2020化学新素养同步人教必修二讲义素养练第3章第1节第1课时甲烷的性质解析

第一节最简单的有机化合物——甲烷第1课时甲烷的性质学习目标核心素养建构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。[知识梳理]一、有机化合物和烃概念组成元素有机化合物含有碳元素的化合物一定含有碳元素，常含有氢、氧元素，有的还含有氮、硫、磷、卤素等烃仅含有碳、氢两种元素的有机物C、H(写元素符号)【自主思考】1．CO、CO2、H2CO3及碳酸盐属于有机物吗？提示CO、CO2、H2CO3及碳酸盐虽然含有碳元素，但其组成和性质大多具有无机物的特点，因此属于无机物。二、甲烷1．分子结构(1)分子组成：(2)空间结构：分子结构示意图结构特点及空间构型4个C—H键的长度和强度相同，夹角相同，具有正四面体结构【自主思考】2．若把甲烷分子中的一个氢原子换成氯原子，还是正四面体结构吗？提示因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。2．物理性质颜色状态气味密度(与空气相比)水溶性无色气体无味比空气小极难溶3.化学性质通常状况下，甲烷性质比较稳定，与强酸、强碱、强氧化剂都不反应。但在特定的条件下，甲烷也能发生某些反应。(1)氧化反应。甲烷在空气中燃烧的化学方程式为CH4＋2O2――→点燃CO2＋2H2O；现象为安静地燃烧，火焰呈淡蓝色。(2)取代反应①实验探究：甲烷与Cl2的取代反应。实验操作实验现象A装置：a.试管内气体颜色逐渐变浅；b.试管内壁有油状液滴出现；c.试管中有少量白雾；d.试管内液面上升；e.水槽中有固体析出B装置：无明显现象实验结论CH4与Cl2在光照时才能发生化学反应，有关化学方程式为CH4＋Cl2――→光CH3Cl＋HCl；CH3Cl＋Cl2――→光CH2Cl2＋HCl；CH2Cl2＋Cl2――→光CHCl3＋HCl；CHCl3＋Cl2――→光CCl4＋HCl②甲烷的四种氯代产物的性质。a．水溶性：CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4均难溶于水。b．状态：常温下除CH3Cl是气体，其余三种均为液体。③取代反应概念：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。4．存在与用途甲烷是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分，是一种高效、低耗、污染小的清洁能源，也是一种重要的化工原料。[效果自测]1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)有机物都含有碳元素，则含有碳元素的化合物都是有机物()(2)有机物都易燃烧()(3)烃是含有碳元素和氢元素的化合物()(4)烃在氧气中充分燃烧后只生成二氧化碳和水()(5)天然气的主要成分是甲烷，其属于可再生能源()(6)在点燃甲烷气体之前必须检验其纯度()(7)甲烷与Cl2的反应是置换反应()答案(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×(6)√(7)×2．瓦斯爆炸往往与矿坑中的甲烷有关，下列叙述中错误的是()A．点燃甲烷不必事先进行验纯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．点燃混有空气的甲烷不一定会爆炸答案A探究一、有机物组成和结构的表示方法【合作交流】1．从碳的原子结构分析，有机物成键有什么特点？提示碳的原子结构示意图，其最外层有4个电子，不易失电子，也不易得电子，一般通过共价键与氢、氧、卤素、硫、氮等元素的原子相结合，也可以与碳原子形成多种形式的共价键。2．根据甲烷的正四面体结构推测CH2Cl2结构应该有几种？提示甲烷的立体结构为，因此CH2Cl2中2个Cl在空间一定处于相邻位置，CH2Cl2只有一种结构。【点拨提升】1．甲烷空间结构的三点拓展应用(1)若CH4分子中的4个氢原子全部被其他相同的原子或原子团替代，则形成的分子结构仍为正四面体结构。(2)若CH4分子中的4个氢原子被其他不同的原子或原子团替代，则形成的分子结构仍为四面体，但不属于正四面体，如CH3Cl、CH2Cl2等。(3)由CH4的空间结构可推知CH3CH2CH3等有机物中的碳原子并不在一条直线上。2．常见有机物结构的表示方法(以甲烷为例)表示方法含义分子式：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具有化学式所能表示的意义，能反映物质的结构；②表示分子中原子结合或排列顺序的式子，但不表示空间构型球棍模型：小球表示原子，短棍表示价键(单键、双键或三键)比例模型：用不同体积的小球表示不同大小的原子【典题例证1】下列各图均能表示甲烷的分子结构，按要求回答下列问题。(1)甲烷的球棍模型是________________，甲烷的电子式是________________(填序号)。(2)如果甲烷是平面结构，则CH2Cl2应该有________种结构，实际CH2Cl2有________种结构，证明甲烷不是平面结构，而是________结构，上述中的________更能反映其真实存在状况。解析(1)这几种形式都可以表示甲烷这种物质，其中分子结构示意图(A)、球棍模型(C)及比例模型(D)均能反映甲烷分子的空间构型，但其中比例模型更能形象地表达出H、C的相对位置及所占比例；电子式(B)只反映原子最外层电子的成键情况。(2)甲烷的结构式为，其分子空间构型若为平面正方形结构，则二氯甲烷有2种结构：、；实际上甲烷为空间正四面体结构，所以二氯甲烷只有1种结构。答案(1)CB(2)21正四面体D【学以致用1】下列说法正确的是()A．甲烷分子的比例模型为，其二氯取代物有2种结构B．甲烷分子的球棍模型为C．天然气不属于可再生能源D．标准状况下，11.2LCCl4中含有C—Cl键的数目为2NA解析甲烷分子的比例模型为，其二氯取代物有1种结构，所以A项和B项均错误。天然气为化石燃料，属于不可再生能源，C项正确。标准状况下，CCl4是液态不是气态，所以11.2LCCl4的物质的量不是0.5mol，D错误。答案C探究二、甲烷的取代反应【合作交流】1．取代反应是有机反应的基本类型之一。甲烷与氯气光照条件下的反应属于取代反应，CH4与Br2(g)能否发生类似的反应，如何用化学方程式表示？提示能；CH4＋Br2(g)――→光CH3Br＋HBr。2．CH4和Cl2取代反应的产物中物质的量最多的是什么？它与Cl2在物质的量上有什么关系？提示因为在CH4和Cl2的取代反应中，每一步都有HCl生成，故产物中物质的量最多的是HCl。根据化学方程式可知，每生成1molHCl则消耗1molCl2，故反应生成的HCl与反应消耗的Cl2的物质的量相等。3．CH4与Cl2反应共有几种产物？根据取代反应的原理，思考能否用CH4和Cl2按1∶1的体积比混合来制取纯净的CH3Cl?提示CH4和Cl2的反应是连锁反应，不可能只发生第一步取代反应，生成物为混合物，即CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4四种有机物与氯化氢形成的混合物，CH3Cl的产率低。因此不能用CH4和Cl2按1∶1的体积比混合来制取纯净的CH3Cl。【点拨提升】1．甲烷与卤素单质的取代反应反应条件光照(强光照射会发生爆炸)反应物气态卤素单质和甲烷生成物卤化氢和各种卤代甲烷的混合物，其中卤化氢的量最多反应特点①卤素单质不同，反应速率不同②逐步取代，各步反应同时进行③取代1molH原子，消耗1molX2，生成1molHX2.甲烷与卤素单质发生取代反应时易错的四个方面(1)反应物：卤素单质(纯卤素)和甲烷，不能是卤素单质的水溶液。(2)生成物：卤化氢和卤代甲烷(四种)的混合物，其中卤化氢的物质的量最多。(3)反应条件：光照(室温下在暗处不发生反应)。(4)反应特点：用“―→”而不用“===”，仍遵守质量守恒定律，需要配平。【典题例证2】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CH3ClB．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1mol氢原子，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。答案C【学以致用2】在标准状况下，22.4LCH4与Cl2在光照下发生取代反应，待反应完全后，测得四种有机取代物的物质的量相等，则消耗的Cl2为()A．0.5molB．2molC．2.5molD．4mol解析方法一守恒法1molCH4与Cl2发生取代反应，生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各0.25mol，这四种取代物中n(Cl)＝0.25mol×(1＋2＋3＋4)＝2.5mol，根据取代反应特点，n(HCl)＝2.5mol，故生成物中所含氯原子共2.5mol＋2.5mol＝5mol，参加反应的Cl2为n(Cl2)＝2.5mol。方法二根据化学方程式进行计算设四种有机取代物的物质的量均为1mol，写出取代反应总的化学方程式：4CH4＋10Cl2――→光CH3Cl＋CH2Cl2＋CHCl3＋CCl4＋10HCl，由此可知，4molCH4正好与10molCl2反应，当1molCH4反应时，消耗Cl22.5mol。答案C1．下列关于甲烷的说法中错误的是()A．甲烷分子具有正四面体结构B．甲烷分子的球棍模型：C．甲烷分子中具有极性键D．甲烷分子中四个C—H键是完全等价的键解析A项，甲烷是正四面体结构，正确；B项为甲烷的比例模型，故错误；C项，甲烷中存在碳和氢之间的极性键，正确；D项，甲烷中四个碳氢键都相同，故正确。答案B2.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甲烷的化学性质比较稳定，但能够燃烧生成CO2和H2O，一定条件下，也能被氧化剂(如O2)氧化。答案B3．将1mol甲烷与一定量的氯气混合于一量筒中，倒立于盛有饱和食盐水的水槽(如图所示)，对于此反应，有关叙述不正确的是()A．该反应属于取代反应B．该反应的条件是光照C．该反应的生成物只有四种D．该反应现象有量筒内气体颜色变浅，器壁上有油状液滴解析CH4与Cl2在光照条件下发生取代反应，该反应的生成物有一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、氯化氢五种产物；所以现象是量筒内气体颜色变浅，器壁上有油状液滴。答案C4．下列化学反应中不属于取代反应的是()A．CH2Cl2＋Br2――→光照CHBrCl2＋HBrB．CH3OH＋HCl――→△CH3Cl＋H2OC．2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑D．CH3—CH2—Br＋H2O――→NaOH△CH3—CH2—OH＋HBr解析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。答案C5．如图是某同学利用日常用品注射器设计的简易实验装置。甲管中注入10mLCH4，同温同压下乙管中注入50mLCl2，将乙管气体推入甲管中，气体在甲管中反应，试管放在光亮处一段时间。(1)下列是某同学预测的实验现象：①气体最终变为无色；②实验过程中，甲管活塞向内移动；③甲管内壁有油珠；④产生火花。其中正确的是________。(2)甲管中发生化学反应的类型为________。(3)反应后，甲管中剩余气体能用下列试剂吸收的是_____________________________________________________________。A．水B．NaOH溶液C．AgNO3溶液D．饱和食盐水(4)反应后，若将甲中的物质