2020届高三化学一轮复习教案19——有机化学：甲烷（原创）

最简单的有机化合物甲烷（原创）【备考目标】1.初步认识有机化合物种类繁多的原因。2.了解甲烷的结构，掌握甲烷的性质。3.理解取代反应的概念。4.了解烷烃的组成和结构，了解简单烷烃的命名。5.理解同系物、同分异构体的概念。【要点精讲】 要点1：有机化合物【典例1】为了减少大气污染，许多城市推广汽车使用清洁燃料。目前使用的清洁燃料主要有两类，一类是压缩天然气（CNG），另一类是液化石油气（LPG）。这两类燃料的主要成份都是（ ）A碳水化合物 B碳氢化合物 C氢气 D醇类【解析】清洁燃料有很多种，例如氢气、甲醇、酒精、天然气、石油气、燃料电池等。题目中给出的CNG是压缩天然气，主要成分是甲烷；LGP是液化石油气，主要成分是丙烷、丁烷等小分子烷烃。他们作为燃料燃烧产物都是CO2和H2O，对空气污染小。题中的四个选项都较为熟悉。压缩天然气名称中有“天然气”字样，液化石油气名称中有“石油气”字样，都提示了他们属于烷烃类，烃类就是碳氢化合物，所以B选项是正确选项。碳水化合物是糖类化合物的旧称，醇类虽然也可以作为清洁燃料，但是都另外含有氧元素，不是烃类，氢气也是清洁燃料，但不符合题意。【答案】B【点评】本题以推广汽车的清洁燃料为背景，体现化学在社会发展及改善环境方面所起的作用。解答本题要熟悉有机化合物的概念和生活知识。【举一反三】1. 用于制造隐形飞机物质具有吸收微波的功能，其主要成分的结构如图，它属于A无机物 B烃C高分子化合物 D有机物 2. 据估计，地球上的绿色植物通过光合作用每年能结合来自CO2中的碳1500亿吨和来自水中的氢250亿吨，并释放4000亿吨氧气。光合作用的过程一般可用下式表示：CO2 + H2O + 微量元素(P、N等) (蛋白质、碳水化台物、脂肪等)+O2 光能叶绿素 下列说法不正确的是 A某些无机物通过光合作用可转化为有机物B碳水化合物就是碳和水组成的化合物 C叶绿素是光合作用的催化剂D增加植被，保护环境是人类生存的需要 要点2：甲烷：1.甲烷的结构 甲烷分子是空间正四面体的立体结构，碳原子位于正四面体的中心，四个氢原子分别位于正四面体的四个顶点上。也就是说：甲烷分子中的四个CH键是完全相同的。由于有机物的立体结构式书写和使用都很不方便，因此一般采用平面的结构表示。由于在甲烷分子中的四个价键都被氢原子满足了，因而碳原子不可能再结合其他的原子或原子团，而只能用其他原子或原子团代替与碳原子结合的氢原子，即只能发生取代反应。2.甲烷的性质甲烷的化学性质：通常状况下，甲烷的性质比较稳定，与酸性高锰酸钾溶液等强氧化剂不发生反应，与强酸、强碱等也不发生反应。但在一定条件下，甲烷可以发生如下反应：（1）甲烷的氧化反应：CH4 + O2 CO2 + 2H2O 思考：怎样检验甲烷气体的纯度？ 煤矿中的瓦斯爆炸多数是由甲烷气体爆炸引发的，为了防止事故的发生，必须采取通风、严禁烟火等安全措施。 （2）甲烷的取代反应：（取代反应的方程式）室温时，甲烷与氯气在光照的条件下发生反应，生成了氯化氢气体和其他有机物，其反应的化学方程式为：CH4+Cl2 CH3Cl+HCl CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl 在上述反应里，甲烷分子中的氢原子逐步被氯原子替代，生成四种不同的取代产物。 甲烷的四种氯代产物难溶于水。除一氯甲烷常温下是气体外，其他三种产物都是油状液体。因此在试管内壁有油状液体生成。三氯甲烷俗称氯仿，曾被用做麻醉剂，它和四氯化碳还是重要的工业溶剂。注意：该实验的条件是光照，但绝不是强光直接照射，而是用慢散光（或有光亮的地方）否则会因反应剧烈而爆炸。 不仅甲烷能发生取代反应，许多有机化合物也能发生取代反应。【典例2】已知天然气的主要成分CH4是一种会产生温室效应的气体，等物质的量的CH4和CO2产生的温室效应，前者大。下面是有关天然气的几种叙述：天然气与煤、石油相比是较清洁的能源；等质量的CH4和CO2产生的温室效应也是前者大；燃烧天然气也是酸雨的成因之一。其中正确的是（ ）A.是、 B.只有 C.是和 D.只有【解析】在大气圈的上层有许多种气体，他们包裹着地球，减少热量散发，使得地球好象处在温室之中。这些气体都可以称做温室气体（如CH4和CO2等）。人类进入工业社会后，由于大量使用化石燃料，使大气中CO2含量有较大幅度增加，因此人们把地球变暖的主要原因归咎于CO2。一提到温室气体就联想到CO2。其实，CH4不但也是一种温室气体，而且其温室效应还是CO2的3.7倍。题干指出，天然气的温室效应比CO2要大，是有根据的。但人们并不因为它是温室气体而拒绝用它做燃料，却是有原因的：天然气中不含S及其化合物，是较清洁的燃料；燃烧后生成等物质的量的CO2，与直接排放CH4相比并没有增加温室气体的物质的量；民用天然气可用管道运输，比较方便。【答案】C【点评】本题在天然气使用的利弊上设问，引导学生经常用化学视角考虑社会生产和生活问题。【举一反三】1.近年来，科学家在海洋中发现了一种冰状物质可燃冰，其有效成分是甲烷。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A. B. C. D.第28届国际地质大会提供的资料显示，海底有大量的天然气水合物，可满足人类 1000年的能源需要。天然气水合物是一种晶体，晶体中平均每46个水分子构建成8个笼，每个笼可容纳五个CH4分子或1个游离H2O分子。根据上述信息，完成第2、3题：2下列关于天然气水合物中两种分子极性的描述正确的是A.两种都是极性分子 B.两种都是非极性分子C.CH4是极性分子，H2O是非极性分子 D.H2O是极性分子，CH4是非极性分子3若晶体中每8个笼只有6个容纳了CH4分子，另外2个笼被游离H2O分子填充，则天然气水合物的平均组成可表示为A.CH414H2O B.CH48H2O C.CH4(23/3)H2O D.CH46H2O【典例3】对于CH2Cl2的有关叙述不正确的是（ ）A.有两种不同的结构 B.在常温下可能呈液态C.不是正四面体形 D.属于烃类【解析】CH2Cl2是CH4与Cl2光照发生取代反应的产物之一。由于CH4属于正四面体形，碳原子位于正四面体的中心，四个氢原子分别位于正四面体的四个顶点，故其中的两个氢原子被两个氯原子取代后生成的CH2Cl2仍属于四面体结构，但由于CH键与CCl键的长度不同，故CH2Cl2不属于正四面体。又由于四面体的四个顶点彼此相邻，故CH2Cl2不存在同分异构体，即只有一种结构。因为甲烷、一氯甲烷是气态的，所以二氯甲烷可能是液态的。烃是仅有碳氢两种元素组成的一类有机化合物，故CH2Cl2不属于烃类。【答案】AD【点评】本题借助于CH2Cl2的某些结构和性质考查对甲烷空间结构的理解和掌握。解答本题要了解甲烷的空间结构。【举一反三】1.下列物质分子中，属于正四面体结构的是（ ） A.CCl4 B.CHCl3 C.CH2Cl2 D.CH3Cl2.以下关于甲烷的说法中错误的是（ ） A.甲烷是一种非极性分子 B.甲烷分子具有正四面体结构 C.甲烷分子中的四个CH键是完全等同的键 D.甲烷分子中具有非性键【典例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大的是（ ） A. CH3Cl B. CH2Cl2 C. CHCl3 D. HCl【解析】光照条件下，甲烷和氯气发生取代反应：CH4+Cl2 CH3Cl+HCl CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl 尽管甲烷和氯气的反应复杂，产物较多，但肯定每一步反应都会产生HCl。【答案】D【点评】本题考查甲烷的取代反应。解答类似的题目，要熟练掌握甲烷与氯气发生取代反应的条件、产生的现象等。【举一反三】1.在光照条件下，下列各组混合物几乎没有发生反应的是（ ） A.甲烷和溴蒸气 B.甲烷和氧气 C.甲烷和氯气 D.氢气和氯气2.如图所示,将氯气和甲烷(体积比41)的混合气体放在光亮的地方,现列出如下现象： (1)试管内的黄绿色气体逐渐消失 (2)试管内的黄绿色加深 (3)无任何现象 (4)试管内液面上升 (5)试管内壁有油状物生成 其中正确的描述是( ) A.只有(1) B.(1)、(4)、(5) C.(1)、(5) D.(2)、(5)要点3：同系物、同分异构现象、同分异构体（1）同系物：研究烷烃的分子式可以发现：相邻烷烃分子在组成上均相差一个CH2原子团，如果烷烃中的碳原子数为 n ，烷烃中的氢原子数就是 2 n +2，烷烃的分子式可以用通式Cn H2 n +2表示。像这种结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质互称为同系物。（2）烷烃的命名：烷烃中最简单的烷烃是甲烷，其余随碳原子数的增多，依次为乙烷、丙烷、丁烷等。碳原子数在十以内时，以甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸依次为碳原子数；碳原子在十以上，以汉字数字表示，如C11H24叫“十一烷”。（3）同分异构现象、同分异构体：在研究丁烷的组成和性质时，人们发现有两种丁烷，它们的组成和相对分子质量完全相同，但性质却有一定的差异。为了区别起见，人们把CH3CH2CH2CH3 叫正丁烷，把CH3CHCH3 叫异丁烷。 CH3 像这样：化合物具有相同的化学式，但具有不同结构的现象，叫做同分异构现象；具有相同化学式而结构不同的两种化合物互为同分异构体。 一般来说，有机化合物分子中碳原子数越多，它的同分异构体数目就越多。如戊烷（C5H12）有三种同分异构体、己烷（C6H14）有五种同分异构体。 有机化合物结构的多样性是导致有机化合物种类繁多，数量巨大的主要原因，正是结构的多样性，使有机化合物大家族异彩纷呈，拥有许多性质奇妙、功能特异的物质。【典例5】下列说法正确的是（ ） A.凡是分子组成上相差一个或几个CH2原子团的物质，彼此一定是同系物 B.两种化合物组成元素相同，各元素的质量分数也相同，则二者一定是同分异构体 C.相对分子质量相同的几种化合物，互称为同分异构体 D.组成元素的质量分数相同，且相对分子质量也相同的不同化合物，互为同分异构体【解析】（1）分子组成上相差一个或几个CH2原子团的物质，其分子结构不一定相似。如CH3CH=CH2与CH2CH2 。A说法错误。 CH2CH2（2）若两种化合物组成元素相同，各元素的质量分数也相同，则它们的最简式必定相同。最简式相同的化合物可能是同分异构体，也可能不是同分异构体。如CH3(CH2)2CH3与CH3CH(CH3)2，CH2=CH2与CH2=CHCH3。B说法错误。（3）相对分子质量相同的物质是很多的，如无机物中的磷酸与硫酸，有机物中的乙醇与甲酸，这些物质都具有相同的相对分子质量，但由于它们的分子组成不同，所以它们不是同分异构体。C说法错误。（4）当不同化合物组成元素的质量分数相同，相对分子质量也相同时，其分子式一定相同，因此这样的不同化合物互为同分异构体。【答案】D【点评】本题解答的关键是吃透同系物和同分异构体的概念。该体的分析过程实际是对概念的辨析过程。对一个概念的理解我们不能仅仅停留在表面，一定要通过分析对比，从对比中理解，从辨析中掌握，这是学习化学基本概念的思想方法。【举一反三】1. 下列叙述正确的是（ ） A.两同系物之间相对分子质量相差14或14的整数倍 B.同分异构体的结构不同，其化学性质一定不相似 C.同系物的化学性质相似 D.相对分子质量相同而结构不同的有机物互为同分异构体 2. 互为同分异构体的物质不可能是（ ） A.具有相同的相对分子质量 B.具有相同的熔、沸点和密度 C.具有相同的分子式 D.具有相同的组成元素3.已知丙烷的二氯代物有四种结构,则其六氯代物的同分异构体有( ) A.2种 B.3种 C.4种 D.5种要点总结：1.有机物分子式的确定（1）根据气体的密度和有机物中各元素的质量分数，确定该气态有机物的分子式。（2）根据各元素的质量分数，求出有机物的最简式，从而确定最简式的相对分子质量，然后根据有机物的相对分子质量确定分子式。2.烃类的燃烧（1）烃完全燃烧前后气体体积的变化：CxHy + (x+y/4)O2 xCO2 + y/2H2O燃烧后温度高于100时，水为气态：燃烧前后体积变化V = y/41y = 4时，V = 0，体积不变y 4时，V 0，体积增大y 4时，V 0，体积减小燃烧后温度低于100时，水为液态：燃烧前后体积变化V = y/4+1，体积总是减小无论水为气态，还是液态，燃烧前后气体体积的变化都只与烃分子中的氢原子有关，而与烃分子中的碳原子无关。（2）烃类完全燃烧时的耗氧量：CxHy + (x+y/4)O2 xCO2 + y/2H2O相同条件下等物质的量的烃完全燃烧时，(x+y/4)值越大，耗氧量越大；质量相同的有机物，其含氢百分率（或y/x值）越大，耗氧量越大；质量相同的烃CxHy，y/x值越大，生成的CO2越多；若y/x值相同，质量相等，则生成的CO2和H2O均相等。碳的质量分化素相同的有机物（最简式可以相同，也可以不同），只要总质量一定，以任意比混合，完全燃烧后产生的CO2的量是一个定值。不同的有机物完全燃烧时，若生成的CO2和H2O的物质的来年感之比相同，则它们分子中C原子与H原子的原子个数比也相同。演练提高1.为了防止瓦斯爆炸，可采取的措施有a.定期检查矿井内瓦斯的浓度，保持矿井内有良好的通风状况 b.定期向矿井内撒石灰粉，以除去矿井内的瓦斯 c.用矿井通风和控制瓦斯涌出的方法，防止瓦斯浓度超标 d.定期向矿井内喷洒水，以保持矿井内空气湿润 e.杜绝一切非生产用的火光 f.矿工带上防毒面具，以防不测。其中不正确的是（ ） A.abce B.ace C.acde D.acef2.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键能相等 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3.常温下把体积相同的甲烷和氯气充入一个无色的集气瓶中，光照一段时间后，发现气体的黄绿色变浅，集气瓶上有淡黄绿色液滴，此时集气瓶中最多含有气体物质的种数是（ ） A.5种 B.6种 C.4种 D.3种4.关于有机物的说法正确的是（ ） A.有机物只能从动植物的有机体中提取 B.所有的有机物所起的反应,都比较复杂,速率缓慢,并且还常伴有副反应发生 C.所有的有机物都易燃烧 D.有机物都含有碳元素,但含碳化合物不一定都是有机物5.某有机物在氧气中充分燃烧,生成的水和二氧化碳的物质的量之比为11,由此可以得出的结论是 ( ) A.该有机物分子中C、H、O 原子个数比为123 B.该有机物分子中C、H 原子个数比为12 C.有机物中必定含O D.有机物中必定不含O6.同分异构体具有（ ）A.相同的相对分子质量和不同的组成B.相同的分子组成和不同的相对分子质量C.相同的分子结构和不同的相对分子质量D.相同的分子组成和不同的分子结构 7. 将标准状况下的11.2L甲烷和22.4L氧气混合点燃，恢复到原状况时，气体的体积共（ ） A.11.2L B.22.4L C.33.6L D.44.8L8.关于CH4和CH3CHCH2CH3的叙述正确的是（ ） CH3 A.均能用Cn H2 n +2组成通式来表示 B.与所有烷烃互为同素异形体 C.因为它们的结构相似，所以它们的化学性质相似，物理性质相同 D.通常状况下它们都是气态烷烃9.有一类组成简单的有机硅化合物叫硅烷，它的分子组成与烷烃相似。下列说法错误的是（ ） A.硅烷的分子通式可表示为SinH2n+2 B.甲硅烷燃烧生成二氧化硅和水 C.甲硅烷的密度小于甲烷 D.甲硅烷的热稳定性强于甲烷10.根据下表中烃的分子式排列规律，判断空格中烃的同分异构体数目是（ ）12345678CH4C2H4C3H8C4H8C6H12C7H16C8H16 A.3 B.4 C.5 D.611. 写出下列物质的分子式：（1）分子中含有14个氢原子的烷烃 ；（2）相对分子质量为44的烷烃 ；（3）碳、氢原子个数比为25的烷烃 ；（4）含碳元素质量分数约为83.7%的烷烃 。12. 在贮气瓶中装有一种无色、无味的气体，怎样用实验的方法证明此气体是甲烷，而不是氢气或一氧化碳。13. 燃烧有甲烷与氢气组成的混合气体。如果安全燃烧后，生成CO2的质量刚好等于原混合气体的质量，则此混合气体中甲烷和氢气的体积比是 。 如果完全燃烧后，消耗了等体积的氧气，则此混合气体中甲烷和氢气的质量比为 。14. 有效地利用现有能源和开发新能源已受到各国的普遍重视。（1）可用改进汽油组成的办法来改善汽油的燃烧性能。例如，加入CH3OC(CH3)3来生产“无铅汽油”。CH3OC(CH3)3分子中必存在的原子间连接形式有（填写编号）。 C= O C=C COC CCCC（2）天然气的燃烧产物无度、热值高、管道输送方便，将成为我国西部开发的重点之一，天然气常和石油伴生，其主要成分是 。能说明它是正四面体而非正方形平面结构的理由是 （填写编号）。 其一氯代物不存在同分异构体 其二氯代物不存在同分异构体 碳原子与氢原子之间以共价键结合 四个碳氢键是完全等价的（3）1980年我国首次制成一辆燃氢汽车，乘员12人，以50km/h行驶了40km。为了有效发展民用氢能源，首先必须制得廉价的氢气。下面可供开发又较经济的制氢方法是 （填写编号）。 电解水 锌和稀硫酸反应 光解海水其次，制得氢