必修有机化学知识点烷烃

必修2第三章有机化合物

第一节最简单的有机化合物——甲烷

第1课时甲烷的性质

自学导引

一、甲烷的存在与结构

1．甲烷的存在

甲烷是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分。天然气中甲烷所占的体积分数一般为80%～97%。

思考题1一般引起煤矿中瓦斯爆炸的气体的主要成分是什么？

答案甲烷。

2．甲烷的组成与结构

甲烷的分子式为CH4。甲烷分子是一种对称的正四面体结构，其中，碳原子位于四面体的中心，四个氢原子分别位于四面体的顶点。

碳原子与四个氢原子形成四个完全相同的共价键(键的长度和强度相同，夹角相等)。

思考题2甲烷分子中所含的共价键有几种？是极性键还是非极性键？

答案一种(C—H键)；极性键。

二、甲烷的性质

1．物理性质

甲烷是一种没有颜色、没有气味的气体，极难溶于水，密度比空气小。

2．化学性质

(1)稳定性：在通常情况下，甲烷比较稳定，与KMnO4等强氧化

剂不反应，与强酸、强碱也不反应。

(2)可燃性：甲烷是一种优良的气体燃料，通常状况下，1mol甲烷在空气中完全燃烧，生成CO2和液态水，放出890kJ热量。甲烷完全燃烧的化学方程式为CH4＋2O2CO2＋2H2O。

(3)取代反应

甲烷与Cl2等物质可以发生取代反应。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代替的反应。在室温下，甲烷和氯气的混合物无光照时，不发生反应；但光照时，混合物的颜色逐渐变浅，瓶壁出现油状液滴，瓶中有少量白雾。反应的化学方程式为CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl、CH3Cl＋Cl2CH2Cl2＋HCl、CH2Cl2＋Cl2CHCl3＋HCl、CHCl3＋Cl2CCl4＋HCl。

甲烷与氯气取代反应的四种有机产物都不溶于水。在常温下，一氯甲烷是气体，其他三种都是油状液体。

思考题3下列关于甲烷与氯气发生取代反应所得生成物的说法中正确的是()

A．都是有机物

B．都不溶于水

C．有一种是气态物质，其余都是液体

D．有一种是无机物，其余都是有机物

解惑

一、甲烷的分子组成和结构

1．甲烷分子式的推导

若已知甲烷的密度在标准状况下是0.717g·L－1，含碳75%，含氢25%，请确定它的分子式。

甲烷分子式的推导过程：

M＝ρ×22.4L·mol－1＝0.717g·L－1×22.4L·mol－1＝16g·mol－1

含碳原子的个数：N(C)＝＝1

含氢原子的个数：N(H)＝＝4

所以，甲烷的分子式为CH4。

2．甲烷的分子结构及其特点

在甲烷分子中，碳原子与4个氢原子形成4个C—H共价键，分子式为CH4，结构如下：

(1)在电子式的基础上，用一条短线表示一对共用电子所得的图式叫做结构式。省略了部分或全部短线的结构式叫做结构简式。甲烷的结构简式为CH4(它同时也是甲烷的分子式)。

(2)图中的式子或模型，从不同的侧面不同程度地表达了分子的组成与结构的状况。电子式和结构式突出表达了分子里原子间连接的顺序和方式(化学键)，结构简式是结构式的简化形式，但它们不能表示分子真实的空间结构。球棍模型和比例模型以逼真的形式突出表达

了分子里原子间连接的顺序、方式以及原子的相对体积和空间分布、分子的空间构型。

(3)从表达效果和便于使用等方面综合考虑，在平时的学习中最常使用的是结构简式，其次是电子式和结构式。

(4)在CH4分子里，每个氢原子都以单键与碳原子结合，任意2个C—H键之间的夹角都是109°28′，使CH4分子的空间构型为正四面体。甲烷在组成与结构上是最简单的有机化合物，但其分子空间构型是认识复杂有机化合物分子空间构型的基础。

(5)判断甲烷分子的空间构型是正四面体形而不是平面正方形的方法一般可以通过研究二氯甲烷只有一种结构来确定。若甲烷分子呈正四面体形，则其二氯代物只有一种(Ⅰ)。而若甲烷分子呈平面正方形，则其二氯代物可以有两种(Ⅱ、Ⅲ)。

(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)

事实是甲烷的二氯代物只有一种，由此可判断甲烷分子的空间构型为正四面体形而非平面正方形。

二、甲烷的化学性质

甲烷分子结构稳定，通常不与强酸、强碱或强氧化剂反应，也不能使溴水和酸性KMnO4溶液褪色。但是在一定条件下，甲烷也能发生某些反应。

1．氧化反应——甲烷的燃烧

二氧化碳和水，放出890kJ热量。因此以甲烷为主要成分的天然气、沼气是理想的清洁能源。

[特别提醒]

经硫酸酸化的KMnO4溶液有很强的氧化性，在有机化学的学习中经常通过观察某有机物是否能使紫色的酸性KMnO4溶液褪色来判断其性质是否活泼等。

CH4通入酸性KMnO4溶液中，现象是溶液不褪色，证明了甲烷不能被酸性KMnO4溶液氧化，即CH4分子结构很稳定。

2．取代反应

在室温下，甲烷和氯气的混合物可以在黑暗中共存而不发生反应，但把混合气体放在光亮的地方就会发生反应。在光照条件下，CH4与Cl2发生下述反应：

反应并没有到此终止，生成的一氯甲烷继续与氯气反应，依次生成二氯甲烷、三氯甲烷(又叫氯仿)和四氯甲烷(又叫四氯化碳)，这些反应可分别表示如下：

在这些反应里，甲烷分子里的氢原子逐步被氯原子所取代，生成四种取代产物(CH3Cl，CH2Cl2，CHCl3，CCl4)及HCl的混合物。

[特别提醒]

①甲烷的取代反应要注意：

反应条件：光照(室温下，在暗处不发生反应，但不能用强光直接照射，否则会发生爆炸)。

反应物：纯卤素单质，如甲烷通入溴水中不反应。

反应不会停留在某一步，因此产物是5种物质的混合物。1molH 被取代需要1molCl2，认为1个Cl2分子能取代2个H原子是一个常见的错误。

②有机物参加的反应往往比较复杂，常有副反应发生，生成副产物，因此，有关有机物反应的化学方程式通常不用“===”而用

“―→”表示。

3．甲烷的高温分解反应

甲烷在1500℃以上的高温条件下能较完全分解，生成炭黑和氢气。反应的化学方程式为CH4C＋2H2。

三、取代反应与置换反应的区别

取代反应是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，含义是指连接上某些原子或原子团的同时，要断下来某些原子或原子团。对小分子而言，自身要分成两部分，一部分参加取代，同时，另一部分和被取代下来的原子或原子团结合成新的分子，因此取代反应要形成两种产物。从反应物的类型来看，取代反应中至少有一种是有机物，另一种反应物既可以是有机物也可以是无机物；从分子组成的变化形式上看，有机物分子里被代替的既可以是原子又可以是原子团，代替连接到有机物分子中去的同样既可以是原子又可以是原子团。

而置换反应是一种单质和一种化合物之间的反应，产物是另一种