江苏省徐州市学年高中化学第1单元 化石燃料与有机化合物第1课时天然气的利用 甲烷导学案.docx

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江苏省徐州市学年高中化学第1单元化石燃料与有机化合物第1课时天然气的利用甲烷导学案

第一单元　化石燃料与有机化合物

第1课时　天然气的利用　甲烷

【目标导航】　

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.理解取代反应的概念并能进行判断。

4.了解同系物的概念。

【自主学习】

一、甲烷

1．化石燃料的组成与成分

化石

燃料

天然气

石油

煤

组成

元素

主要是

______

主要是____，还有少量S、O、N等

含量最高的元素是______，其次是____，还有少量S、P、N等

主要

成分

甲烷

各种液态碳氢化合物，其中溶有气态和固态碳氢化合物

____________和________组成的复杂混合物

2.甲烷的组成与结构

化学

式

电子式

结构式

分子结构

示意图

球棍模型

比例模型

3.物理性质

颜色

气味

状态

密度

水溶性

比空气____

______

4.化学性质

（1）稳定性：

在通常情况下，甲烷是比较稳定的，跟____、______或__________等一般不起反应。

甲烷不能使酸性KMnO4溶液褪色，也______使溴的四氯化碳溶液褪色。

（2）氧化反应：

纯净的甲烷在空气中安静的燃烧，火焰呈____________色，放出大量的热。

化学方程式：

____________________________________。

（3）取代反应

①实验探究

按要求完成下列实验，并填写下表：

实验操作

实验现象

a.试管内气体颜色逐渐______；

b．试管内壁有__________出现；

c．试管内液面______；

d．水槽中有______________

实验结论

CH4与Cl2在光照时能发生化学反应

反应

方程式

CH4＋Cl2

________＋________，

CH3Cl＋Cl2

________＋________，

CH2Cl2＋Cl2

________＋________，

CHCl3＋Cl2

________＋________

②概念：

有机化合物分子中的某种____________被另一种______________所__________的反应叫取代反应。

③甲烷与Cl2取代产物的性质

化学式

CH3Cl

CH2Cl2

CHCl3

CCl4

溶解性

水中

有机溶剂中

常温状态

____态

____态

用途

—

—

有机溶剂、麻醉剂

有机

溶剂

（4）分解反应：

甲烷隔绝空气并加热至1500℃以上分解的反应方程式：

__________________

______________________________________________________。

[议一议]

1．二氯甲烷可以写成

两种形式，它们是同分异构体吗？

2．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？

3．甲烷、氢气等可燃性气体点燃之前应注意什么？

如何检验CH4的纯度？

4．怎样通过实验证明甲烷中含有碳、氢两种元素？

5．能否用CH4和Cl2反应制取纯净的CH3Cl？

如果CH4和Cl2按体积比1∶1混合反应，能否只得到CH3Cl?

6．假设1molCH4中的H原子完全被取代，最多需要多少摩尔Cl2？

最多能生成多少摩尔HCl?

二、烷烃与同系物

1．烃

仅由________和________两种元素组成的有机化合物总称为烃，又叫碳氢化合物。

2．烷烃

（1）几种烷烃

名称

乙烷

丙烷

正丁烷

异丁烷

分子式

结构

简式

（2）烷烃的结构特点

每个碳原子形成____个共价键，碳原子之间以________相连成____状，碳原子的其他价键都被________所饱和。

（3）烷烃的组成通式：

____________________________。

（4）命名：

分子中含1～10个碳原子的烷烃，按照分子中碳原子数目依次用________________

__________________命名，如C5H12称为______。

分子中碳原子数超过10个的，直接根据________称为某烷，如C16H34称为_______。

当碳原子数n相同时，用__________________来区别。

如：

CH3CH2CH2CH2CH3称为正戊烷，CH3CH（CH3）CH2CH3称为________，C（CH3）4称为________。

（5）性质：

烷烃的化学性质与甲烷相似，请写出下列反应的化学方程式（有机物写结构简式）：

①丙烷的燃烧：

___________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

②乙烷―→氯乙烷：

_______________________________________________________________

________________________________________________________________________。

3．同系物

同系物：

结构______，在分子组成上相差____________________________________的有机物互称为同系物。

[议一议]

1．如何理解同系物的概念？

如何判断是否互为同系物？

2．含有多个碳原子的烷烃（碳原子个数大于或等于3）的所有碳原子都在一条直线上吗？

3．分子组成符合CnH2n＋2（n≥1且n为整数）的烃一定是烷烃吗？

【难点突破】

一、取代反应

1．甲烷与氯气的取代反应

反应原理

CH4＋Cl2

CH3Cl＋HCl，

CH3Cl＋Cl2

CH2Cl2＋HCl，

CH2Cl2＋Cl2

CHCl3＋HCl，

CHCl3＋Cl2

CCl4＋HCl

反应条件

光照（室温下在暗处不发生反应）

反应物

Cl2必须为气态（如CH4与氯水不反应）

反应特点

CH4分子中的氢原子被氯原子逐步取代，取代产物并非一种，而是四种卤代物的混合物，化学方程式分步书写。

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一，但很难出现全部是某一种产物的现象。

反应产物

CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4与HCl形成的混合物

反应方程

式特点

一个Cl原子代替一个H原子，替换下来的H原子与Cl原子结合成HCl

物质的量

的关系

每1molH原子被取代，消耗1molCl2分子，同时生成1molHCl分子

关键提醒　在光照条件下，CH4也能与Br2、F2、I2发生取代反应。

2．取代反应与置换反应的比较

　　实例

区别

取代反应

置换反应

甲烷与氯气反应

锌与稀硫酸反应

定义

有机物分子里的原子或原子团被其它原子或原子团所代替的反应

一种单质跟一种化合物反应，生成另一种单质和另一种化合物的反应

参与物质

反应物和生成物不一定有单质

反应物、生成物中一定有单质

生成物

一般生成两种新化合物

一种化合物和一种单质

方程式

特点

化学键不变，原子（团）位置交换。

表示为A—A＋C—D―→A—C＋A—D

单质1＋化合物1===单质2＋化合物2

例1　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．2molC．2.5molD．10mol

易错警示　甲烷与氯气发生取代反应，每1mol氢原子被取代需消耗1mol氯气；甲烷与氯气发生取代反应时，即使n（CH4）∶n（Cl2）＝1∶1，得到的有机物也不只是CH3Cl，而是四种有机取代产物的混合物。

变式训练1　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．CH3CH2OH＋HCl

CH3CH2Cl＋H2O

C．2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑

D．CH2Cl2＋Cl2

CHCl3＋HCl

二、烷烃与同系物

1．烷烃的结构与性质

2．同系物、同分异构体、同素异形体、同位素概念的比较

概念

内涵

研究

对象

比较

实例

相同

不同

同系

物

结构相似，在分子组成上相差一个或若干个“CH2”原子团的化合物互称为同系物

化合

物

结构

相似

组成上相差一个或若干个

“CH2”原子团

CH3CH3与

同分

异构

体

具有相同的分子式，不同结构式的化合物互称为同分异构体

化合

物

分子式

相同

结构式

不同

同素

异形

体

同一种元素形成的几种性质不同的单质

单质

元素种

类相同

性质

不同

O2与O3、白磷与红磷

同位

素

质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素

原子

质子数

相同

中子数

不同

C、

C与

C

例2　运动会火炬一般使用丙烷作燃料。

下列关于丙烷的说法中正确的是（　　）

A．丙烷是一种清洁能源，任何情况下均不与强酸、强碱、氧化剂反应

B．丙烷分子中3个碳原子在一条直线上

C．1mol丙烷在光照条件下，最多可以与8molCl2发生取代反应

D．丙烷（C3H8）发生取代反应生成C3H7Cl的结构有3种

易错警示　

（1）烷烃不能与酸性KMnO4溶液反应，不能误认为烷烃不能与氧化剂反应。

（2）烷烃分子中所有原子不在同一平面上，含两个C原子以上的烷烃中C原子不在一条直线上。

（3）在光照条件下，烷烃可与Cl2、Br2等卤族单质的气体发生取代反应，而且取代反应的产物都是混合物；烷烃与氯水或溴水不反应。

变式训练2　有下列各组微粒或物质：

A．O2和O3

B.

C和

C

C．CH3CH2CH2CH3和

D．

E．

F．

G．CH3—CH—CH2—CH2—CH3CH3和

H．

回答下列问题：

（1）________组互为同位素（填字母，下同）；

（2）________组互为同素异形体；

（3）________组互为同分异构体；

（4）________组是同一物质；

（5）________组互为同系物。

解题反思　

（1）同分异构体的快速判断：

先比较不同有机物中的碳原子数，若碳原子个数不同，则不互为同分异构体；若碳原子个数相同，再根据其他原子数目确定分子式是否相同，若分子式相同、结构不相同则互为同分异构体。

（2）判断同分异构体时，注意同一物质的不同写法，如一氯甲烷可以写成

（3）判断两种化合物互为同系物的关键：

同：

两种化合物结构相似；

差：

两种物质分子组成上相差一个或若干个“CH2”原子团。

【当堂过关】

1．下列关于甲烷的说法不正确的是（　　）

A．甲烷分子具有正四面体结构

B．甲烷分子中的四个C—H键相同

C．甲烷分子是平面正方形结构

D．甲烷分子的结构式是

2．在光照条件下，将等物质的量的CH4和Cl2充分反应，得到产物的物质的量最多的是（　　）

A．CH3ClB．CH2Cl2

C．CCl4D．HCl

3．下列反应不属于取代反应的是（　　）

A．CH3CH2OH＋CH3CH2OH

CH3CH2OCH2CH3＋H2O

B．2KI＋Cl2===2KCl＋I2

C．C2H5Cl＋H2O

C2H5OH＋HCl

D．CH3CH3＋Cl2

CH3CH2Cl＋HCl

4．关于CH4和CH3CH2CH2CH3的叙述不正确的是（　　）

A．均能用CnH2n＋2（n≥1）组成通式来表示

B．都能与氯水发生取代反应

C．因为它们的结构相似，所以它们的化学性质相似

D．它们互为同系物

5．下列有关烷烃的叙述中，不正确的是（　　）

A．烷烃分子中所有的化学键都是单键

B．烷烃在光照条件下都能与Cl2发生取代反应

C．烷烃的通式为CnH2n＋2（n≥1），符合此通式的烃一定是烷烃

D．正丁烷中所有碳原子在一条直线上

6．

（1）已知某烷烃的相对分子质量为30。

该烷烃的分子式为________；该烷烃在光照时与Cl2反应生成一氯代物的化学方程式为__________________________________，属于________反应。

（2）写出戊烷（C5H12）的同分异构体的结构简式：

________________________________________

_______________________________________________________________________________；

C5H12在光照条件下与Cl2发生取代反应可生成多种取代产物，其一氯代物的分子式为C5H11Cl，判断其同分异构体共有________种。

学案答案精析

第1课时　天然气的利用　甲烷

自主学习

一、1.（从到右到，从上到下）C、H　C、H　C　H、O　有机化合物　无机物

3．无色　无味　气体　小　难溶

4．

（1）强酸　强碱　强氧化剂　不能　

（2）淡蓝　CH4＋2O2

CO2＋2H2O　（3）①变浅　油状液滴　上升　少量固体析出　CH3Cl　HCl　CH2Cl2　HCl　CHCl3　HCl　CCl4　HCl　②原子（或原子团）　原子（或原子团）　替代　③都不溶　都易溶　气　液　（4）CH4

C＋2H2

议一议

1．不是，甲烷是正四面体结构，所以这两种形式表示的为同一种物质。

2．因C—H键与C—Cl键的长度不同，故CH3Cl是四面体结构，但不是正四面体结构。

3．点燃CH4、H2等可燃性气体前必须检验气体的纯度。

用排水法收集一试管甲烷气体，用拇指堵紧试管口，移向火焰，当试管口靠近火焰时松开拇指，若仅听到很小的声音，说明此纯度的甲烷点燃时不会爆炸；若听到尖锐的爆鸣声，说明甲烷的纯度不符合在空气中点燃的要求。

4．甲烷燃烧时，将干燥、洁净的小烧杯罩在火焰的上方，小烧杯内壁有水珠凝结，证明甲烷中有氢元素；迅速将小烧杯倒转，向小烧杯中加入少量澄清石灰水，石灰水变浑浊，证明甲烷中含有碳元素。

5．都不能，不只得到CH3Cl。

CH4与Cl2的取代反应是逐步进行的，无论二者的物质的量之比是多少，反应一旦引发，反应不会停留在哪一步上，所以四种取代产物都会生成，得不到纯净的CH3Cl。

6．4　4　每1molH原子被取代，消耗1molCl2分子，同时生成1molHCl分子。

1molCH4中的H原子完全被取代，最多能与4molCl2取代，最多能生成4molHCl。

二、1.碳　氢

2．

（1）（从左到右，从上到下）C2H6　C3H8　C4H10　C4H10　CH3CH3　CH3CH2CH3　CH3CH2CH2CH3　

（2）4　单键　链　氢原子　（3）CnH2n＋2（n≥1且n为整数）

（4）甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸　戊烷　碳原子数　十六烷　正、异、新　异戊烷　新戊烷　（5）①CH3CH2CH3＋5O2

3CO2＋4H2O　②CH3CH3＋Cl2

CH3CH2Cl＋HCl

3．相似　一个或若干个“CH2”原子团

议一议

1．同系物概念的内涵有两个，一是分子结构相似，二是分子组成上相差一个或若干个“CH2”原子团。

两者要联系在一起，缺一不可。

同系物具有相同的通式，但是通式相同的有机物不一定互为同系物，同系物的前提是同一类物质且分子组成上相差一个或若干个“CH2”原子团。

同系物的组成元素相同，同系物之间相对分子质量相差14n（n＝1,2,3，……）。

判断两种化合物互为同系物的关键：

①同：

两种化合物结构相似；②差：

两种物质分子组成上相差一个或若干个“CH2”原子团。

2．碳原子个数大于或等于3的烷烃分子中的碳原子不在一条直线上。

这是因为每两个C—C之间的夹角不是180°。

3．一定是。

难点突破

例1　C　[因为CH4与Cl2发生取代反应生成的四种取代物中的碳原子均来自于CH4，由碳原子守恒可知，1molCH4与Cl2发生取代反应共生成1mol取代物，且每一种取代物的物质的量均为25mol。

由于CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4分子中的Cl原子均来自Cl2，由Cl原子守恒得消耗Cl2的物质的量n（Cl2）＝（25＋25×2＋25×3＋25×4）mol＝2.5mol。

]

变式训练1　C　[取代反应是有机化合物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应。

A为Br原子取代H原子；B为Cl原子取代—OH原子团；C为置换反应；D为Cl原子取代H原子。

取代反应是有机反应类型，置换反应一般是无机物的反应类型，个别有机物能发生置换反应。

]

例2　C　[丙烷只含有C、H元素，充分燃烧生成CO2和H2O，所以丙烷是清洁能源，丙烷不能被酸性KMnO4氧化，但是在点燃时能被氧气氧化，A不正确；丙烷分子中每个碳原子均在四面体的中心，分子中所有的碳原子不在同一条直线上，B不正确；丙烷分子式为C3H8，分子中有8个H原子，每个H原子被取代需用1个Cl2分子，8个H原子全部被取代需消耗8个Cl2分子；丙烷分子中有3个碳原子，位于两端的两个碳原子相同，所以分子中共有两种碳原子，因此C3H7Cl有2种同分异构体：

CH3CH2CH2Cl和

。

]

变式训练2　

（1）B　

（2）A　（3）H　（4）D、E、F、G　（5）C

解析　A中物质是氧元素的两种单质，互为同素异形体；B中物质是碳元素的两种不同原子，互为同位素；C中两分子烷烃中碳原子个数不等，互为同系物；D、E、F、G中每个C原子位于四面体的中心，D、E、F、G为同一种物质；H中两种物质是烷烃，碳原子个数相等，结构不同，互为同分异构体。

当堂过关

1．C　2.D　3.B

4．B　[所有烷烃分子式都符合CnH2n＋2（n≥1）组成通式，A项正确；烷烃不能与氯水反应，而是在光照条件下都能与氯气反应，B项不正确；烷烃结构相似，所以化学性质相似，C项正确；两种烷烃结构相似，相差3个“CH2”原子团，互为同系物，D项正确。

]

5．D　[烷烃分子中碳碳键及碳氢键全是单键，A正确；烷烃在光照条件下能与Cl2发生取代反应，B正确；符合通式CnH2n＋2（n≥1）的烃一定是烷烃，C正确；正丁烷分子中所有C原子不在同一直线上，D不正确。

]

6．

（1）C2H6　CH3CH3＋Cl2

CH3CH2Cl＋HCl　取代

解析　

（1）烷烃的通式为CnH2n＋2，则14n＋2＝30，则n＝2，即C2H6。

（2）按以下方法书写C5H12的同分异构体：

先写碳架结构：

①先写出最长碳链的碳架结构：

C—C—C—C—C；

②再写少一个碳原子的直链的碳架结构：

；

③然后再写少两个碳原子直链的碳架结构：

A．把剩下的两个碳原子当作一个支链加在主链上：

（即

）；

B．把剩下的两个碳原子分别作两个支链加在主链上：

。

再补足氢原子：

按“碳四键”的原理，碳原子剩余的价键用氢原子去饱和，就可得所有同分异构体的结构简式：

CH3CH2CH2CH2CH3；

；

。

C5H11Cl同分异构体的写法：

①C—C—C—C—C，有3种不同的H原子，故—Cl取代—H有3种可能；

②

，有4种不同的H原子，故—Cl取代—H有4种可能；

③

，有1种H原子，故—Cl取代—H，有1种可能。

则C5H11Cl的同分异构体有CH2ClCH2CH2CH2CH3、CH3CHClCH2CH2CH3、CH3CH2CHClCH2CH3、