学年高一化学人教版必修二教学案第三章 第一节 最简单的有机化合物甲烷 Word版含答案.docx
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学年高一化学人教版必修二教学案第三章第一节最简单的有机化合物甲烷Word版含答案
第1课时 甲烷的性质
1.了解有机化合物的概念。
2.掌握甲烷的分子结构,了解甲烷的物理性质及存在、用途。
3.掌握甲烷的化学性质,认识取代反应的特点。
1.有机物指的是绝大部分含碳元素的化合物,也有少量含该元素的化合物为无机物,如CO、CO2、H2CO3及碳酸盐等。
其中只含碳、氢元素的化合物称为烃,最简单的烃是甲烷。
生活、生产中常见的有机物有糖类、油脂和蛋白质等。
2.甲烷是一种无色、无味的气体,密度比空气小,极难溶于水。
在自然界中,甲烷存在于天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气中。
“西气东输”工程中的气体主要是甲烷,发生瓦斯爆炸的主要气体是甲烷。
3.甲烷的分子式为CH4,电子式为
,结构式为
,甲烷的4个C-H键的长度和强度相同,夹角相等,具有正四面体结构。
4.写出下列反应的化学方程式
(1)甲烷与氧气的反应:
CH4+2O2
CO2+2H2O。
(2)甲烷与氯气的反应:
CH4+Cl2
CH3Cl+HCl、CH3Cl+Cl2
CH2Cl2+HCl、CH2Cl2+Cl2
CHCl3+HCl、CHCl3+Cl2
CCl4+HCl。
[新知探究]
1.已知甲烷的密度在标准状况下是0.717g/L,含碳75%,含氢25%,利用这些数据怎样确定它的分子式?
提示:
甲烷的摩尔质量为M=22.4L/moL×0.717g/L=16g/moL
1mol甲烷气体中含碳原子的物质的量:
=1mol,
1mol甲烷气体中含氢原子的物质的量:
=4mol,
所以甲烷的分子式为CH4。
2.实验测得甲烷分子中4个C-H键完全相同,每相邻的两个C-H键之间的夹角为109°28′,你能判断出甲烷分子的空间结构吗?
提示:
甲烷分子的空间结构是正四面体;分子中碳原子位于正四面体的中心,4个氢原子位于正四面体的四个顶点上。
[名师点拨]
有机物组成和结构的表示方法
表示方法
(以甲烷为例)
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
续表
表示方法
(以甲烷为例)
含义
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
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
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:
表示原子的相对大小和空间的相对位置
[对点演练]
1.甲烷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,理由是( )
A.CH3Cl只有一种结构
B.CH2Cl2只有一种结构
C.CHCl3只有一种结构
D.CH4中含有4个C-H极性键
解析:
选B 甲烷分子无论是正四面体结构,还是正方形的平面结构,A、C、D三项都是成立的,CH2Cl2若是正方形的平面结构,则其结构应有两种,即
和
,若是正四面体结构,则其结构只有一种。
无论是正四面体结构还是正方形结构,CH4中都含有4个C-H极性键。
2.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:
选D 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。
[新知探究]
1.甲烷的氧化反应
(1)实验探究
(2)化学方程式是CH4(g)+2O2(g)
CO2(g)+2H2O(l)。
2.空气中含甲烷:
5%~15%,氧气中含甲烷:
5.4%~59.2%,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。
假如你是一名煤矿工人,当你在矿井采矿时,为预防瓦斯爆炸,你会采取哪些措施呢?
提示:
及时通风、避免明火。
3.将CH4通入酸性KMnO4溶液中,观察可能的现象,试解释其原因。
提示:
酸性KMnO4溶液的颜色不发生变化。
通常情况下,甲烷的化学性质比较稳定,不与强酸、强碱和强氧化剂反应。
[名师点拨]
1.在通常情况下,甲烷比较稳定,与酸性KMnO4等强氧化剂不发生反应。
2.有机化学方程式中间用“―→”而不用“===”,主要是因为有机物参加的化学反应往往比较复杂,副反应多,故不用等号。
[对点演练]
3.下列叙述中错误的是( )
A.点燃甲烷前不必进行验纯
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.甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色
解析:
选A 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。
[新知探究]
1.按要求完成下列实验,并填写下表
实验操作
续表
实验现象
A装置:
(1)试管内气体颜色逐渐变浅;
(2)试管内壁有油状液滴出现;(3)试管中有少量白雾;(4)试管内液面上升。
B装置:
无明显现象
实验结论
CH4与Cl2在光照条件下才能发生化学反应
2.上述对比实验中A试管中有如下反应发生
像这种有机物分子中的原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应叫做取代反应。
(1)产物CH3Cl(一氯甲烷,沸点-24.2℃)还能继续与氯气发生取代反应,该反应的化学方程式为
。
(2)事实上,甲烷与氯气反应可生成四种有机物,写出其中生成氯仿(三氯甲烷)的化学方程式为
。
3.甲烷的四种氯代产物都不溶于水。
除一氯甲烷常温下是气体外,其他三种都是油状液体。
[名师点拨]
甲烷发生取代反应的有关规律
1.反应条件和反应物
反应条件为光照,反应物为甲烷与卤素单质。
如甲烷与氯水、溴水不反应,但可以与氯气发生取代反应。
2.反应产物
甲烷与氯气反应生成的产物是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4四种有机物与氯化氢形成的混合物,虽然反应物的比例、反应的时间长短等因素会造成各种产物的比例不同,但很难出现全部是某一种产物的情况。
3.反应特点
(1)连锁反应
甲烷的取代反应是一种连锁反应,即第一步反应一旦开始,后续反应立即进行。
生成物中各物质均含有,其中HCl的物质的量最多。
(2)数量关系
CH4与Cl2发生取代反应时,每1molH被取代,消耗1molCl2,同时生成1molHCl。
即1molCxHy与Cl2发生完全取代,消耗Cl2最多为ymol。
n(Cl2)=n(H)=n(HCl)。
[对点演练]
4.若甲烷与氯气以物质的量之比1∶3混合,在光照下得到的产物有:
①CH3Cl ②CH2Cl2 ③CHCl3 ④CCl4 ⑤HCl,其中正确的是( )
A.只有① B.只有③
C.①②③的混合物D.①②③④⑤的混合物
解析:
选D 在甲烷与氯气的反应中,无论甲烷与氯气的物质的量之比是多少,得到的都是各种氯代物和氯化氢气体的混合物。
5.有机物分子里的某些原子(或原子团)被其他原子(或原子团)代替的反应叫取代反应。
下列化学反应中不属于取代反应的是( )
A.CH2Cl2+Br2
CHBrCl2+HBr
B.CH3OH+HCl
CH3Cl+H2O
C.2Na+2H2O===2NaOH+H2↑
D.CH3CH2Br+H2O
CH3CH2OH+HBr
解析:
选C 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。
1.近年来,科学家在海洋中发现了一种冰状物质——可燃冰,其有效成分为甲烷,下列说法正确的是( )
①甲烷属于烃类 ②在相同条件下,甲烷的密度大于空气 ③甲烷难溶于水 ④可燃冰是一种极具潜力的能源
A.①②③ B.②③④ C.①③④ D.①②④
解析:
选C 甲烷的密度小于空气。
2.与甲烷的分子结构相同的物质是( )
A.CH3ClB.CCl4
C.CH2Cl2D.CHCl3
解析:
选B CH3Cl、CH2Cl2和CHCl3是四面体形分子;CCl4和CH4分子结构相同,都是正四面体形分子。
3.为验证甲烷分子中含有C、H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.②③
C.②③①D.③②
解析:
选D 要证明CH4中含有C、H两种元素,可通过其燃烧产物为CO2和H2O来证明,选②③,检验时应先检验H2O后检验CO2,故顺序为③②。
4.下列叙述错误的是( )
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
解析:
选B 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,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。
5.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的物质的量为( )
A.1molB.2mol
C.2.5molD.10mol
解析:
选C 由于CH4+Cl2
CH3Cl+HCl,CH4+2Cl2
CH2Cl2+2HCl,CH4+3Cl2
CHCl3+3HCl,CH4+4Cl2
CCl4+4HCl。
1molCH4生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各为0.25mol,则消耗Cl2为0.25+0.25×2+0.25×3+0.25×4=2.5mol。
6.某气体X可能由H2、CO、CH4中的一种或几种组成,将X气体燃烧,把燃烧后生成的气体通过A、B两个洗气瓶,如图所示。
试回答下列问题:
(1)若A洗气瓶的质量增加,B洗气瓶的质量不变,则气体X是_______________。
(2)若A洗气瓶的质量不变,B洗气瓶的质量增加,则气体X是______________。
(3)若A、B两个洗气瓶的质量都增加,则气体X可能是(完成下表,可不填满,也可补充):
解析:
(1)X燃烧只生成H2O。
(2)X燃烧只生成CO2。
(3)X燃烧既生成CO2也生成H2O。
答案:
(1)H2
(2)CO (3)①CH4 ②H2、CO ③H2、CH4 ④CO、CH4 ⑤H2、CO、CH4
一、选择题
1.下列说法中正确的是( )
A.由碳、氢、氧三种元素组成的化合物一定是有机物
B.烃是含有碳元素和氢元素的化合物
C.大多数有机物熔、沸点较低
D.有机物都难溶于水
解析:
选C H2CO3是无机物,A错;烃是只含有碳元素和氢元素的化合物,B错;乙醇、醋酸等易溶于水,D错。
2.下列气体既可以用碱石灰干燥又可以用浓硫酸干燥的是( )
A.Cl2 B.CH4 C.NH3 D.SO2
解析:
选B Cl2能与碱石灰反应,NH3能与浓H2SO4反应,SO2能与碱石灰反应。
3.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醋酸
A.①②④⑤⑨B.①④⑤⑨
C.①③④⑤⑦⑧⑨D.①④⑤⑥
解析:
选B CO、CO2、碳酸盐、碳酸氢盐等化合物虽然含有碳元素,但其性质与无机物相似,属于无机物。
4.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1∶1,混合发生取代反应只生成CH3Cl
B.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
D.1mol甲烷生成CCl4最多消耗2mol氯气
解析:
选C 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1molH原子,消耗1mol氯气,生成1molHCl,故产物中HCl最多,B错误;1mol甲烷生成CCl4最多消耗4mol氯气,D错误。
5.在常温下,把一个盛有一定量甲烷和氯气的密闭玻璃容器放在光亮的地方,两种气体发生反应,下列叙述中不正确的是( )
A.容器内原子总数不变B.容器内分子总数不变
C.容器内压强不变D.发生的反应属于取代反应
解析:
选C 由质量守恒定律可知,A正确;甲烷与氯气的反应中,由碳原子守恒知生成的有机物的分子个数等于甲烷的分子个数,再由每取代1个H原子,消耗一分子氯气,生成一分子HCl,故反应前后分子总数不变,B正确;由于有机产物中只有CH3Cl为气体,故反应后气体的物质的量减少,容器内压强减小,C错误;甲烷与氯气的反应属于取代反应,D正确。
6.(2016·南昌高一检测)鉴别甲烷、一氧化碳和氢气三种无色气体的方法,是将它们分别( )
A.先后通入溴水和澄清的石灰水
B.点燃后罩上涂有澄清石灰水的烧杯
C.点燃,先后罩上干燥的冷烧杯和涂有澄清石灰水的烧杯
D.点燃后罩上涂有澄清石灰水的烧杯,通入溴水
解析:
选C 用干燥的冷烧杯可以检出是否生成水,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以检出是否生成CO2,从而确定原气体中是否含有碳元素。
7.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:
①将此混合气体通过浓硫酸,气体总体积基本不变;②再通过过量的澄清石灰水,未见浑浊,但气体体积减少;③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( )
A.CO和HClB.CH4和NH3
C.CH4和HClD.H2和CO2
解析:
选A 由①可知,不含NH3;由②可知,不含CO2,含HCl;由③可知,不含CH4、H2,含CO。
8.在标准状况下,11.2L甲烷和22.4L氧气混合后点燃,恢复到原状况时,气体的体积共( )
A.11.2LB.22.4LC.33.6LD.44.8L
解析:
选A 甲烷燃烧的化学方程式为CH4+2O2
CO2+2H2O,当温度超过100℃时(即水为气态),反应前后气体体积不变。
而在标准状况下,水是液态,11.2L甲烷与22.4L氧气恰好完全反应,最后只剩下二氧化碳,其体积为11.2L。
9.(2016·山东滨洲高一检测)下图是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、CH3Cl都难溶于水
C.CH4、CCl4、CH3Cl密度都小于水
D.CH4、CCl4的结构相同,性质也相同
解析:
选B CH3Cl不是正四面体结构,CCl4密度都大于水,CH4和CCl4的性质不同。
10.将1mol甲烷和适量的Cl2混合后光照,充分反应后生成的CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4四种有机产物的物质的量依次增大0.1mol,则参加反应的Cl2的物质的量为( )
A.1.5mol B.3mol C.4.5mol D.6mol
解析:
选B 解答此题宜用原子守恒法。
CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4中的碳原子都是从CH4中来的,故这四种取代物共1mol,设CH3Cl的物质的量为x,则x+(x+0.1mol)+(x+0.2mol)+(x+0.3mol)=1mol,得x=0.1mol,即CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4四种有机产物的物质的量依次为0.1mol、0.2mol、0.3mol、0.4mol,含Cl原子的物质的量共为0.1mol×1+0.2mol×2+0.3mol×3+0.4mol×4=3mol。
而一个Cl2分子中只有一个Cl原子参加取代反应,因此消耗的Cl2也为3mol。
11.对
的叙述正确的是( )
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:
选B 甲烷分子的空间结构是正四面体。
若氢原子分别被两个氯原子、两个氟原子代替,其结构变为四面体,碳原子位于四面体的中心位置,两个氯原子、两个氟原子不管从哪个方向与碳原子相连,它们都分别处在相邻的位置。
故只有一种结构,如图所示:
。
若换成结构式
、
仍为一种而不是两种。
CH2Cl2只有一种结构,可证明CH4是正四面体结构,而不是平面正方形结构。
12.(2016·太原高一检测)一定量的CH4恰好与一定量的O2完全反应得CO2、CO、H2O(g),产物总质量为49.6g,将其通过装有足量浓H2SO4的洗气瓶后,洗气瓶增重25.2g。
CH4若完全燃烧还需O2的体积(标准状况下)为( )
A.8.96L B.2.24L C.4.48L D.6.72L
解析:
选C 由题中洗气瓶增重25.2g可知,H2O的物质的量为1.4mol,根据H原子守恒,所以CH4为0.7mol,这样就知道CH4完全燃烧时生成CO2的物质的量也是0.7mol。
用0.7molCO2的质量减去已经生成的CO和CO2两者的总质量,就是CH4完全燃烧还需O2的质量,即m(O2)=0.7mol×44g/moL-(49.6g-25.2g)=6.4g,即n(O2)=
=0.2mol,V(O2)=0.2mol×22.4L/mol=4.48L。
二、非选择题
13.如图所示,U形管的左端被水和胶塞封闭有甲烷和氯气的混合气体,假定氯气在水中的溶解度可以忽略。
将封闭有甲烷和氯气的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)题目中甲烷与氯气的体积比为1∶1,则得到的产物为________________________。
a.CH3Cl HCl b.CCl4 HCl c.CH3Cl CH2Cl2 d.CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 HCl
(2)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
(3)若水中含有Na2SiO3,则在U形管左端会观察到_________________。
解析:
(1)甲烷与氯气的取代反应,是四步反应同时发生,故得到的是四种氯代产物和HCl。
(2)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。
(3)因左侧生成HCl溶于水后发生反应2HCl+Na2SiO3===H2SiO3↓+2NaCl,所以观察到有白色胶状沉淀生成。
答案:
(1)d
(2)b (3)有白色胶状沉淀生成
14.为了验证甲烷的燃烧产物,某同学设计了甲烷的燃烧实验(如图所示):
根据实验装置完成下列实验步骤和现象:
(1)点燃甲烷前必须进行的实验步骤是________,如何
操作?
_____________。
(2)开启水龙头抽气后,在漏斗下方点燃甲烷,可观察到的现象是__________。
(3)如果将B、C两个装置的位置交换,会对实验结论产生什么影响?
___________。
解析:
(1)为了防止甲烷中混有氧气,在点燃时发生爆炸,所以点燃前要先验纯;其验纯的操作为用排水法收集一小试管甲烷,然后靠近点燃的酒精灯,如果发出“噗”的声音则表明纯净,如果发出尖锐的爆鸣声则表明不纯净。
(2)开启水龙头抽气后,在抽气作用下,甲烷的燃烧火焰被吸入漏斗内,甲烷燃烧生成二氧化碳和水蒸气,无水硫酸铜遇到水会变蓝色,二氧化碳使澄清的石灰水变浑浊。
(3)C中为澄清石灰水溶液,B、C两个装置的位置交换,先检验二氧化碳,二氧化碳通过澄清石灰水,则会带出水蒸气,用B中无水硫酸铜检验水时,无法确定水是否是由甲烷燃烧生成的。
答案:
(1)验纯 用排水法收集一小试管甲烷,然后靠近点燃的酒精灯,如果发出“噗”的声音则表明纯净,如果发出尖锐的爆鸣声则表明不纯净
(2)火焰被吸入漏斗内,干燥管中无水CuSO4慢慢变蓝,洗气瓶中澄清的石灰水逐渐变浑浊
(3)不能验证是否产生水蒸气
15.向甲、乙两支盛有甲烷的试管中(其中乙试管用黑纸包好)分别快速加入0.5gKMnO4和1mL浓盐酸,然后迅速塞上胶塞,放在试管架上,将其置于光线一般的室内,等待片刻,观察现象。
已知KMnO4与浓盐酸在常温下即可反应产生氯气,试回答下列问题。
(1)请填写下表:
实验现象
实验结论
甲
KMnO4与浓盐酸混合,试管中立即充满________色气体;在光照条件下,试管内气体的颜色______;试管内壁上出现了________。
CH4与Cl2在光照条件下发生化学反应
乙
迅速剥开黑纸,立即观察,试管内气体的颜色为________
CH4与Cl2在无光照条件下不发生化学反应
(2)CH4和Cl2在光照条件下发生反应,生成气态有机物的化学方程式为________,该反应属于________反应。
解析:
KMnO4与浓盐酸混合时,立即产生黄绿色的氯气,氯气与甲烷在黑暗处不能发生反应,但在光照条件下能发生取代反应,生成的有机产物中有三种是无色油状液体,只有一氯甲烷是气体,同时还生成HCl气体,该反应属于取代反应。
答案:
(1)黄绿 变浅(或消失) 油状液滴 黄绿色
(2)CH4+Cl2
CH3Cl+HCl 取代
16.
(1)某气态烃在标准状况下的体积为2.8L,其质量为2g,该烃中氢元素的质量分数为25%,则该烃的分子式为__________,电子式为__________,结构式为______,其空间结构为________。
(2)如图立方体中心的“·”表示甲烷分子中的碳原子,请在立方体的顶点用“·”表示出与之紧邻的4个氢原子的位置。
解析:
(1)该烃的物质的量为n=
=0.125mol,该烃的摩尔质量M=
=16g/mol,1mol该烃中含氢原子的物质的量为n(H)=
=4mol,1mol该烃中含碳原子的物质的量为n(C)=
=1mol,所以分子式为CH4。
(2)CH4分子是以碳原子为中心的正四面体结构,在立方体中互不相邻的四个顶点即构成正四面体结构。
答案:
(1)CH4
正四面体结构
(2)
17.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图:
试回答下列问题:
(1)写出A装置中发生反应的化学方程式:
___________________________;
有人认为E中有氯化氢产生,不能证明甲烷与氯气发生了取代反应,你认为他的看法________(填“正确”或“不正确”)。
(2)B装置有三种功能;①控制气流速度;②混匀混合气体;③________。
(3)设
=x,若想理论上获得最多的氯化氢,则x≥________。
(4)一段时间后发现D装置中的棉花由白色变为蓝色,则棉花上可能预先滴有________溶液。
(5)E装置中除盐酸外,还含有机物,从E中分离出盐酸的最佳方法为________(填字母)。
A.水洗分液法 B
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