2017年高中化学 第三章 有机化合物 3.1 最简单的有机化合物——甲烷(第1课时)学案 新人教版

第一节最简单的有机化合物——甲烷(第1课时)2009年9月25日，在国土资源部举办的新闻发布会上，总工程师张洪涛介绍，中国在位于祁连山南缘永久冻土带的青海省天峻县发现可燃冰。

这是中国首次在陆域上发现可燃冰，使中国成为继加拿大、美国之后，在陆域上通过国家计划钻探发现可燃冰的第三个国家。

你知道这种“冰”为什么可燃吗？提示：“可燃冰”中含有易燃气体——甲烷。

一、有机化合物1．元素组成：组成有机物的元素除____外，常有____、____，还含有____、____、______、____等。

2．烃：仅含____和____两种元素的有机物。

自主思考1：CO、CO2、H2CO3及碳酸盐属于有机物吗？二、甲烷________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？3．化学性质通常状况下，甲烷性质比较稳定，与______、________、__________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__________________________________________； 现象为安静地燃烧，火焰呈______色。

(2)取代反应装置：试管内气体颜色逐渐______；试管内壁有__________出现，__________，且试管内液面______；水槽中有________装置：____________Cl 2需在______时才能发生化学反应，有关化学方程式为：________________________②甲烷的四种氯代产物的性质a ．水溶性：CH 3Cl 、CH2Cl 2、CHCl 3、CCl 4均________。

b ．状态：常温下除CH 3Cl 是__________，其余三种均为______。

③取代反应概念：有机物分子里的______________被其他__________所替代的反应。

自主思考3：将等物质的量的甲烷与氯气的混合气体光照后，产物是否只有一氯甲烷和HCl?答案：一、1.碳 氢 氧 氮 硫 卤素 磷2．碳 氢自主思考1提示：CO 、CO 2、H 2CO 3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、1.CH 4 正四面体自主思考2提示：因C —H 键与C —Cl 键的长度不同，故CH 3Cl 是四面体结构，但不是正四面体。

2．无 气体 无 小 极难3．强酸 强碱 强氧化剂(1)CH 4＋2O 2――→点燃CO 2＋2H 2O 淡蓝(2)①变浅 油状液滴 少量白雾 上升 固体析出 无明显现象 光照 CH 4＋Cl 2――→光CH 3Cl ＋HCl CH 3Cl ＋Cl 2――→光CH 2Cl 2＋HCl CH 2Cl 2＋Cl 2――→光CHCl 3＋HCl CHCl 3＋Cl 2――→光CCl 4＋HCl②难溶于水 气体 液体③某些原子或原子团 原子或原子团自主思考3提示：不是。

甲烷与氯气的取代反应属于连锁反应，生成的一氯甲烷可继续与氯气发生取代，最终四种取代产物都有。

一、甲烷分子的正四面体结构1．CH 4分子的立体结构为正四面体，4条C —H 键的长度、强度和夹角完全相同，因此CH 4分子中的4个氢原子性质完全相同。

(1)若将CH 4分子中的4个氢原子全部用其他的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，如CCl 4；(2)若CH 4分子中的4个氢原子被其他的不同原子或原子团替代，则形成的分子结构仍为四面体，但不属于正四面体，如CH 3Cl 、CH 2Cl 2、CHCl 3。

2．中学化学中常见的具有正四面体结构的物质有CH 4、CCl 4、P 4、金刚石、晶体硅、NH ＋4等。

(1)有机反应比较复杂，常伴随很多副反应发生，因此有机反应方程式常用“―→”。

(2)利用取代反应和置换反应的特点来判断所给的反应类型时，一要看反应物，即参加反应的是有机物还是无机物，若反应物均为无机物，则一定不属于取代反应；二要看生成物，若生成物中有单质，一般也不属于取代反应。

知识点1 甲烷的分子结构【例题1】 甲烷分子是以碳原子为中心的正四面体结构而不是正方形的平面结构，其理由是( )。

A ．CHCl 3只有一种结构B ．CH 2Cl 2只有一种结构C ．CH 4分子受热分解D ．CH 4的四个价键的长度和强度都相等解析：CH 4无论是正四面体结构还是平面正方形结构时，都符合选项A 、C 、D 的说法，故不能用选项A 、C 、D 来确定CH 4是何种结构；若CH 4是平面正方形结构，则CH 2Cl 2有如下两种结构：和，而CH 4为正四面体结构时，CH 2Cl 2就只有一种结构。

因此可由CH 2Cl 2只有一种结构推知CH 4为正四面体结构。

答案：B点拨：有机物分子中，碳原子以四个单键与其他原子或原子团结合，该碳原子形成的分子结构就是四面体结构，若这四个原子或原子团相同，则该碳原子所形成的分子结构就是正四面体结构。

知识点2 甲烷的氧化反应【例题2】 个体小煤矿曾发生瓦斯爆炸事故，造成人员伤亡，因此在矿井里，必须采取安全措施，如通风、严禁烟火等，而且要随时检查瓦斯的体积分数，如果空气中含甲烷的体积分数为5%～15.4%，遇到明火会发生爆炸。

发生最强烈爆炸时空气中甲烷所占的体积分数约是( )。

A ．5%B ．9.1%C ．10.5%D ．15%解析：爆炸极限是指可燃性气体与空气的混合物点燃能发生爆炸的浓度范围。

事实上在这个浓度范围内爆炸强弱程度不同，其中有一个爆炸最强点，它所要满足的条件是：在混合气体中，可燃性气体与助燃性气体的体积比恰好是完全反应时的比值。

根据反应CH 4＋2O 2――→点燃CO 2＋2H 2O ，恰好完全反应时V (CH 4)∶V (O 2)＝1∶2，空气中氧气所占的体积比约为1/5，甲烷占混合气体的体积分数约为1/(1＋10)×100%≈9.1%。

答案：B点拨：爆炸最剧烈时为氧气和可燃物恰好完全反应时。

知识点3 取代反应的相关实验【例题3】 利用甲烷与氯气发生取代反应制取副产品盐酸的设想在工业上已成为现实。

某化学兴趣小组在实验室中模拟上述过程，其设计的模拟装置如下：根据设计要求回答：(1)B 装置有三种功能：①控制气流速度；②均匀混合气体；③____________。

(2)设V (Cl 2)/V (CH 4)＝x ，若理论上欲获得最多的氯化氢，则x 值应________。

(3)D 装置的石棉中均匀混有KI 粉末，其作用是__________________。

(4)E 装置的作用是__________________(填序号)。

A ．收集气体B ．吸收氯气C ．防止倒吸D ．吸收氯化氢(5)在C 装置中，经过一段时间的强光照射，发现硬质玻璃管内壁有黑色小颗粒产生，写出置换出黑色小颗粒的化学方程式：__________________。

(6)E 装置除生成盐酸外，还含有有机物，从E 中分离出盐酸的最佳方法为____________。

该装置还有缺陷，原因是没有进行尾气处理，其尾气主要成分为________(填序号)。

a ．CH 4b ．CH 3Clc ．CH 2Cl 2d ．CHCl 3e ．CCl 4解析：(1)B 装置的三个作用：①控制气流速度从而达到合适的反应比例；②均匀混合气体，便于后续实验；③干燥混合气体。

(2)当发生反应：CH 4＋4Cl 2――→光CCl 4＋4HCl 时生成HCl 气体最多，所以要保证V 2V 4＝x ≥4。

(3)KI 能吸收多余的Cl 2，反应的化学方程式为Cl 2＋2KI===2KCl ＋I 2。

(4)E 装置既吸收反应生成的HCl 气体，同时还防止倒吸。

(5)根据信息知黑色小颗粒应为炭粉，根据原子守恒应为CH 4＋2Cl 2――→强光C ＋4HCl 。

(6)分离难溶于水的油状液体可用分液法。

答案：(1)干燥混合气体 (2)大于或等于 4 (3)吸收过量的氯气 (4)CD (5)CH 4＋2Cl 2――→强光C ＋4HCl (6)分液 ab点拨：在甲烷与氯气的反应中，生成HCl 的分子数最多。

1 mol 有机化合物C x H y 与Cl 2发生取代反应，最多可消耗Cl 2 y mol ，最多可生成HCl y mol 。

2．下列物质在一定条件下可与CH 4发生取代反应的是( )。

A ．氧气B ．溴水C ．氯气D ．酸性KMnO 4溶液3．甲烷在氧气中燃烧后生成二氧化碳和水，从该实验事实可以得出的结论是( )。

A ．甲烷的分子式为CH 4B ．甲烷气体中含碳元素和氢元素C ．甲烷分子中只含碳元素和氢元素D ．甲烷的化学性质比较稳定4．如图所示，一端封闭的U 形管，封闭着的一端有一段CH 4和Cl 2的混合气体，在水平部分有一段气柱，其他两端为液柱，已知液体与气体不反应，使甲烷和氯气在稍暗的光线下缓慢反应，则中间气柱的长度如何变化(设中间气体未移出U 形管的水平部分)( )。

A ．变大B ．变小C ．不变D ．难以确定5．在光照条件下，将1 mol CH 4与Cl 2反应，得到等物质的量的4种取代物，则消耗Cl 2物质的量为( )。

A ．1 molB ．2 molC ．2.5 molD ．10 mol6．取标准状况下CH 4和过量O 2的混合气体840 mL ，点燃，将燃烧后的气体用过量碱石灰吸收，碱石灰质量增加0.600 g 。

回答下列问题：(1)碱石灰吸收后所剩气体的体积__________(标准状况下)。

(2)原混合气体中CH 4与O 2的体积比__________。

答案：1．D 甲烷的立体结构为正四面体结构，图中的球棍模型没有表示出正四面体结构。

2．C 甲烷性质稳定，与酸性KMnO 4溶液不反应，但在光照时能与纯气态卤素单质发生取代反应，也能在氧气中燃烧发生氧化反应，故只有C 正确。

3．B 根据元素守恒，只能推知甲烷分子中含碳元素和氢元素，不能确定是否含氧元素，更不能确定甲烷的分子式。

4．A CH 4与Cl 2的取代反应有以下特点：①产物为CH 3Cl 、CH 2Cl 2、CHCl 3、CCl 4、HCl 的混合物；②1 mol CH 4最多能与4 mol Cl 2发生取代反应。

因CH 2Cl 2、CHCl 3、CCl 4为液体，即反应后气体体积变小，中间气柱所受压强变小，因此，体积变大。

5．C 由于CH 4＋Cl 2−−→光CH 3Cl ＋HCl ，CH 4＋2Cl 2−−→光CH 2Cl 2＋2HCl ，CH 4＋3Cl 2−−→光CHCl 3＋3HCl ，CH 4＋4Cl 2−−→光CCl 4＋4HCl 。

1 mol CH 4生成CH 3Cl 、CH 2Cl 2、CHCl 3、CCl 4各为0.25 mol ，则消耗Cl 2为0.25＋0.25×2＋0.25×3＋0.25×4＝2.5 mol 。