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 + NaOH CaO

→

∆

Na2CO3 + CH4↑

CH4制备的副反应：

CH4在空气中的燃烧

CH4+2O2 2H2O+CO2

CH

4

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1

①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、2.0g NaOH、2.0 g CaO，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3g CH3COONa、2 g NaOH、2g Fe2O3，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：

点燃

CH4+2O2 2H2O+CO2

CO2+Ca(OH)2 CaCO3 +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3ml KMnO4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