甲烷(总结+习题)

例3. 把1体积CH4和4体积Cl2组成的混合气体充入大试管中，将此试管倒立在盛有饱和食盐水的水槽中，放在光亮处，片刻后发现试管中气体颜色 ，试管中液面 ，试管壁上有 出现，水槽中观察到 。
解析：变浅；上升；黄色油滴；有晶体析出
链状，可以是所谓的“直链”，也可以带有“支链”；⑤即使不带支链的烷烃，它的碳链也不是直线形的，而是锯齿形的。同样带支链的烷烃也是锯齿形的；⑥CH4是所有烃类物质中含H的质量分数最大的。在烷烃中，随着碳原子数的增加，烷烃的含H量逐渐降低，含C量逐渐增大。
4. 物理性质
（1）烷烃的熔、沸点较低。相对分子质量越大，烷烃的熔、沸点越高；相对分子质量相同时，支链越多，熔、沸点越低。
（2）碳原子数≤4的烷烃在常温常压下是气体，其他烷烃在常温常压下是液体或固体。
（3）烷烃的密度都小于水的密度。
（4）烷烃不溶于水而易溶于有机溶剂。
5. 化学性质：烷烃同系物的化学烷类似。
【典型例题】
例1. 下列有关烷烃的叙述中，不正确的是（ ）。
A. 在烷烃分子中，所有的化学键都为单键
B. 所有的烷烃在光照条件下都能与Cl2发生取代反应
C. 烷烃的分子通式为CnH2n+2，符合该通式的烃不一定是烷烃
D. 随着碳原子数的增加，烷烃的熔、沸点逐渐升高
答案：C
解析：烷烃中的碳碳键、碳氢键均为单键；烷烃都能与Cl2发生取代反应，这是烷烃的主
要特性之一；随着碳原子数烃的分子间作用力增大，使其熔、沸点逐渐升高；因分子通式CnH2n+2中的氢原子已达饱和，故符合CnH2n+2的有机物只可能是烷烃。
解析： A。
点拨：甲烷与氯气发生4个反应，CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl
CH3Cl+ Cl2 CH2Cl2+ HCl
CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl
CHCl3+ Cl2 CCl4 + HCl
从以上反应看，反应过程中，气体体积减小，所以左端液柱上升，右端液柱下降。中间气柱所受压强减小，故变长。
2. 物理性质
通常甲烷是一类没有颜色，没有气味的气体。比空气轻，极难溶于水。天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分都是甲烷。甲烷又名沼气或坑气。
3. 化学性质
（1）通常情况下，甲烷稳定，如与强酸、强碱和强氧化剂等一般不发生化学反应。甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，也不能使溴的四氯化碳溶液褪色。在特定条件下甲烷能与某些物质发生化学反应，如可以燃烧和发生取代反应等。
CHCl3+ Cl2 CCl4 + HCl
室温中，甲烷和氯气的混合气体无光照时，不发生化学反应。有光照时，瓶内气体的黄绿色逐渐变浅，瓶壁出现油状液滴，瓶中有少量
白雾。
【特别提示】①反应物状态：纯卤素，例如甲烷不跟溴水起反应，与溴蒸气见光起取代反应；反应条件：光照。
3. 有机物的种类繁多，达千万种，无机物只有十来万种。碳元素位于元素周期表的IVA族，所以构成人类已知化合物种类最多的元素位于周期表的IVA族。
（二）甲烷
有机物里，有一大类仅是由碳和氢两种元素组成，叫做碳氢化合物，简称烃。该类物质中组成最简单的是CH4。
1. 分子结构
甲烷分子式为CH4，电子式为 ，结构式为 。科学实验证明，甲烷分子里的一个碳原子与四个氢原子不在同一平面上，而是形成一个对称的正四面体的立体结构（碳原子位于正四面体的中心，4个H原子分别位于正四面体的顶点）。分子中的C—H键为极性键。
（2）取代反应：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代替的反应叫做取代反应。在日光照射下，CH4和Cl2发生反应可生成3Cl、CH2Cl2、CHCl3（俗名氯仿）、CCl4四种卤代烃和氯化氢。
CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl
CH3Cl+ Cl2 CH2Cl2+ HCl
CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl
D. 甲烷的二氯代物只有一种
解析：D。
点拨：甲烷的结构式为 ，其分子空间构型可能有两种：①为平面正方形结构，②为空间正四面体结构。无论是①还是②的空间构型，A、B、C都是成立的，或者说A、B、C成立并不能证明甲烷分子的空间构型是①还是②。若是构型①，则二氯甲烷有两种结构：
。若是构型②，则二氯甲烷只有一种结构。
A. ①②③ B. 只有① C. ①和② D. 只有③
解析：C。
点拨：煤燃烧时产生有毒气体SO2，因此①说法正确；等质量的CH4 和CO2相比，CH4的物质的量大，根据题给信息，前者产生的温室效应大，②说法正确；天然气的燃烧产物为CO2和H2O，因此燃烧天然气不是酸雨的成因之一，③说法错误。
例6. 如图所示，在水平部分有一段气柱，其他两段为液柱，已知液体与气体不反应，使CH4与Cl2在稍暗的条件下缓慢反应，则中间气柱的长度如何变化（假设气柱未移出U形管的水平部分） （ ）
A. 变长 B. 变短 C. 不变 D. 难以确定
⑤与Cl2相似，其他卤素单质在光照条件下，也能与CH4发生取代反应。
⑥CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、C均为组成和结构相似的物质（除CCl4为正四面体结构外，其余均为四面体结构），因而具有相似的性质：都不溶于水；随相对分子质量的增大，沸点逐渐升高。常温下，只有CH3Cl是气体，其他都是液体。CHC、CCl4都是重要的工业溶剂；CCl4中的C元素已达+4价，CCl4不燃烧，也不支持燃烧，常作剂。
例7. 如果空气中混入甲烷的体积达到总体积的5％—15％这个范围，点燃甲烷时就会发生爆炸。则发生爆炸最剧烈时，CH4在空气中的体积分数约为（ ）。
A. 5％ B. 8％ C. 9.1％ D. 10.5％
答案： C
解析：设空气中CH4的体积为x，由CH4燃烧的方程式可求出爆炸最剧烈时需O2的体积为2x，此时空气中还含有N2的体积约为8x，则CH4在空气中的体积分数为9.1％。
②由于有机反应的副反应较多，所以有机化学方程式中，“生成”多用“ ”而不用“＝”表示。
③CH4与Cl2的取代反应的特点是逐步取代的连锁反应，反应得到的是各种取代产物的混合物，其中HCl的物质的量为最多。
④要注意取代1个H原子需要l个Cl2而不是1个Cl，1 mol有机物CxHy与Cl2发生完全取代反应时，消耗Cl2的最大物质的量为y mol。
点拨：CH4和Cl2在光照下生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4、HCl等物质，随着反应的进行，Cl2不断消耗，黄绿色逐渐消失。又因为CH3Cl为气体、CH2Cl2、CHCl3、CCl4在常
温下均为无色油状液体，Cl2易溶于有机溶剂，所以会使试管壁上有黄色油滴出现。因生成的HCl易溶于水，使溶液中的Cl－浓度增大，有NaCl晶体析出。
②取代反应是烷烃的特征反应质发生取代反应时，要求是纯卤素，烷烃不跟溴水起反应；反应条件是光照。由于是逐步取代的连锁反应，烷烃中H的数越多，反应得到的取代产物就越多。
6. 烷烃的命名
分子中含1—10个碳原子的烷烃，按分子中的碳原子数依次命名为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷……癸烷（C10H22），分子中碳原子数超过10个的直接用碳原子数命名为某烷，如十六烷（C16H34）。
例2. 在标准状况下，甲烷的密度为H2密度的8倍，32g甲烷完全燃烧，生成CO2 88 g，H2O 72g，求甲烷的分子式。
解析：在标准状况下，甲烷的密度是H2密度的8倍，则甲烷的相对分子质量为16，摩尔质量为16g/mol，32g甲烷的物质的量为2 mol，32g甲烷完全燃烧后生成CO2的物质的量为88g44g?mol-1 = 2mol，生成H2O的物质的量为72 g18 g?mol-1= 4mol，则l mol甲烷中碳的质量为12g，共1 mol，氢的质量为4g
知识点2：烷烃
1. 分子结构特点：碳原子跟碳原子都以单键结合，碳原子剩余的价键全部跟氢原子结合，使每个原子的化合价都达到“饱”的链烃叫饱和链烃，或称烷烃。烷烃的分子通式为：CnH2n+2。
有机物分子组成和结构的表示方法
特别提示：①烷烃首先是烃，分子里只含C、H两种原子；②烷烃分子里只有两种键，碳碳单键（这是烷烃的重要结构特点）和碳氢键；③烷烃是饱和烃。C原子数一定的烷烃分子里，H原子数已达到最多。其他碳数相同的烃分子里的H原子数都不会比烷烃多。具有CnH2n+2这一通式的物质一定是烷烃；④烷烃分子结合成
（3）氧化反应：CH4可以在空气或氧气中安静地燃烧，产生淡蓝色火焰。化学方程式为：
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O 。
【典型例题】
例1. 能够证明甲烷分子的空间结构为正四面体的事实是（ ）
A. 甲烷的四个碳氢键的键能相等
B. 甲烷的四个碳氢键的相等
C. 甲烷的一氯代物只有一种
有机物 无机物
溶解性 多数易溶于有机溶剂，难溶于水 多数易溶于水，难溶于有机溶剂
稳定性和可燃性 绝大多数受热易分解，容易烧 多数受热难分解，不易燃烧
熔点 绝大多数较低 多数较高
溶解或熔化后的导电性 绝大多数不导电 多数导电
化学反应 反应速率慢，往往比较复杂，常有副反应发生 反应较快，一般没有副反应
例4. 下列反应不属于取代反应的是（ ）
解析：D。
点拨：一般地，取代反应过程中的替代关系就是一对一的关系。例如：
例5. 已知天然气的主要成分CH4是一种能产生温室效应的气体，等物质的量的CH4 和CO2产生的温室效应，前者大。下面是有关天然气的几种叙述：①天然气与煤相比是较清洁的能源；②等质量的CH4和CO2产生的温室效应也是前者大；③燃烧天然气也是酸雨的成因之一。其中正确的是（ ）