高中化学专题3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学案苏教版必修2.docx
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高中化学专题3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学案苏教版必修2
第1课时 天然气的利用 甲烷
1.知道化石燃料的主要成分。
2.认识甲烷的分子组成、结构特征、主要化学性质及其应用。
3.了解取代反应的特征。
4.了解烃、烷烃及其同系物的概念。
甲 烷
一、化石燃料
化石
燃料
天然气
石油
煤
组成
元素
主要有C、H
主要有C、H,还含有少量S、O、N等
主要有C、H、O,还有少量S、P、N等
主要
成分
甲烷
碳氢化合物
有机化合物和无机物组成的复杂混合物
二、甲烷
结构
(1)甲烷分子的电子式和结构式
电子式 结构式
(2)甲烷分子的空间构型——正四面体
甲烷分子的空间结构为正四面体形,碳原子位于正四面体的中心,四个氢原子位于正四面体的四个顶点。
2.物理性质
颜色:
无色;气味:
无味;状态:
气体;溶解性:
难溶于水;密度:
比空气小。
3.化学性质
(1)稳定性:
通常情况下CH4性质稳定,与强氧化剂(如酸性KMnO4溶液)、强酸、强碱均不反应。
(2)燃烧
①甲烷燃烧的实验
实验
操作
燃烧
现象
安静燃烧,产生淡蓝色火焰
产物检
验方法
罩一只干燥的烧杯
罩一只内壁用澄清石灰水润洗过的烧杯
现象
烧杯内壁有水珠生成
澄清石灰水变浑浊
结论
有H2O生成
有CO2生成
②燃烧方程式:
CH4+2O2
CO2+2H2O。
(1)可燃性气体在点燃前都必须验纯。
(2)在空气中燃烧时火焰呈淡蓝色的物质除甲烷外还有H2、硫、酒精、CO、H2S等。
(3)取代反应
①定义
有机化合物分子中的某种原子(或原子团)被另一种原子(或原子团)所取代的反应。
②甲烷与氯气的反应
实验操作
实验现象
a.黄绿色逐渐消失,最后变为无色;
b.集气瓶内壁有油状液滴出现;
c.集气瓶内液面上升,水槽内有少量固体析出
反应原理
CH4+Cl2
CH3Cl+HCl
CH3Cl+Cl2
CH2Cl2+HCl
CH2Cl2+Cl2
CHCl3+HCl
CHCl3+Cl2
CCl4+HCl
1.判断正误
(1)甲烷属于四元酸,故属于电解质。
( )
(2)沼气就是纯净的甲烷气体。
( )
(3)热稳定性:
CH4 ( ) (4)甲烷属于共价化合物。 ( ) (5)甲烷与氯气在光照条件下反应生成四种化合物。 ( ) 答案: (1)× (2)× (3)√ (4)√ (5)× 2.下列叙述错误的是( ) A.点燃甲烷不必进行事先验纯 B.甲烷燃烧能放出大量的热,所以是一种很好的气体燃料 C.煤矿的矿井要注意通风和严禁烟火,以防爆炸事故的发生 D.一般情况下甲烷不与强酸、强碱、强氧化剂等反应 解析: 选A。 甲烷是很好的燃料,空气中的甲烷含量在5%~15.4%(体积分数)范围内时,遇火爆炸,因而点燃甲烷前要事先验纯。 煤矿的矿井中坑道气的主要成分是甲烷,所以要注意通风和严禁烟火。 甲烷性质稳定,一般不与强酸、强碱、强氧化剂反应。 3.连连看 (1)取代反应 A.CH4+2O2 CO2+2H2O (2)氧化反应B.CH4+Cl2 CH3Cl+HCl (3)分解反应C.CH4 C+2H2 (4)置换反应D.CHCl3+HF―→CHFCl2+HCl 答案: (1)—BD (2)—A (3)—C 甲烷的取代反应 (1)甲烷与氯气的反应条件为光照,该光照只能是日光漫射,若是强光直射则会发生爆炸。 (2)该反应为一连锁反应,不会停留在某一步,因此CH4与Cl2反应的取代产物为混合物,其中HCl的物质的量最多,四种有机产物CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4都难溶于水,常温下CH3Cl是气体、其他都是液体,其中CHCl3、CCl4是重要的有机溶剂,CCl4是常用的灭火剂。 1molCH4与Cl2发生取代反应,待反应完成后测得四种取代物的物质的量相等,则消耗Cl2的物质的量为( ) A.0.5mol B.2mol C.2.5molD.4mol [解析] 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CH4,由碳原子守恒可知,其生成1mol取代物,且每一种取代物的物质的量均为0.25mol。 由于CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4分子中的氯原子均来自Cl2,由氯元素守恒得消耗的Cl2的物质的量n(Cl2)=(0.25+0.25×2+0.25×3+0.25×4)mol=2.5mol。 [答案] C (1)例题中反应过程产生HCl的物质的量为________。 (2)将CH4和Cl2按体积比1∶1混合光照,充分反应后,甲烷与氯气都无剩余,生成物的种数为________种。 答案: (1)2.5mol (2)5 (1)与氯气相似,其他的卤素单质在气态和光照条件下,也可以和甲烷发生取代反应。 (2)有机化合物的结构决定了有机化合物的性质,由于甲烷分子中碳原子的四个价键都与氢原子结合了,因此碳原子不可能再结合其他原子或原子团,而只能用其他原子或原子团代替与碳原子相结合的氢原子,发生取代反应。 甲烷的结构与性质 1.以下关于甲烷的说法中错误的是( ) A.甲烷分子是由极性键构成的分子 B.甲烷分子具有正四面体结构 C.甲烷分子中四个C—H键是完全相同的键 D.甲烷分子中具有非极性键 解析: 选D。 甲烷分子中含有四个完全相同的C—H极性共价键,构成了空间正四面体结构,故选D。 2.下列关于甲烷化学性质的叙述正确的是( ) A.甲烷微溶于水,其密度小于空气的密度 B.甲烷能使溴的四氯化碳溶液褪色,发生取代反应 C.甲烷在氧气中燃烧,发生氧化反应 D.甲烷能使酸性高锰酸钾溶液褪色,发生氧化反应 解析: 选C。 甲烷不溶于水,其密度小于空气的密度,是对甲烷物理性质的描述,A错误;甲烷不能使溴的四氯化碳溶液褪色,B错误;甲烷在氧气中燃烧生成二氧化碳和水,发生氧化反应,C正确;甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,D错误。 取代反应的判断与理解 3.下列物质之间的反应,属于取代反应的是( ) A.甲烷和氧气B.甲烷和氯气 C.金属钠和水D.碘化钾和氯水 解析: 选B。 甲烷和氧气的反应是氧化反应,A错误;甲烷和氯气在光照条件下发生取代反应,B正确;金属钠和水的反应是置换反应,C错误;碘化钾和氯水的反应是置换反应,D错误。 4.下列物质中,不能和氯气发生取代反应的是( ) A.CH3ClB.CCl4 C.CH2Cl2D.CH4 解析: 选B。 CCl4中没有可以被氯原子取代的氢原子,不能发生取代反应。 甲烷的燃烧及相关计算 5.为验证甲烷分子中含碳、氢两种元素,可将其燃烧产物依次通过①浓H2SO4、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。 甲烷燃烧的产物为CO2和H2O,用澄清石灰水检验CO2,用无水CuSO4检验H2O,为防止澄清石灰水中的水产生干扰,应先检验H2O再检验CO2。 6.一定量的甲烷燃烧后得到的产物是CO、CO2和H2O(g),此混合气体的质量为49.6g,当其缓慢通过足量的无水氯化钙时,质量减少25.2g,则此混合物中CO的质量为( ) A.24.4gB.13.2g C.12.5gD.11.2g 解析: 选D。 通过足量的无水氯化钙,气体质量减少的是25.2gH2O(g),则生成的CO、CO2的质量和为49.6g-25.2g=24.4g。 由氢元素守恒可求得: n(CH4)= ×2× =0.7mol。 设生成CO、CO2的物质的量分别为x、y,则有x+y=0.7mol,28g·mol-1×x+44g·mol-1×y=24.4g。 解得: x=0.4mol,y=0.3mol。 所以CO的质量为0.4mol×28g·mol-1=11.2g。 烷烃的结构与性质 1.烃 仅含碳和氢两种元素的有机化合物,又叫碳氢化合物。 2.烷烃 (1)结构: 碳原子间都以碳碳单键相连成链状,其余的价键全部与氢原子结合,达到“饱和”。 (2)通式: CnH2n+2(n≥1)。 (3)命名 ①n≤10: 依次称为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷…… ②n≥11: 直接根据碳原子数称为某烷,如C16H34称为十六烷。 (4)性质: 和甲烷相似。 ①可与O2发生燃烧反应,其化学方程式为 CnH2n+2+ O2 nCO2+(n+1)H2O。 ②可与Cl2在光照下发生取代反应。 3.同系物 分子结构相似,组成上相差1个或若干个“CH2”原子团的有机化合物互称为同系物,如甲烷(CH4)、乙烷(CH3CH3)、丙烷(CH3CH2CH3)互为同系物。 1.判断正误 (1)CH2Cl2在空间有两种结构: 和 。 ( ) (2)CH3CH2CH2CH3是直线形。 ( ) (3)烷烃分子中一定含有C—C键。 ( ) (4)烷烃的通式为CnH2n+2(n≥1),其化学性质和CH4相似。 ( ) 答案: (1)× (2)× (3)× (4)√ 2.下列属于烷烃特有性质的是( ) A.在空气中完全燃烧的产物为二氧化碳和水 B.它们几乎不溶于水 C.可与氯气在光照下发生取代反应 D.可与溴水中的溴发生取代反应,可使酸性高锰酸钾溶液褪色 解析: 选C。 烃类完全燃烧的产物均为二氧化碳和水,故A不正确;烃类几乎都不溶于水,故B不正确;烷烃与溴水、酸性高锰酸钾均不反应,故D不正确。 1.烷烃的结构 (1)烷烃又叫饱和链烃,其结构特点是碳原子之间都以碳碳单键结合成链状,碳原子剩余的价键全部跟氢原子相结合而达到“饱和”。 简言之,烷烃具有“单”“链”“饱”的结构特点,如乙烷(CH3CH3)、丙烷(CH3CH2CH3)等。 (2)烷烃的分子通式为CnH2n+2(n≥1,n∈N)。 (3)烷基: 烃失去1个氢原子所剩余的原子团叫烃基(—R)。 若失去氢原子的烃为烷烃,剩余的原子团叫烷基,如甲基(—CH3)、乙基(—CH2CH3)等。 (4)烷烃之间互为同系物。 2.烷烃的性质 (1)物理性质 递变性 碳原子数小于5的烷烃在常温常压下是气体(新戊烷在常温常压下也为气体),其他烷烃在常温常压下是液体或固体; 烷烃的密度都较小,且随碳原子数的增加,烷烃的密度逐渐增大; 烷烃的熔、沸点较低,且随碳原子数的增加,烷烃的熔、沸点一般逐渐升高 相似性 烷烃难溶于水而易溶于有机溶剂,液态烷烃的密度均小于1g·cm-3 (2)化学性质 ①氧化反应 通常情况下性质稳定,不能使酸性KMnO4溶液和溴水褪色,不能与强酸、强碱反应。 烷烃的氧化反应一般指燃烧反应,其通式为CnH2n+2+ O2 nCO2+(n+1)H2O。 在相同情况下,随着烷烃分子里的碳原子数的增加,燃烧往往越来越不充分,火焰明亮,并伴有黑烟。 烃均易燃烧: CxHy+(x+ )O2 xCO2+ H2O。 可见等物质的量的烃相比,(x+ )越大,对应的烃耗氧量越多。 ②取代反应 烷烃的取代反应与甲烷的取代反应相同,在光照条件下可与Cl2发生取代反应,其通式为CnH2n+2+Cl2 CnH2n+1Cl+HCl(第一步)。 ③分解反应 C16H34 C8H18+C8H16 C4H10 C2H6+C2H4 下列有关烷烃的叙述中,不正确的是( ) A.在烷烃分子中,所有的化学键都为单键 B.所有烷烃在光照的情况下,都能与氯气发生取代反应 C.烷烃的分子通式为CnH2n+2(n≥1),符合该通式的不一定是烷烃 D.烷烃都可以在空气中燃烧 [解析] 烷烃分子中的碳碳键、碳氢键均为单键,A项正确;烷烃在光照的情况下,都能与氯气发生取代反应,这是烷烃的主要性质之一,B项正确;符合CnH2n+2(n≥1)的有机物只可能是烷烃,C项不正确;烷烃都可以在空气中燃烧生成CO2和H2O,D项正确。 [答案] C 烷烃的结构与性质 1.下列关于烷烃的说法不正确的是( ) A.分子式符合CnH2n+2的烃一定是烷烃 B.烷烃均能与氯水发生取代反应 C.正戊烷的熔、沸点比乙烷的高 D.烷烃不能被酸性高锰酸钾溶液等强氧化剂氧化 解析: 选B。 CnH2n+2是烷烃的通式,故A项说法正确;烷烃和氯气在光照条件下发生取代反应,与氯水不反应,故B项说法错误;烷烃的熔、沸点随着碳原子数的增多而升高,故C项说法正确;烷烃的性质相对稳定,不能与酸性高锰酸钾溶液发生反应,故D项说法正确。 2.下列有机化合物中,属于烷烃的是( ) A.CH2===CH2 B.CH3CH2CH2CH2Cl 解析: 选D。 分子中碳原子间以单键相连,碳原子的其他价键都被氢原子所饱和的烃属于烷烃。 3.下列有机化合物中: ①丙烷、②正丁烷、③正戊烷,按沸点由高到低的顺序排列正确的是( ) A.①>②>③B.③>②>① C.③>①>②D.②>①>③ 解析: 选B。 烷烃的沸点随碳原子个数的增加逐渐升高,则正戊烷的沸点高于正丁烷,正丁烷的沸点高于丙烷,B项正确。 同系物的概念与判断 4.下列说法中错误的是( ) ①化学性质相似的有机物一定是同系物 ②分子组成相差一个或几个“CH2”原子团的有机物一定是同系物 ③若烃中碳、氢元素的质量分数相同,它们必定是同系物 ④互为同系物的两种有机物的物理性质有差异,但化学性质必定相似 A.①②③④ B.②③ C.③④ D.①②③ 解析: 选D。 互为同系物的有机物结构相似,化学性质相似,物理性质随碳原子数的递增,呈规律性变化,④正确;化学性质相似的有机物,结构不一定相似,故不一定是同系物,①错误;CH2===CH2和 在分子组成上相差一个“CH2”原子团,碳、氢元素的质量分数均相同,但二者结构不相似,不是同系物,②③错误。 5.下列各组物质不属于同系物的是( ) A.CH3—CH3 B.CH2===CH—CH3 CH2===CH—CH2—CH3 C.CH3—CH2—OH CH3—CH2—CH2—CH3 答案: C 重难易错提炼 1.有机化合物指含碳的化合物(碳的氧化物、碳酸及其盐、氰化物、硫氰化物等除外)。 绝大部分有机化合物中既含碳元素又含氢元素,但也有部分有机物中不含氢元素。 2.绝大多数有机化合物熔沸点低、难溶于水、易燃烧。 3.甲烷是一种无色、无味、比空气轻、难溶于水的气体。 4.甲烷易燃烧,放出大量的热,其燃烧的化学方程式为CH4+2O2 CO2+2H2O;在光照条件下甲烷与氯气易发生取代反应,其化学方程式依次为CH4+Cl2 CH3Cl+HCl,CH3Cl+Cl2 CH2Cl2+HCl,CH2Cl2+Cl2 CHCl3+HCl,CHCl3+Cl2 CCl4+HCl。 5.取代反应指有机化合物分子中的某种原子(或原子团)被另一种原子(或原子团)所取代的反应。 CH4与Cl2的取代反应条件是光照,并且是漫射光;不能强光直射,否则易爆炸;卤素必须是气态纯净物,否则只萃取,不发生反应,如己烷和溴水只发生萃取。
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