2024年高中化学新教材同步必修第二册 第7章 第1节 第3课时　烷烃的性质

第3课时烷烃的性质[核心素养发展目标]1.了解烷烃的主要物理性质和化学性质,培养变化观念与平衡思想的素养。2.熟练掌握甲烷的主要性质,提高证据推理与模型认知能力。3.认识取代反应的概念及特点,培养微观探析及变化观念。一、烷烃的物理性质及可燃性1．烷烃的物理性质相似性递变性(随分子中碳原子数的增加)熔、沸点较低逐渐升高密度比水小逐渐增大状态气态→液态→固态,常温常压下分子中碳原子数n≤4的烷烃为气态(常温常压下,新戊烷为气态)溶解性难溶于水,易溶于汽油等有机溶剂2.烷烃的化学性质(1)通常情况下,烷烃比较稳定,与强酸、强碱或高锰酸钾等强氧化剂不发生反应。但物质的稳定性是相对的,在特定条件下,烷烃也会发生某些反应。(2)烷烃的氧化反应(燃烧)烷烃在空气中完全燃烧生成CO2和H2O,写出CH4、C3H8燃烧的化学方程式：CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(点燃))CO2＋2H2O；C3H8＋5O2eq\o(→,\s\up7(点燃))3CO2＋4H2O。试写出链状烷烃CnH2n＋2燃烧的通式：CnH2n＋2＋eq\f(3n＋1,2)O2eq\o(→,\s\up7(点燃))nCO2＋(n＋1)H2O。思考标准状况下,0.1mol某链状烷烃完全燃烧生成11.2LCO2。(1)写出该链状烷烃的分子式：________。(2)写出该链状烷烃燃烧的化学方程式：______________________________________。(3)该链状烷烃的同分异构体有多种,写出分子中含有4个甲基(—CH3)的结构简式：________。答案(1)C5H12(2)C5H12＋8O2eq\o(→,\s\up7(点燃))5CO2＋6H2O(3)解析(1)n(CO2)＝eq\f(11.2L,22.4L·mol－1)＝0.5mol,则1mol该链状烷烃含有5molC原子,该烷烃为C5H12。(3)C5H12的同分异构体有CH3CH2CH2CH2CH3、、三种,其中分子中含有4个甲基的为。(3)烷烃的分解反应烷烃在较高温度下会发生分解,常用于石油化工和天然气化工生产中。1．判断正误(1)常温常压下,CH4、C2H6和C3H8为气体,C4H10、C6H14呈液态()(2)在通常条件下,烷烃和硫酸、氢氧化钠不反应,和酸性KMnO4溶液也不反应()(3)在做甲烷、乙烷燃烧实验前,气体一定要验纯()(4)使用天然气(主要成分为CH4)的燃气灶,改用液化石油气(主要成分为C4H10),应增大进气量或减小进风量()(5)烷烃都能燃烧,且完全燃烧的产物一定是CO2和H2O()答案(1)×(2)√(3)√(4)×(5)√2．几种烷烃的沸点如下：烷烃甲烷乙烷丁烷戊烷沸点/℃－164－89－0.536根据以上数据推断丙烷的沸点可能是()A．－40℃ B．－162℃C．－89℃ D．36℃答案A解析随着碳原子数的增加,烷烃的沸点逐渐升高,丙烷的沸点应介于乙烷和丁烷的沸点之间。3．有两种气态烷烃的混合物,在标准状况下其密度为1.15g·L－1,则下列关于此混合物的组成说法不正确的是()A．一定有甲烷B．一定不存在乙烷C．可能是甲烷和乙烷的混合物D．不可能为乙烷和丙烷的混合物答案B解析该混合烷烃的平均摩尔质量为1.15g·L－1×22.4L·mol－1＝25.76g·mol－1,即平均相对分子质量为25.76,相对分子质量小于25.76的烷烃是CH4,其他烷烃都大于25.76,故混合物中一定有甲烷,A正确；乙烷的相对分子质量为30,可能有,也可能没有,B错误、C正确；乙烷和丙烷的相对分子质量都大于25.76,故不可能是乙烷和丙烷的混合物,D正确。二、烷烃的典型性质——取代反应1．烷烃的取代反应实验探究(以CH4与Cl2的反应为例)实验操作实验现象A装置：试管内气体颜色逐渐变浅；试管内壁有油状液滴出现,试管中有少量白雾,且试管内液面上升,水槽中有固体析出；B装置：无现象实验结论CH4与Cl2需在光照条件下发生化学反应,有关化学方程式为CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CH3Cl(一氯甲烷)＋HCl；CH3Cl＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CH2Cl2(二氯甲烷)＋HCl；CH2Cl2＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CHCl3(三氯甲烷或氯仿)＋HCl；CHCl3＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CCl4(四氯甲烷或四氯化碳)＋HCl产物性质水溶性：CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4均不溶于水。状态：常温下除CH3Cl是气体,其余三种均为液体数量关系每取代1mol氢原子,消耗1molCl2,生成1molHCl2.取代反应概念：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。思考若1mol甲烷和Cl2发生取代反应,生成相同物质的量的4种有机物,则需要Cl2的物质的量是多少？提示CH4和Cl2发生取代反应生成4种取代产物CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4,根据碳原子守恒,4种取代产物的物质的量分别为0.25mol,根据取代反应特点,CH4分子中1个氢原子被取代时消耗1个Cl2分子,则需要Cl2的物质的量等于被取代的氢原子的物质的量,即：0.25mol×(1＋2＋3＋4)＝2.5mol。烷烃取代反应特点(以CH4与Cl2的反应为例)(1)反应条件光照条件下与纯卤素单质反应。(2)连锁反应甲烷分子中的氢原子被氯原子逐步取代,第一步反应一旦开始,后续反应立即进行,且各步反应可同时进行。因此制取一氯代物,一般不采用取代反应。(3)数量关系CH4与Cl2发生取代反应时,每有1molH被取代,则消耗1molCl2,同时生成1molHCl；1molCH4与Cl2发生取代反应,最多消耗4molCl2。3．有机物的性质(1)物理性质：与无机物相比,大多数有机物的熔点比较低,难溶于水,易溶于汽油、乙醇、苯等有机溶剂。(2)化学性质：大多数有机物容易燃烧,受热会发生分解；有机物的化学反应比较复杂,常伴有副反应发生(有机化学方程式常用“→”连接反应物和生成物),很多反应需要在加热、光照或使用催化剂的条件下进行。1．判断正误(1)乙烷、丁烷等烷烃和氯水也可以发生取代反应()(2)CH4和Cl2按体积比1∶1混合,发生取代反应生成的产物只有两种()(3)CH4和Cl2发生取代反应时,每生成1molHCl,则有1molCl2参加反应()(4)CH4分子为正四面体结构,因此其生成物CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4都为正四面体结构()(5)CH4和Cl2发生取代反应的产物中,CH3Cl的含量最多()答案(1)×(2)×(3)√(4)×(5)×2．下列反应属于取代反应的是________(填序号)。①CH4eq\o(→,\s\up7(高温))C＋2H2②CuSO4＋Fe=FeSO4＋Cu③CH3Cl＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CH2Cl2＋HCl④2NaBr＋Cl2=2NaCl＋Br2⑤CH3OH＋HCleq\o(→,\s\up7(△))CH3Cl＋H2O⑥CH3CH2Br＋H2Oeq\o(→,\s\up7(NaOH),\s\do5(△))CH3CH2OH＋HBr⑦CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(点燃))CO2＋2H2O答案③⑤⑥解析①为CH4在高温下的分解反应；②和④为无机反应中的置换反应,也为氧化还原反应；⑦为CH4的燃烧,属于氧化反应,③⑤⑥属于有机反应中的取代反应。3.某课外活动小组利用如图所示装置探究甲烷与氯气的反应。根据题意,回答下列问题。(1)CH4与Cl2发生反应的条件是______________；若用日光直射,可能会引起_______。(2)实验中可观察到的实验现象有：试管内壁出现油状液滴,________,_______等。(3)实验中生成的油状液滴的分子式为__________,其中_________是工业上重要的有机溶剂。答案(1)光照爆炸(2)试管内黄绿色气体颜色变浅试管内液面上升(3)CH2Cl2、CHCl3、CCl4CHCl3和CCl41．下列关于烷烃性质的叙述正确的是()A．烷烃的沸点随碳原子数增加而逐渐降低B．烷烃易被酸性高锰酸钾溶液氧化C．在光照条件下,烷烃易与溴水发生取代反应D．烷烃的卤代反应很难得到纯净的产物答案D解析烷烃的沸点一般随碳原子数增加而逐渐升高,A项错误；烷烃通常情况下性质稳定,不与酸性高锰酸钾溶液反应,B项错误；在光照条件下,烷烃只能与纯净的卤素单质发生取代反应,不与溴水反应,C项错误；由于卤素原子取代烷烃分子中氢原子的位置和个数难以控制,故很难得到纯净的产物,D项正确。2．(2023·安徽安庆一中高一月考)下列关于甲烷的说法正确的是()①一氯甲烷分子具有正四面体结构②二氯甲烷有两种同分异构体③甲烷与Cl2在光照条件下发生取代反应,取代1molH需0.5molCl2④甲烷分子的四个C—H中,任意两个之间的键角均相等A．④B．②③C．③④D．①④答案A解析一氯甲烷中碳氯键和碳氢键键长不同,一氯甲烷具有四面体结构但不是正四面体结构,①错误；二氯甲烷无同分异构体,②错误；甲烷与Cl2在光照条件下发生取代反应,取代1molH时需要1molCl2,③错误。3．下列烷烃在光照条件下与氯气反应,只生成一种一氯代物的是()A．CH3CH2CH2CH3B．C．D．答案C解析A项,分子中有2种类型的氢原子,一氯代物有2种；B项,分子中有2种类型的氢原子,一氯代物有2种；C项,分子中6个甲基类型相同,氢原子只有1种类型,故一氯代物有1种；D项,分子中有4种类型的氢原子,一氯代物有4种。4．(2023·辽宁铁岭西丰高中高一期中)实验室中将盛有甲烷与氯气混合气体的量筒倒立在盛有饱和食盐水的水槽中,光照使其发生反应,下列说法错误的是()A．量筒中气体颜色逐渐变浅B．氯化氢极易溶于水,导致量筒中液面上升C．饱和食盐水能够抑制氯气的溶解D．通过量筒内壁上出现的油状液滴可以说明生成四种有机产物答案D解析Cl2被消耗,Cl2的量逐渐减少,所以气体颜色逐渐变浅；HCl溶于水导致量筒中压强减小,从而导致量筒中液面上升；饱和NaCl溶液中Cl—浓度高,从而抑制Cl2的溶解；该反应中产生了一氯甲烷(气体)、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳四种有机物,油状物有三种。5．如图是某同学利用日常用品注射器设计的简易实验装置。甲管中吸入10mLCH4,同温同压下乙管中吸入50mLCl2,将乙管气体推入甲管中,将针管放在光亮处片刻后,观察现象。(1)下列是某同学预测的实验现象：①气体最终变为无色；②实验过程中,甲管活塞向内移动；③甲管内壁有油珠；④产生火花。其中正确的是________(填序号)。(2)甲管中发生的化学反应类型为__________。(3)反应后,甲管中主要剩余气体最好用下列试剂中的________(填字母)吸收。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,若将甲管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紫色石蕊溶液,又观察到_____________________________________。答案(1)②③(2)取代反应(3)B(4)液体分为两层,产生白色沉淀溶液变红色解析在光照下,甲烷与氯气发生连锁反应：CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CH3Cl＋HCl,CH3Cl＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CH2Cl2＋HCl,CH2Cl2＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CHCl3＋HCl,CHCl3＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CCl4＋HCl。(1)理论上,甲烷与氯气体积比为1∶4时二者恰好完全反应,而该针管里氯气与甲烷体积比为5∶1＞4∶1,说明氯气过量,最终气体中仍有氯气。该反应进行缓慢,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,甲管活塞向内移动。(2)甲烷分子中的四个氢原子可被氯原子取代,故甲管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。(4)生成的HCl会与AgNO3反应生成AgCl白色沉淀,同时因CH2Cl2、CHCl3、CCl4难溶于水而看到液体分为两层,若加入几滴紫色石蕊溶液,溶液变红色。题组一烷烃的性质1．下列有关烷烃性质的叙述不正确的是()A．常温下烷烃与酸、碱、强氧化剂不反应B．烷烃都具有还原性,能被氧气氧化C．烷烃都能燃烧生成二氧化碳和水D．烷烃能使酸性高锰酸钾溶液褪色答案D解析烷烃为碳、氢元素组成的化合物,原子间均以单键结合,属于饱和烃,性质稳定,常温下与酸、碱、强氧化剂不反应,A正确、D错误；烷烃都能在氧气中燃烧,表现出还原性,B正确；烷烃为碳、氢元素组成的化合物,在氧气中完全燃烧生成二氧化碳和水,C正确。2．(2023·山东菏泽曹县一中高一段考)下列关于甲烷及烷烃的结构及性质的说法错误的是()A．烷烃均难溶于水,相对密度均小于1B．烷烃不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,因此烷烃不能发生氧化反应C．物质的沸点：正戊烷＞异戊烷＞新戊烷D．甲烷的空间结构为正四面体形,甲烷分子中4个共价键的长度相同,相互之间的夹角相等答案B解析烷烃能燃烧,因此能发生氧化反应,B错误。3．分子中含有2～5个碳原子的直链烷烃沸点的数据如下表所示：烷烃名称乙烷丙烷正丁烷正戊烷沸点/℃－89－42－0.536下列判断错误的是()A．正庚烷在常温、常压下肯定不是气体B．碳原子数大于4的烷烃在常温下一定为液体C．一般情况下,随分子中碳原子数增加,烷烃沸点逐渐升高D．一般情况下,随分子中碳原子数增加,烷烃的密度逐渐增大答案B解析根据表格中数据可知,随分子中碳原子数增加,烷烃的沸点逐渐升高,由于正庚烷分子中碳原子数大于正戊烷分子中的碳原子数,所以正庚烷在常温、常压下肯定不是气体,A项正确；一般情况下,随分子中碳原子数增加,烷烃的沸点逐渐升高,密度逐渐增大,C、D项正确；新戊烷在常温下为气体,B项错误。4．(2023·江西抚州南城二中高一月考)在常温常压下,甲烷和一定量氧气的混合气体88mL,点燃爆炸后,恢复到原来状况,剩余气体为56mL。原混合气体中甲烷的体积可能为()A．14mLB．16mLC．58mLD．66mL答案B解析甲烷燃烧的化学方程式为CH4＋2O2eq\o(→,\s\up7(点燃))CO2＋2H2O,水在常温下为液体,当有1体积甲烷完全燃烧时,气体体积减小2体积,则V(CH4)＝eq\f(88mL－56mL,2)＝16mL。5.已知有一种烃的结构类似自行车,简称“自行车烃”,如图所示,下列关于它的性质叙述正确的是()A．易溶于水B．可以发生取代反应C．其密度大于水的密度D．与环己烷互为同系物答案B解析烷烃都难溶于水,密度比水小,可以发生取代反应,A、C错误,B正确；“自行车烃”与环己烷二者结构不同,不满足分子式相差n个CH2原子团的要求,所以和环己烷不互为同系物,D错误。6．(2022·河北衡水高一期中)立方烷是一种新合成的烷烃,其分子结构为。下列有关它的说法错误的是()A．分子式为C8H8B．能燃烧C．能发生取代反应D．一氯代物有2种答案D解析由结构简式可知其分子式为C8H8；该物质属于烷烃,能燃烧,可以发生取代反应；该分子中只有1种氢,一氯代物有1种。题组二取代反应的理解及判断7．下列物质的一氯代物有4种的是()A．CH3CH2CH3B．CH3CH2CH(CH3)CH2CH3C．D．答案B解析CH3CH2CH3中含有2种等效氢原子,其一氯代物只有2种,A错误；CH3CH2CH(CH3)CH2CH3中含有4种等效氢原子,其一氯代物有4种,B正确；中含有2种等效氢原子,其一氯代物有2种,C错误；中含有3种等效氢原子,其一氯代物有3种,D错误。8．下列各组有机物中,其一氯代物的数目不相等的是()A．正戊烷和正己烷B．新戊烷和C．环戊烷()和乙烷D．丙烷和答案B解析正戊烷、正己烷有3种等效的H原子,其一氯代物有3种,A项不符合题意；新戊烷中所有H原子等效,其一氯代物只有1种；有2种等效H原子,其一氯代物有2种,B项符合题意；环戊烷、乙烷中所有H原子等效,其一氯代物均只有1种,C项不符合题意；丙烷及均有2种等效H原子,其一氯代物有2种,D项不符合题意。9．下列说法正确的是()A．链状烷烃的通式为CnH2n＋2,随着n的增大,碳元素的质量分数逐渐减小B．和互为同系物C．丙烷的空间填充模型为D．分子式为C2H6和分子式为C5H12的烷烃的一氯代物的数目不可能相同答案B解析随着碳原子数的增多,链状烷烃中碳元素的质量分数逐渐增大,A项错误；和的结构相似、分子组成相差一个CH2原子团,二者互为同系物,B项正确；丙烷的球棍模型为,C项错误；CH3CH3的一氯代物只有1种,C5H12有3种同分异构体,其中的一氯代物只有1种,D项错误。10．(2023·南昌二中高一月考)有以下5种物质：①CH3(CH2)3CH3；②CH3CH2CH2CH2CH2CH3；③(CH3)2CHCH2CH2CH3；④CH3CH2CH2CH3；⑤(CH3)2CHCH3。下列说法正确的是()A．沸点高低：②>①>③>④>⑤B．③的一溴代物有5种C．①③④⑤互为同系物D．①②③互为同分异构体答案B解析一般来说,烷烃分子中的碳原子数越多,沸点越高,碳原子数相同时,支链越多,沸点越低,故其沸点从高到低为②>③>①>④>⑤,A错误；(CH3)2CHCH2CH2CH3有5种不同化学环境的氢原子,故其一溴代物有5种,B正确；④⑤的分子式均为C4H10,二者互为同分异构体,C错误；①的分子式为C5H12,②③的分子式为C6H14,故②③互为同分异构体,①和②③互为同系物,D错误。11．(2023·辽宁抚顺高一期中)异辛烷在内燃机的汽缸里燃烧时抗震性较好,是优良的发动机燃料,异辛烷的球棍模型如图所示。下列说法正确的是()A．异辛烷的分子式为C7H16B．异辛烷中所有的碳原子共平面C．异辛烷与环己烷()互为同系物D．异辛烷可以发生取代反应和氧化反应答案D解析异辛烷的分子式为C8H18,A错误；异辛烷中的碳原子都是饱和碳原子,所有的碳原子不可能共平面,B错误；异辛烷与环己烷()结构不相似,不互为同系物,C错误。12．一定质量的链状烷烃X完全燃烧后生成17.6gCO2和9.0gH2O,下列说法不正确的是()A．X的分子式为C4H10B．X可能的结构简式为CH3CH2CH2CH3或(CH3)2CHCH3C．将X通入酸性KMnO4溶液中,溶液褪色D．X与Cl2在光照条件下发生取代反应,可能生成2种一氯代物答案C解析17.6gCO2和9.0gH2O的物质的量分别为0.4mol、0.5mol,据此可得C原子与H原子的个数之比为0.4mol∶1mol＝4∶10,故链状烷烃X的分子式为C4H10,A项正确；C4H10有两种结构,B项正确；烷烃不与酸性KMnO4溶液反应,故溶液不褪色,C项错误；正丁烷和异丁烷分子中都有2种氢原子,故无论是哪种丁烷与Cl2在光照条件下反应都能生成2种一氯代物,D项正确。13．(2023·江西赣州高一检测)某小组欲研究烷烃的某些性质,设计如图实验装置。回答下列问题：Ⅰ.烷烃可以发生取代反应。向下图的B中通入一定量的氯气和甲烷气体,混合均匀后通入C中硬质玻璃管中,夹紧C两端弹簧夹,用强光照射硬质玻璃管。(1)将实验室制得的Cl2先通过饱和食盐水的目的是______________________。(2)写出装置C中CH2Cl2与Cl2反应生成氯仿的化学方程式：_____________。(3)一段时间后,C中玻璃管内的实验现象：______________、______________。(4)若2molCH4与Cl2发生取代反应,测得生成4种有机取代产物的物质的量相等,则消耗的氯气的物质的量是_________mol。(5)某丁烷与氯气发生反应的产物之一为C4H9Cl,则分子式为C4H9Cl的同分异构体有________种。Ⅱ.烷烃可以发生氧化反应。将一定量的某烷烃在足量氧气中充分燃烧,并使产生的气体全部通入如图装置,得到如表所列的实验数据(U形管中干燥剂只吸收水蒸气且假设产生的气体被完全吸收)。实验前实验后干燥剂＋U形管的质量101.1g102.9g石灰水＋广口瓶的质量312.0g315.3g(6)试写出该烷烃的分子式为____________。答案(1)除去其中的氯化氢气体(2)CH2Cl2＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光))CHCl3＋HCl(3)玻璃管内壁上出现油状液滴气体的黄绿色变浅(4)5(5)4(6)C3H8解析(3)甲烷和氯气反应生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氯化氢,实验中可观察到玻璃管内的实验现象有气体的黄绿色变浅、玻璃管内壁上出现油状液滴。(4)将2molCH4与Cl2发生取代反应,测得4种有机取代产物的物质的量相等,则生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4的物质的量各为0.5mol,则消耗的氯气的物质的量是0.5mol×1＋0.5mol×2＋0.5mol×3＋0.5mol×4＝5mol。(6)实验前后石灰水和广口瓶的质量差为烷烃燃烧生成二氧化碳的质量,n(CO2)＝eq\f(315.3g－312.0g,44g·mol－1)＝0.075mol,实验前后干燥剂和U形管的质量差为烷烃燃烧生成水的质量,n(H2O)＝eq\f(102.9g－101.1g,18g·mol－