合气体含有()ACO和HClBCH4和NH3CCH4和HClDH2和CO2答案A解析由知，不含NH3；由知，不含CO2，含HCl；由知，不含CH4、H2，含CO。题组三取代反应10关于取代反应和置换反应的下列说法中，正确的是()A取代反应和置换反应中一定都有单质生成B取代反应和置换反应一定都属于氧化还原反应C取代反应大多是可逆的，反应速率慢，而置换反应一般是单向进行的，反应速率快D取代反应和置换反应的产物都是唯一的，不会有多种产物并存的现象答案C11下列反应属于取代反应的是()AC2H43O22CO22H2OBZnCuSO4=ZnSO4CuCNaClAgNO3=AgClNaNO3DCH2Cl2Cl2CHCl3HCl答案D解析取代反应是有机物分子中的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应。A项，C2H4的燃烧不是取代反应；B项为置换反应；C项为复分解反应；D项，Cl原子取代了CH2Cl2中的一个H原子，故属于取代反应。12在光照条件下，将1molCH4与Cl2反应，得到等物质的量的4种取代物，则消耗Cl2物质的量为()A1molB2molC2.5molD10mol答案C解析由于CH4Cl2CH3ClHCl、CH42Cl2CH2Cl22HCl、CH43Cl2CHCl33HCl、CH44Cl2CCl44HCl。1molCH4生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各为0.25mol，则消耗Cl2为(0.250.2520.2530.254)mol2.5mol。能力提升13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14)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。(1)假设甲烷与氯气充分反应，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体积之比为11，则得到的产物为_(填字母，下同)。ACH3ClHClBCCl4HClCCH3ClCH2Cl2DCH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HCl(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无法确定答案(1)CH44Cl2CCl44HCl(2)D(3)B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：CH44Cl2CCl44HCl。(2)甲烷与氯气的取代反应，是四步反应同时发生的，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生成油状液滴，U形管左侧生成的氯化氢气体易溶于水。压强减小，U形管右端液面下降，左端液面上升。14如下图是某同学利用日常用品注射器设计的简易实验装置。甲中注入10mLCH4，同温同压下乙中注入50mLCl2，将乙中气体推入甲中，用日光照射一段时间，气体在甲中反应。(1)下列是某同学预测的实验现象：气体最终变为红色；实验过程中，甲中活塞向内移动；甲中内壁有油珠；产生火花。其中正确的是_。(2)甲管中发生的化学反应类型为_。(3)反应后，甲中剩余气体能用下列试剂吸收的是_。A水B氢氧化钠溶液C硝酸银溶液D饱和食盐水(4)反应后，若将甲中的物质推入盛有适量AgNO3溶液的小试管中会观察到_。若再向其中滴入几滴石蕊溶液，又观察到_。答案(1)(2)取代反应(3)B(4)液体分为两层，产生白色沉淀溶液先变红后褪色解析在光照下，甲烷与氯气发生连锁反应：CH4Cl2CH3ClHCl，CH3ClCl2CH2Cl2HCl，CH2Cl2Cl2CHCl3HCl，CHCl3Cl2CCl4HCl。(1)理论上，甲烷与氯气体积比为14时二者恰好完全反应，而甲中氯气与甲烷体积比为5141，说明氯气过量，最终气体中仍有氯气。反应进行过程中不会产生火花。产物中只有氯化氢和一氯甲烷为气体，所以气体的总物质的量减小，内部压强减小，甲中活塞向内移动。(2)甲烷分子中的四个氢原子可被氯原子逐一取代，故甲中发生的是取代反应。(3)剩余气体中含有氯气和氯化氢，可用氢氧化钠溶液吸收剩余气体。(4)生成的HCl会与AgNO3反应生成AgCl白色沉淀，同时因CH2Cl2、CHCl3、CCl4均难溶于水而看到液体分为两层，因Cl2有剩余，若加入几滴石蕊溶液，溶液会先变红后褪色。15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，其设计的模拟装置如下：根据设计要求回答：(1)B装置有三种功能：控制气流速度；均匀混合气体；_。(2)E装置的作用是_(填字母)。A收集气体B吸收氯气C防止倒吸D吸收氯化氢(3)在C装置中，经过一段时间的强光照射，发现硬质玻璃管内壁有黑色小颗粒产生，写出置换出黑色小颗粒的化学方程式：_。(4)E装置除生成盐酸外，还含有油状有机物，从E中分离出油状有机物的最佳方法为_。该装置还有缺