（新课标）2019-2020学年高中化学 第三章 有机化合物 第一节 最简单的有机化合物——甲烷 第一课时 甲烷的性质学案 新人教版必修2

第一课时甲烷的性质学习目标核心素养1.认识甲烷的结构特点并会书写甲烷的分子式、结构式、电子式。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。1.微观探析：认识甲烷的组成、结构、性质和变化，形成“结构决定性质”的观念。2证据推理：通过分析、推理等方法认识甲烷的取代反应。一、有机化合物和烃二、甲烷1存在与用途(1)存在：是天然气、沼气、油田气、煤矿坑道气和可燃冰的主要成分。(2)用途：是一种高效、低耗、污染小的清洁能源，还是一种重要的化工原料。2分子结构(1)分子结构(2)空间结构3.物理性质4.化学性质通常状况下，甲烷比较稳定，与高锰酸钾等强氧化剂不反应，与强酸、强碱也不反应。(1)氧化反应(燃烧)现象：甲烷在空气中完全燃烧，火焰呈淡蓝色。化学方程式：ch42o2co22h2o。(2)取代反应实验探究(甲烷与cl2的取代反应)实验装置甲烷四种氯代产物的性质a水溶性：ch3cl、ch2cl2、chcl3、ccl4均难溶于水。b状态：常温下除ch3cl是气体，其余三种均为液体。取代反应的概念：有机物分子里的原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应。1正误判断(1)有机物都含有碳元素，则含有碳元素的化合物都是有机物()(2)烃是含有碳元素和氢元素的化合物()(3)天然气的主要成分是甲烷，其属于可再生能源()(4)在点燃甲烷气体之前必须检验其纯度()(5)甲烷与cl2的反应是置换反应()答案(1)(2)(3)(4)(5)2在西部大开发中，国家投巨资兴建“西气东输”工程，将西部蕴藏的丰富资源通过管道输送到东部地区。这里所指的“西气”的主要成分是()aco bch4ch2dnh3解析“西气”中的气指天然气，主要成分是ch4。答案b3下列物质中，在一定条件下，可与甲烷发生化学反应的是()a氯气b溴水c四氯化碳d酸性kmno4溶液解析甲烷与氯气在光照条件下发生取代反应。答案a知识点一有机物组成和结构的表示方法1.甲烷空间结构的三点拓展应用(1)若ch4分子中的4个氢原子全部被其他相同的原子或原子团替代，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或原子团替代，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。(3)由ch4的空间结构可推知ch3ch2ch3等有机物中的碳原子并不在一条直线上。2有机物组成和结构的表示方法【典例1】下图是ch4、ccl4、ch3cl分子的球棍模型图，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，性质也相同思路启迪分析有机物空间结构时，既要明确该有机物中碳原子的成键特点，又要关注与碳原子成键原子的数目及种类。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。答案b一个饱和碳原子以4个单键与其他原子相结合：(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。 针对训练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()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，但比例模型更能形象地表达出甲烷分子中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知识点二甲烷的取代反应1甲烷取代反应的相关规律反应条件甲烷与氯气无光照时，不发生反应；强光照射时会发生爆炸反应物甲烷与卤素单质反应，且卤素单质通常为气态。如甲烷与氯水、溴水不反应，但可以与氯气、溴蒸气发生取代反应生成物与氯气反应产物是ch3cl、ch2cl2、chcl3和ccl4四种有机物与hcl形成的混合物，很难出现有机产物全部是某一种产物的现象，生成物中hcl的物质的量最大反应特点卤素单质不同，反应速率不同逐步取代，各步反应同时进行取代1 mol h原子，消耗1 mol x2，生成1 mol hx2.甲烷与卤素单质发生取代反应时易错的四个方面(1)反应物：卤素单质(纯卤素)和甲烷，不能是卤素单质的水溶液。(2)生成物：卤化氢和卤代甲烷(四种)的混合物，其中卤化氢的物质的量最多。(3)反应条件：光照(室温下在暗处不发生反应)。(4)反应特点：用“”而不用“=”，仍遵守质量守恒定律，需要配平。【典例2】下列有关甲烷的取代反应的叙述正确的是()a甲烷与氯气的物质的量之比为11，混合发生取代反应只生成ch3clb甲烷与氯气的取代反应，生成的产物中ch3cl最多c甲烷与氯气的取代反应生成的产物为混合物d1 mol甲烷生成ccl4最多消耗2 mol氯气思路启迪解决此题目，既要准确掌握取代反应的概念及断键机理，又要明确甲烷与氯气反应生成的产物的种类及定量关系。解析甲烷与氯气一旦发生取代反应就不会停止在某一步，四种有机物都会产生，故得不到纯净的ch3cl，a错误，c正确；甲烷与氯气的反应中每取代1 mol氢原子，消耗1 mol氯气，生成1 mol hcl，故产物中hcl最多，b错误；1 mol甲烷生成ccl4最多消耗4 mol氯气，d错误。答案c(1)无论甲烷和氯气的比例如何，发生取代反应的产物都是ch3cl、ch2cl2、chcl3、ccl4和hcl的混合物。(2)甲烷与氯气发生取代反应的产物中，常温下ch3cl为气体，ch2cl2、chcl3和ccl4为液体。(3)甲烷分子中的一个氢原子被取代，需要一个氯分子，因此如果完全取代，1 mol ch4需要4 mol cl2才能完全转化为ccl4。针对训练2在标准状况下，22.4 l ch4与cl2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cl2为()a0.5 molb2 molc2.5 mol d4 mol解析解法一：守恒法1mol ch4与cl2发生取代反应，生成ch3cl、ch2cl2、chcl3、ccl4各0.25 mol，这四种取代物中n(cl)0.25 mol(1234)2.5 mol，根据取代反应特点，n(hcl)2.5 mol，故生成物中所含氯原子共2.5 mol2.5 mol5 mol，参加反应的cl2为n(cl2)2.5 mol。解法二：根据化学方程式进行计算设四种有机取代物的物质的量均为1 mol，写出取代反应总的化学方程式：4ch410cl2ch3clch2cl2chcl3ccl410hcl，由此可知，4 mol ch4正好与10 mol cl2反应，当1 mol ch4反应时，消耗cl2 2.5 mol。答案c1下列说法正确的是()a甲烷分子的比例模型为，其二氯取代物有2种结构b甲烷分子的球棍模型为c天然气不属于可再生能源d标准状况下，11.2 l ccl4中含有ccl键的数目为2na解析甲烷分子的比例模型为，其二氯取代物有1种结构，所以a项和b项均错误。天然气为化石燃料，属于不可再生能源，c项正确。标准状况下，ccl4是液态不是气态，所以11.2 l ccl4的物质的量不是0.5 mol，d错误。答案c2将1 mol甲烷与一定量的氯气混合于一量筒中，倒立于盛有饱和食盐水的水槽(如图所示)，对于此反应，有关叙述不正确的是()a该反应属于取代反应b该反应的条件是光照c该反应的生成物只有四种d该反应现象有量筒内气体颜色变浅，器壁上有油状液滴解析ch4与cl2在光照条件下发生取代反应，该反应的生成物有一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、氯化氢五种产物；所以现象是量筒内气体颜色变浅，器壁上有油状液滴。答案c3下列反应属于取代反应的是()ach4c2h2b2hicl2=2hcli2cch42o2co22h2odc2h6cl2c2h5clhcl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。选项a中的反应为分解反应；选项b中的反应为置换反应，不属于有机反应类型；选项c中的反应为甲烷的氧化反应。答案d4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之比为11，则得到的产物为_(填字母)。()ach3clhclbccl4hclcch3clch2cl2dch3clch2cl2chcl3ccl4hcl(3)经过几个小时的反应后，u形管右端的水柱变化是_(填字母)。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_。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，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2hclna2sio3=h2sio32nacl，所以观察到有白色胶状沉淀生成。(5)为了平衡气压，在u形管右侧插有一个玻璃管。答案(1)ch44cl2ccl44hcl(2)d(3)b(4)有白色胶状沉淀生成(5)平衡气压课后作业(十三) 基础巩固一、甲烷的结构、存在和用途1在我国的南海、东海海底已发现天然气(含甲烷等)的水合物，它易燃烧，外形似冰，被称为“可燃冰”。“可燃冰”的开采，有助于解决人类面临的能源危机。下列说法正确的是()甲烷属于烃类在相同条件下甲烷的密度大于空气甲烷难溶于水可燃冰是一种极具潜力的能源abcd解析甲烷是最简单的烃，难溶于水，因其相对分子质量为16，故相同条件下密度小于空气，甲烷燃烧放出较多的热量且产物为co2和h2o，所以可燃冰是一种极具潜力的能源，因此c项正确。答案c2能够证明甲烷分子空间结构为正四面体的事实是()a甲烷的四个碳氢键的强度相等b甲烷的四个碳氢键的键长相等c甲烷的一氯代物只有一种d甲烷的二氯代物只有一种解析甲烷无论是正四面体结构，还是正方形的平面结构，ch4中都含有4个相同的ch，键的强度、键长均相等；且一氯代物均只有一种。所以a、b、c三项错误；ch2cl2若是正方形的平面结构，则其结构应有两种，即，若是正四面体结构，则其结构只有一种；所以d项正确。答案d3下列关于甲烷分子结构的说法正确的是()a甲烷分子的电子式为，分子中各原子都达到8电子稳定结构b甲烷分子中的化学键全部为非极性键cch4分子比sih4分子稳定，说明碳元素的非金属性比硅元素的非金属性强dch3cl的四个价键的键长和强度相同，夹角相等解析甲烷分子中h原子最外层只有2个电子，不是8电子稳定结构，a项错误；甲烷分子中的化学键均为极性键，b项错误；元素的非金属性越强，其简单氢化物越稳定，反之也成立，c项正确；一氯甲烷中ccl键与ch键的键长和强度不同，故四个键的键角也不完全相等，d项错误。答案c二、甲烷的燃烧及相关计算4鉴别甲烷、一氧化碳和氢气等三种无色气体的方法是()a通入溴水通入澄清石灰水b点燃罩上涂有澄清石灰水的烧杯c点燃罩上干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解析点燃，用干燥的烧杯可以检验出是否生成水，从而确定原气体是否含有氢元素；用涂有澄清石灰水的烧杯可检验出是否生成co2，从而确定原气体中是否含有碳元素。答案c5将标准状况下11.2 l甲烷和22.4 l氧气混合点燃，恢复到原状况后，气体的体积为()a11.2 lb22.4 lc33.6 ld44.8 l解析ch42o2co22h2o，因标准状况下11.2 l甲烷与22.4 l氧气恰好完全反应生成11.2 l的co2气体，此时h2o不是气体，故选a。答案a三、取代反应的理解6下列化学反应中不属于取代反应的是()ach2cl2br2chbrcl2hbrbch3ohhclch3clh2oc2na2h2o=2naohh2dch3ch2brh2och3ch2ohhbr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。答案c7.(2018全国卷)实验室中用如图所示的装置进行甲烷与氯气在光照下反应的实验。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()解析甲烷与氯气在光照条件下发生反应：ch4cl2ch3clhcl，ch3clcl2ch2cl2hcl，ch2cl2cl2chcl3hcl，chcl3cl2ccl4hcl。黄绿色的氯气参加反应，逐渐减少，生成无色的气体，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，因此试管中有少量白雾。答案d8.如图所示，集气瓶内充满某混合气体，置于光亮处，将滴管内的水挤入集气瓶后，烧杯中的水会进入集气瓶，集气瓶内的气体是()co、o2cl2、ch4no2、o2n2、h2abcd解析一氧化碳与氧气在点燃条件下反应，在光照下不反应，且一氧化碳不溶于水，氧气难溶于水，所以压强不变化，烧杯中水不进入，故错误；甲烷和氯气在光照条件下发生取代反应，生成氯化氢气体，氯化氢极易溶于水，将滴管中的水挤入集气瓶后，集气瓶内压强减小，烧杯中水进入集气瓶，故正确；二氧化氮和氧气与水反应生成硝酸，将滴管内的水挤入集气瓶后，集气瓶内压强减小，烧杯中的水进入集气瓶，故正确；氮气与氢气在催化剂、加热条件下反应，在光照条件下不反应，压强不变化，烧杯中水不会进入，故错误。答案d9已知正四面体形分子e和单质分子g反应，生成四面体形分子l和分子m(组成e分子的元素的原子序数小于10，组成g分子的元素为第三周期的元素)，如图所示，则下列判断中不正确的是()a常温常压下，e、l均为气态有机物be是一种含有10个电子的分子c上述反应的类型是置换反应d上述4种物质中有3种为共价化合物解析正四面体形分子e，组成e分子的元素的原子序数都小于10，e由两种元素组成，灰色球只形成一个共价键，所以是h，黑色球表示c，所以e是甲烷；直线形分子g，组成g分子的元素为第三周期的元素，且g是双原子分子，所以g是cl2，该反应是甲烷和氯气发生取代反应生成一氯甲烷和氯化氢，即l是一氯甲烷，m是氯化氢。常温常压下，甲烷、一氯甲烷均是气体，a项正确；e是甲烷分子，含有10个电子，b项正确；甲烷中的氢原子被氯原子取代生成一氯甲烷，属于取代反应，生成物中没有单质，不是置换反应，c项错误；四种物质中甲烷、一氯甲烷和hcl属于共价化合物，所以4种物质中有3种为共价化合物，d项正确。答案c10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光照条件下甲烷与cl2反应的四种有机产物都难溶于水解析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，但不是不能被任何氧化剂氧化(如能燃烧)，a项正确，b项错误；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项均正确。答案b能力提升11下列关于甲烷的叙述中正确的是()a甲烷分子的空间构型是正四面体，所以，ch2cl2有两种不同构型b甲烷可以与氯气发生取代反应，因此，可以使氯水褪色c甲烷能够燃烧，在一定条件下会发生爆炸，因此，是矿井安全的重要威胁之一d甲烷能使kmno4溶液褪色解析a中，由于甲烷是正四面体结构，四个顶点中任意两个氢原子都是相邻关系，故ch2cl2不存在不同构型；b中，ch4只能跟氯气在光照下反应，与氯水不反应；d中，ch4比较稳定，不能被kmno4溶液氧化。答案c12一定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，当其缓慢经过无水氯化钙(足量)时，氯化钙增重25.2 g，则原混合气体中co2的质量为()a11.2 gb19.7 gc13.2 gd12.5 g解析25.2 g是甲烷燃烧生成的h2o(g)的质量，n(h2o)25.2 g18 g/mol1.4 mol，则甲烷的物质的量可由氢元素守恒求得：n(ch4)1.4 mol0.7 mol。则混合气体中co和co2的物质的量之和为0.7 mol，而其质量之和为49.6 g25.2 g24.4 g。据此可得下列方程组：n(co)n(co2)0.7 mol,28 g/moln(co)44 g/moln(co2)24.4 g，解得n(co)0.4 mol，n(co2)0.3 mol，则m(co2)0.3 mol44 gmol113.2 g。答案c13甲烷和氢气的混合气体v l，完全燃烧需要的氧气的体积也是v l(相同状况)，则原混合气体中甲烷和氢气的体积比为()a11b12 c21 d31解析设混合气体中ch4为x l，氢气为y l，依据以下反应：ch42o2co22h2o,2h2o22h2o，则解得：yv，xv；xyvv12。答案b14在光照条件下，ch4与cl2能发生取代反应。使1 mol ch4与cl2反应，待反应完全后测得四种有机取代产物的物质的量之比n(ch3cl)n(ch2cl2)n(chcl3)n(ccl4)1234，则消耗的cl2的物质的量为()a1.0 molb2.0 molc3.0 mold4.0 mol解析在光照条件下，ch4与cl2发生取代反应时，生成1 mol ch3cl消耗1 mol氯气，生成1 mol ch2cl2消耗2 mol氯气，生成1 mol chcl3消耗3 mol氯气，生成1 mol ccl4消耗4 mol氯气。四种有机取代产物的物质的量之比n(ch3cl)n(ch2cl2)n(chcl3)n(ccl4)1234，根据碳原子守恒可知，生成的n(ch3cl)、n(ch2cl2)、n(chcl3)、n(ccl4)分别是0.1 mol、0.2 mol、0.3 mol、0.4 mol，消耗的cl2的物质的量为0.1 mol20.2 mol30.3 mol40.4 mol3.0 mol。答案c15燃烧法是测定有机化合物分子式的一种重要方法。以下是通过燃烧法推断物质组成的过程，请回答下列问题：(1)某物质a在氧气中完全燃烧只生成二氧化碳和水。则说明_(填字母)。aa一定是烃ba一定含有c、h两种元素，肯定不含氧元素ca一定含有c、h两种元素，可能含有氧元素da一定含有c、h、o三种元素(2)甲烷在空气中完全燃烧的化学方程式为_。若2.24 l(标准状况下)甲烷完全燃烧后，将生成的气体通过足量碱石灰，那么碱石灰增重的质量是_ g。解析(1)a在氧气中完全燃烧只生成二氧化碳和水，说明a一定含有c、h两种元素，由于氧气参与反应，故无法确定是否含有氧元素。(2)由甲烷完全燃烧的化学方程式ch42o2co22h2o知，2.24 l(0.1 mol)甲烷完全燃烧生成0.1 mol co2和0.2 mol h2o，通过碱石灰被完全吸收，碱石灰增重为0.1 mol44 gmol10.2 mol18 gmol18 g。答案(1)c(2)ch42o2co22h2o816如下图是某同学利用日常用品注射器设计简易实验装置。甲中注入10 ml ch4，同温同压下乙中注入50 ml cl2，将乙中气体推入甲中，用漫散光照射一段时间，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)甲管中发生反应的反应类型为_。(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_。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。反应过程中不会产生火花。产物中只