甲烷的制备与性质

甲烷的制备与性质一、实验教学目标掌握实验室制备CH4及CH4性质实验的操作；初步学会CH4实验的演示教学方法。二、实验原理CH4制备的主反应：CH3COONa+NaOH𝐶𝑎𝑂→∆Na2CO3+CH4↑CH4制备的副反应：CH4在空气中的燃烧CH4+2O22H2O+CO2CH4的物理性质：俗名天然气、沼气、坑气、瓦斯。通常状况下，CH4无色、无味、极难溶于水（17℃时，3.5mg*100mL-1），密度比空气小（标准状况下0.717g*L-1）,结构为正四面体非极性分子，是有机物中最简单的分子。CH4的化学性质：通常情况下，CH4性质稳定，不易与强酸、强碱、卤素单质的水溶液和强氧化剂反应，特定条件下会发生一些反应。空气中燃烧产生淡蓝色火焰，甲烷中混入氧气或空气遇明火会发生爆炸（CH4的爆炸极限体积比为5%-15%），引燃温度为538℃。三、实验用品与仪器铁架台、酒精灯、火柴、大试管、单孔橡胶塞、120°，30°玻璃导气管、研钵、水槽、集气瓶、玻璃片、电子天平、坩埚钳、铝箔、药匙、玻璃棒、锥形瓶。无水CH3COONa（L.R.）、碱石灰（L.R.）、NaOH（L.R.）、CaO（L.R.）、Fe2O3（L.R.）、0.1%酸性KMnO4（aq）、澄清Ca(OH)2（aq）、30%H2O2（aq）、MnO2（L.R.）。四、实验内容1.CH4的制取与收集（1）方法1①实验操作过程及现象:检查装置气密性：然后称取取7.5g处理过的无水CH3COONa、2.0gNaOH、2.0gCaO，再将它们分别在研钵内研成粉末后混合均匀后放入已剪好的铝箔中，将装有药品的铝箔推入洁净、干燥的大试管，管口略向下倾斜，避免加热时反应产生的水倒流入高温加热部，使试管破裂塞进单孔塞；点燃按照从左到右，从上到下的原则组装仪器装置如下图；点燃酒精灯后，先预热试管中后部位1—2分钟（切勿预热到铁夹处），然后集中在试管的药品前部加热，一段时间后当出气量减弱时在集中于试管底部加热。大试管的倾斜角度要适度，以防止生成的气体将前面的药品带出堵住试管口；导气管刚开始有气泡冒出时不接收，待气泡快速、均匀、冒出时，表示管中空气排尽。取支试管，其中装满水，用大拇指堵住试管口，倒置于盛有水的水槽中，开始收集CH4。当所需的CH4收集完毕，先要取出导管在撤离酒精灯，以防倒吸。拆除装置，处理药品，清洗仪器。注意事项：该反应是在无水条件下进行的，因此发生装置必须干燥；○2研磨不同固体颗粒时一定要分开研磨，然后再均匀混合。为防止NaOH吸收空气中的水分，应将NaOH的研磨放在最后；○3CaO并不参与反应，它的作用是除去苛性钠中的水分，减少苛性钠与玻璃的作用，分散和固定液相，降低液面的流动性，减弱或防止试管腐蚀和破裂，同时也使反应物混合疏松，利于CH4气体的逸出。⑥验纯：把用排水法收集的甲烷气体，用大拇指按住试管口，将试管口向下略倾斜靠近酒精灯火焰，如果甲烷安静的燃烧或发出“噗”的一声，则说明甲烷纯净，可以进行下面的性质实验；⑦实验结束后，先移出导管后熄灭酒精灯，以防倒吸。实验现象：反应物在加热时融化，验纯时甲烷安静的燃烧，说明甲烷是纯净的。注意事项：①该反应是在无水的条件下进行的，所以发生装置必须干燥；②研磨不同固体颗粒时一定要分别研磨，然后在混合均匀。为防止NaOH吸水，应将其放在最后研磨；③加热时，缓缓向后移动酒精灯，加热时应将试管向下倾斜，保证充分反应，增加甲烷产量；④甲烷在验纯时试管口应向下略倾斜；⑤该实验中的CaO并不参与反应，它的作用是除去苛性钠中的水分、减少苛性钠与玻璃的作用，防止试管炸裂，同时也使反应混合物疏松，便于甲烷气体的逸出；⑤实验结束后，先撤导管，后撤酒精灯（防止水倒吸，使试管炸裂）。方法二操作过程：检查装置气密性：把导管的下端侵入水槽中，用双手紧握试管底部（也可用热毛巾捂热或者用酒精灯微热），如果观察到导气管口有气泡逸出，证明装置气密性良好；②取3gCH3COONa、2gNaOH、2gFe2O3，将三者分别用研钵研细，再混合均匀，借用纸槽加入硬质试管中（药品平铺在试管底部），塞进单孔塞；④点燃酒精灯后，先预热试管1分钟，然后集中火力由管前向管尾加热；⑤用排水法收集（甲烷极难溶于水，）。反应开始后，待气泡快速、均匀冒出时，此时整个装置中的空气已排尽，开始收集。当试管口冒出第一个气泡时，表示已集满，用手捂住试管口，移除水面；⑥验纯：把用排水法收集的一试管甲烷气体，用大拇指按住试管口，将试管口向下略倾斜靠近酒精灯火焰，如果甲烷安静的燃烧或发出“噗”的一声，则说明甲烷纯净，可以进行下面的性质实验；⑦收集：用排水法分别收集1/3体积的甲烷备用。收集完后，将弯型导管换成直型导管。实验现象：反应物在加热时融化；验纯时，甲烷安静的燃烧，说明甲烷是纯净的；该反应制甲烷，产生速度比方法一快。注意事项：①该实验中Fe2O3并不参加反应，它的作用是除去苛性钠中的水分、减少苛性钠与玻璃的作用，防止试管炸裂，同时也使反应混合物疏松，便于甲烷气体的逸出；其次Fe2O3有很好的传热性，所以反应预热时间短，反应快；其密度大，对反应物有固定作用。②导气管伸入发生装置内要稍露出橡皮塞（不要太长）有利于产生的气体排出；③加热时应将试管向下倾斜；④实验结束后，先撤导管，后撤酒精灯（防止水倒吸，使试管炸裂）.2．甲烷的性质实验（1）甲烷在空气中的燃烧操作过程：甲烷验纯后直接在导管口点燃；然后在甲烷火焰上方倒置一个干燥的小烧杯；最后换一个用澄清石灰水浸润的烧杯罩在甲烷火焰上方，观察实验现象。实验现象：在导管口点燃，开始为浅蓝色火焰，几分钟后看到发出黄色火焰；在甲烷火焰上方倒置一个干燥的小烧杯，可观察到烧杯壁上有水珠生成；换一个用石灰水浸润的烧杯罩在甲烷火焰上方，可观察到石灰水变浑浊。解释：CH4+2O22H2O+CO2CO2+Ca(OH)2CaCO3+H2O注意事项：甲烷经验纯后点燃，可看到浅蓝色火焰，但是有时会看到黄色火焰，其中原因比较复杂。（2）CH4与酸性KMnO4溶液的反应操作过程：将直型导管直接通入装有3mlKMnO4的试管中，观察高锰酸钾颜色变化。实验现象：高锰酸钾溶液不褪色。解释：CH4无不饱和键，不能与酸性KMnO4反应使其褪色。注意事项：在空气中放置一段时间后，KMnO4也会褪色，但这是与空气中的还原物质反应了，而并非CH4的作用。（3）CH4与溴水反应操作过程：将直型导管直接通入装有3ml溴水的试管中，观察溴水的颜色变化。实验现象：溴水不褪色解释：CH4无不饱和键，不能与溴水反应使其褪色注意事项：如果通入甲烷时间过长，可能会看到溴水褪色，其原因是甲烷从液面下冒出时,对于溴水溶液中易挥发的溴具有“携带”作用,因此通气时间稍长,也会使溴水溶液的颜色变浅或完全褪去,也可能是由于甲烷中混有还原性气体所致，从而造成误解。（4）CH4与O2混合爆鸣实验点燃操作过程：以H2O2分解法，用排水法在原来已收集的1/3体积的甲烷的集气瓶中继续收集满氧气。用毛玻璃片盖住瓶口，再用抹布包住集气瓶，瓶口对住火焰点燃，观察现象。实验现象：在火焰点燃后，可看到“火蛇”般的火焰蹿出，并伴有低沉的爆鸣声。解释：甲烷中混入氧气遇明火会发生爆炸。注意事项：①在做甲烷的燃烧与爆鸣实验时，必须要先验纯；②爆鸣时，集气瓶口应高于瓶底，集气瓶口的位置应高于酒精灯火焰。防止爆鸣冲击力太大，打翻酒精灯。五、相关文献与重点文献综述1.封享华，彭杰，封丽.甲烷制备实验条件优化[J].化学教学，2013，（01）:57-59.评价：本篇文章主要研究了多种因素对甲烷制备的影响，旨在优化甲烷制备的实验条件。通过研究表明，甲烷制备实验主要是由CH3COONa与NaOH在熔融时发生反应，由此解释了甲烷制备过程中，试管容易破裂的原因。并指出水分是否存在是该实验成功与否的关键。通过阅读这篇文章，一方面可提高个人实验技能，另一方面有利于以后从事教学时对各种实验现象的科学解释。2.秦丙昌.保护试管制备甲烷的方法[J].化学教育，2010，（04）:75-76.评价：在甲烷制备实验中试管易炸裂，造成资源的浪费。而本篇文章就提出了保护试管的方法，是通过铜片制作了一种与试管相配套的船形反应器。通过实验证实该方法不仅有效的保护了试管,而且有利于甲烷产率进一步提高。这篇文章详细介绍了船形反应器的制作，且经过了实验证实其是行之有效的。这为我们以后进行甲烷制备实验提供了很好的借鉴作用。3.徐春秀.高师中学化学教学论中甲烷制备实验的教学改进研究[J].江西化工，2011，（02）:48-51.评价：本文主要是对中学教材中的甲烷的制取实验进行了详细分析。主要探究了不同催化剂对甲烷制备实验的催化效果,及对合适的反应物配比进行了探究,且提出了比较适宜的实验方案。这对中学化学中甲烷制取实验有很大提高，并启发了我以后教学时要对课本已有知识进行分析改进，这样才能切实提高自我的科学素养。4.李志富，许宁.甲烷制备方法的改进研究[J].化学教育，2004，（08）:52,63.评价：本篇文章对中学的甲烷制备实验做了一个系统的分析与改进，指出传统的制备方法存在诸多不足，并提出了改进的方法。主要是从硬质试管、药品组成、性质检验几个方面进行改进，这对甲烷制备实验的整体提高有极大的作用，在以后从事教学时就可以从中借鉴学习，更好的完成实验的演示。5.秦丙昌，宋正华，付小普.甲烷制备实验的探讨[J].化学教学，2003，（10）:12-13.评价：实验室通常采用无水乙酸钠和碱石灰共热制备甲烷。然而,碱石灰的成分是什么,却有两种不同说法;按上述方法制备甲烷,往往存在反应慢、产率低等问题,并且,反应过程中有大量水生成,也未得到明确解释。为了解决上述问题,该文献对此实验进行了探讨,明确了碱石灰的成分,比较了不同制备方法的实验效果,确定了最佳原料配比。6.刘怀乐.简析甲烷制备实验中遇到的问题[J].化学教育，1991，（06）:34-35，53.评价：本文以实验为依据,对甲烷制备实验中遇到的问题,谈一些认识。该文献对于一个实验,开展如此广泛、深入、持久地研究本身,说明了两点:一是这个实验是中学化学里的重点实验,也是难点实验;二是这个实验本身,从原理到方法,还有一些未被认识的客观规律,需要进一步地去研究,去分析。这篇文献让我们认识到了在甲烷制备实验中的很多问题，为我们做更好地甲烷实验提供了很多意见。7.熊言林.用碱石灰制取甲烷实验失败原因的探讨[J].化学教学，1994，（04）：7-8.评价：本文介绍了现行高中化学课本中制取甲烷是采用无水醋酸钠和碱石灰以1:3混合加热，导致了实验中反应速度慢，产气率低，而且副反应物多，进行性质实验不明显，以致实验失败。这写现象在我们进行实验中也有同学发生，在化学实验中对失败的原因进行探讨时很有必要的，恰巧这篇文章对此做了介绍，对我们解决该问题提供了很好的思路。