資源簡介

8.1第1課時　天然氣的利用　甲烷
【學習目標】
1.知道化石燃料的成分。
2.認識甲烷的分子組成、結構特征、主要化學性質及其應用。
3.了解取代反應的特征。
4.了解烴、烷烴及同系物的概念。
【合作探究】
【學習情境】
在人們擔心化石能源將被耗盡的時候,科學家發現在各個大陸向海洋延伸的大陸邊緣水深300~500 m 的深度,尤其是在海底以下1000~1100 m深度的沉積地層中,以及高緯度地區廣泛發育的永久凍土層中,蘊藏著豐富的氣體水合物——天然氣水合物資源,科學家把它們稱為“易燃冰”或“可燃冰”。
任務1　甲烷的結構
【新知生成】
1.甲烷分子具有　　　　　　　空間結構。
2.若把甲烷分子中的一個H換成Cl,則它　　　　(填“是”或“不是”)正四面體結構。根據甲烷的正四面體結構推測CH2Cl2的結構有　　　　種,通過搭建其球棍模型來證明。
【答案】1.正四面體　2.不是　1
【核心突破】
典例1　下列各圖均能表示甲烷的分子結構,哪一種更能反映其真實存在狀況(　　)。
　　　A.分子結構示意圖　　　　　　B.電子式
C.球棍模型　　　　　　D.空間填充模型
【答案】D
【解析】這幾種形式都可表示甲烷分子,其中分子結構示意圖、球棍模型及空間填充模型均能反映甲烷分子的空間構型,但空間填充模型更能形象地表達出甲烷分子中H、C原子的位置及所占比例。電子式只反映出原子的最外層電子的成鍵情況。
【歸納總結】
1.證明甲烷分子是正四面體結構的方法
甲烷的正四面體結構,可以通過研究CH2Cl2存在幾種結構來確定。CH4有4個等同的C—H鍵,在空間上可能有兩種對稱分布:正四面體結構和平面正方形結構,如圖所示。
若是正四面體結構,則甲烷分子中任意2個氫原子被2個氯原子取代,CH2Cl2的結構只有1種;若是平面正方形結構,則取代的2個氫原子分鄰位和對位,CH2Cl2的結構有兩種?？茖W研究發現,CH2Cl2的結構只有1種,說明甲烷是正四面體結構。
2.甲烷空間結構的兩點拓展應用
(1)若CH4分子中的4個氫原子全部用其他相同的原子替代,則形成的分子結構仍為正四面體結構。
(2)若CH4分子中的氫原子被其他原子替代,則形成的分子結構仍為四面體,但不一定屬于正四面體,如CH3Cl、CH2Cl2等。
訓練1　下圖是CH4、CCl4、CH3Cl的分子球棍模型。下列說法正確的是(　　)。
A.CH3Cl是正四面體結構
B.CCl4是正四面體結構
C.CH4和CCl4的電子式完全相同
D.CH4和CCl4的性質完全相同
【答案】B
【解析】CH3Cl是四面體結構,但不是正四面體結構,A項錯誤;CCl4可看作CH4中的4個H原子被4個Cl原子代替,因此CCl4繼承了CH4的正四面體空間結構,B項正確;CH4的電子式為H,CCl4的電子式為,C項錯誤;CH4是可燃性氣體,CCl4是不能燃燒的液體,D項錯誤。
任務2　甲烷的性質
【新知生成】
一、物理性質
甲烷是一種　　　　色、　　　　味、　　　　溶于水的　　　　　　體,密度比空氣　　　　。
二、化學性質
1.性質　　　　,不與　　　　、　　　　、　　　　　　　等物質反應。
2.可燃性:甲烷是高效而潔凈的　,
燃燒的化學方程式為　。
3.取代反應
(1)有機化合物分子中的某種原子(或原子團)被　　　　　　原子(或原子團)所　　　　　　的反應。
(2)實驗探究——甲烷與氯氣的反應
實驗操作
實驗現象 a.集氣瓶內氣體黃綠色逐漸消失,最后變為　　　　色 b.集氣瓶內壁有　　　　出現 c.集氣瓶內液面　　　　,水槽內有少量固體析出
反應原理 CH4+Cl2　　　　　　　 CH3Cl+Cl2　　　　　　　 CH2Cl2+Cl2　　　　　　　 CHCl3+Cl2　　　　　　　
產物特點 常溫下CH3Cl是　　　　體,CH2Cl2、CHCl3、CCl4都是不溶于水的　　　　體
取代反應 有機物分子里的某些　　　　被其他　　　　　 所取代的反應
4.檢驗甲烷燃燒產物的簡便操作方法是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
5.1 mol CH4與1 mol Cl2在光照條件下充分反應,所得有機產物是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】一、無　無　難　氣　小　二、1.穩定　強酸　強堿　KMnO4　2.燃料　CH4+2O2CO2+2H2O　3.另一種　取代　光照　無　油狀液滴　上升　CH3Cl+HCl　CH2Cl2+HCl　CHCl3+HCl　CCl4+HCl　氣　液　原子或原子團　原子或原子團　4.在火焰上方罩一只干冷的燒杯可以檢驗產物H2O;罩一只內壁用澄清石灰水潤濕過的燒杯可以檢驗產物CO2　5.一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳的混合物
【核心突破】
典例2　2017年我國首次海域可燃冰(甲烷的結晶水合物)試采成功。下列關于甲烷的結構與性質的說法中,正確的是(　　)。
A.甲烷是平面正方形分子
B.甲烷能與強酸、強堿反應
C.甲烷能與氯氣在光照條件下反應
D.甲烷能使酸性高錳酸鉀溶液褪色
【答案】C
典例3　下列反應中屬于取代反應的是(　　)。
A.CH4+2O2CO2+2H2O
B.CH4+Cl2CH3Cl+HCl
C.CH4C+2H2
D.CH4+4CuO4Cu+CO2+2H2O
【答案】B
【解析】CH4燃燒屬于氧化反應,A項錯誤;CH4中的1個H原子被Cl2中的1個Cl原子取代生成CH3Cl,B項正確;CH4隔絕空氣加強熱生成炭黑和氫氣,屬于分解反應,C項錯誤;CuO將CH4氧化成CO2和水,屬于氧化反應,D項錯誤。
【歸納總結】
1.CH4與Cl2的取代反應
反應條件
　　
反應物要求 Cl2單質而不是氯水
　　
反應特點
　　
反應產物
2.取代反應與置換反應的比較
取代反應 置換反應
舉例 CH4+Cl2CH3Cl+HCl Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑
定義 有機物分子里的原子(或原子團)被其他原子(或原子團)所取代的反應 一種單質跟一種化合物反應,生成另一種單質和另一種化合物的反應
反應物 一種化合物和另一種化合物或單質 一種單質和一種化合物
生成物 一般生成兩種新化合物 另一種化合物和另一種單質
反應中 電子得失 不一定發生電子轉移,因此不一定是氧化還原反應 一定發生電子轉移,一定是氧化還原反應
訓練2　下列關于甲烷的敘述正確的是(　　)。
A.甲烷不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色,不能被氧化
B.甲烷可以與氯氣發生取代反應,因此可以使氯水褪色
　　C.甲烷能夠燃燒,在一定條件下會發生爆炸,這是礦井安全的重要威脅之一
D.將甲烷與氯氣以體積比1∶1混合,光照條件下就可得到比較純凈的CH3Cl
【答案】C
【解析】CH4不能使高錳酸鉀溶液褪色,但是能與O2反應,甲烷的燃燒屬于氧化反應,A項錯誤;CH4與Cl2反應屬于取代反應,是與氣態氯氣在光照條件下的反應,不能與氯水反應,B項錯誤;CH4與O2混合,一定范圍內會發生爆炸,C項正確;CH4與Cl2在光照條件下的產物有CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4及HCl,D項錯誤。
訓練3　取一支大試管,通過排飽和食鹽水的方法先后收集半試管甲烷和半試管氯氣,將試管倒置于盛有飽和食鹽水的水槽中,放在光亮處,進行如圖所示的實驗。光照一段時間后,試管內液面上升,氣體顏色逐漸變淺,試管壁出現油狀液滴,試管中出現少量白霧。下列關于該實驗的說法不正確的是(　　)。
A.氯氣在飽和食鹽水中的溶解度小于在水中的溶解度
B.試管壁出現了油狀液滴,是因為該反應生成了氯化氫
C.試管中的白霧是反應生成的氯化氫氣體遇水形成的酸霧
D.由實驗過程中產生的現象可推知,甲烷與氯氣在光照條件下能發生取代反應
【答案】B
【解析】氯氣溶于水生成氯離子,氯離子抑制了氯氣的溶解,所以氯氣在飽和食鹽水中的溶解度小于在水中的溶解度,A項正確;反應過程中試管壁上有油珠產生,為二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳的混合物,不溶于水,為油狀液滴,而不是HCl的小液滴,B項錯誤;CH4和Cl2發生取代反應,生成HCl,HCl遇水形成白色的酸霧,C項正確;甲烷和氯氣在光照條件下發生了取代反應,得到的是一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和HCl的混合物,D項正確。
任務3　烷烴的性質　同系物
【新知生成】
由碳、　　　　兩種元素組成的有機化合物,稱為　　　　　　　,又叫　　　　　　　　。
一、烷烴
1.概念:碳原子之間都以　　　　　　　　相連的(鏈狀)烴被稱為烷烴。
2.分子通式:　　　　　　　(n為正整數)。
3.化學性質:類似　　　　。
4.普通命名:
(1)分子中含1~10個碳原子的烷烴,依次為甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、　　　　、　　　　、　　　　、　　　　、　　　　和　　　　。
(2)分子中碳原子數超過10個的烷烴,直接根據碳原子數稱為某烷,如C16H34稱為　。
(3)根據烷烴的通式推斷戊烷的分子式為　　　　 　　,寫出戊烷的結構式:　　　　　　 　　　。
二、同系物
1.結構　　　　,分子組成相差1個或若干個“　　　　”原子團的有機化合物互稱為同系物。
2.分子組成相差一個CH2的化合物是否一定互為同系物 　　　　(填“一定”或“不一定”),舉例說明:　　　　　　　　　　。
【答案】氫　碳氫化合物　烴　一、1.碳碳單鍵　2.CnH2n+2
3.甲烷　4.(1)戊烷　己烷　庚烷　辛烷　壬烷　癸烷
(2)十六烷　(3)C5H12　、、　二、1.相似　CH2　2.不一定　HCl和CH3Cl相差一個CH2,但二者不互為同系物
【核心突破】
典例4　下列關于烷烴的說法中錯誤的是(　　)。
A.甲烷的空間填充模型為
B.乙烷的結構式為CH3CH3
C.甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)互為同系物
D.通常情況下,烷烴與強酸、強堿或高錳酸鉀等強氧化劑不發生反應
【答案】B
【解析】甲烷為正四面體結構,碳原子半徑大于氫原子,空間填充模型為,A項正確;乙烷結構式為,CH3CH3是乙烷的結構簡式,B項錯誤;甲烷(CH4)和丙烷(C3H8)結構相似,組成上差2個CH2原子團,互為同系物,C項正確;烷烴為飽和烴,性質穩定,所以通常情況下,烷烴與強酸、強堿或高錳酸鉀等強氧化劑不發生反應,D項正確。
【歸納總結】
1.烷烴的結構與性質
烷烴
2.同系物、同分異構體、同素異形體、同位素的比較
概念 內涵 研究 對象 比較 實例
相同 不同
同系 物 結構相似,在分子組成上相差一個或若干個“CH2”原子團的有機化合物互稱為同系物 有機 化合 物 結構 相似 分子式不同,分子組成上相差一個或若干個“CH2”原子團 CH3CH3與
同分 異構 體 具有相同的分子式、不同結構的化合物互稱為同分異構體 化合 物 分子 式相 同 結構 不同 CH3(CH2)3CH3 與C(CH3)4
同素 異形 體 同一種元素形成的幾種性質不同的單質 單質 元素 種類 相同 性質 不同 O2與O3
同位 素 質子數相同而中子數不同的同一元素的不同原子互稱為同位素 原子 質子 數相 同 中子數 不同 CCC
訓練4　下列各組物質中,互為同系物的是　　　　(填字母,下同);互為同分異構體的是　　　　。
A.CH3CH2CH3、、CH3CH2CH2CH2CH3
B.CH2CH2、CH2CH—CH3、CH3CHCHCH3
C.、、
D.CH3CH2CH2CH2CH3、、
【答案】AB　CD
【課堂小結】
【隨堂檢測】
1.下列關于CH4的說法錯誤的是(　　)。
A.CH4是沼氣、天然氣和煤礦坑道氣的主要成分
B.甲烷不能使酸性KMnO4溶液褪色
C.收集甲烷可以用向上排空氣法
D.甲烷和氯氣光照時發生取代反應
【答案】C
【解析】甲烷密度小于空氣,收集甲烷可以用向下排空氣法,C項錯誤。
2.下圖是兩種烴的球棍模型,下列分析正確的是(　　)。
A.這兩種分子中,碳原子間都以單鍵結合,其余價鍵全部被氫原子所飽和
B.這兩種分子結構不同,分子式不同
C.這兩種烴都屬于烷烴,具有相似的化學性質和物理性質
D.這兩種烴互為同系物
【答案】A
【解析】此兩種烴的分子式均為C4H10,兩者都為烷烴且互為同分異構體,兩者有相似的化學性質,但物理性質不同,前者的熔、沸點高于后者。
3.實驗室中用如圖所示的裝置進行甲烷與氯氣在光照下反應的實驗。光照下反應一段時間后,下列裝置示意圖中能正確反映實驗現象的是(　　)。
　A　　　　　B　　　　　　C　　　　D
【答案】D
【解析】在光照條件下氯氣與甲烷發生取代反應生成氯化氫和四種氯代甲烷,由于Cl2被消耗,氣體的顏色逐漸變淺;氯化氫極易溶于水,所以液面會上升;但氯代甲烷是不溶于水的無色氣體或油狀液體,所以最終水不會充滿試管。故D項正確。
4.已知某烷烴的相對分子質量為30。
(1)該烷烴的分子式為　　　　。
(2)該烷烴在光照時與Cl2反應生成一氯代物的化學方程式為　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　,屬于　　　　反應。
【答案】(1)C2H6　(2)CH3CH3+Cl2CH3CH2Cl+HCl　取代
【解析】烷烴的通式為CnH2n+2,則14n+2=30,則n=2,即C2H6。
5.現有下列6種有機物:
①CH2CH2
②CH3CH2C≡CH
③CH3C≡CCH3
④CH3COOC2H5
⑤
⑥CH3—CH2—CH3
(1)其中不屬于烴類的是　　　　(填序號,下同)。
(2)其中屬于烷烴的是　　　　。
(3)其中與①互為同系物的是　　　　。
(4)其中與②互為同分異構體的是　　　　。
【答案】(1)④　(2)⑥　(3)⑤　(4)③
【解析】只含C、H兩種元素的有機物屬于烴;分子式符合通式CnH2n+2(n≥1)的烴屬于烷烴;結構相似,分子組成上相差一個或多個CH2原子團的物質互為同系物;分子式相同、結構不同的物質互為同分異構體。
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