甲烷的结构和性质课件

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目录
• 甲烷基本概念与性质 • 甲烷制备方法与工艺流程 • 甲烷燃烧反应与能量转换原理 • 甲烷储存运输技术发展现状与挑战 • 甲烷在工业生产和生活中应用案例 • 实验操作注意事项与安全防护措施
01
甲烷基本概念与性质
甲烷定义及分子式
甲烷定义
最简单的有机化合物，由碳和氢 元素组成。
燃烧反应方程式及条件
甲烷燃烧反应方程式
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
燃烧条件
需要足够的氧气供应和一定的点燃温度。
能量转换原理及效率分析
能量转换原理
甲烷燃烧时，化学能转化为热能和光 能。
效率分析
燃烧效率受氧气供应、燃烧温度、燃 烧室设计等因素影响，高效燃烧技术 可提高能量转换效率。
环保性能评估及排放标准
与卤素单质发生取代反应，生成卤代 烃。
甲烷在自然界中存在形式
天然气
甲烷是天然气的主要成分，广泛存在于地下 岩石储层中。
沼气
在沼泽地带、污水沟、动物粪便等环境中， 由微生物发酵产生。
煤层气
赋存在煤层中的甲烷，以吸附状态存在于煤 基质颗粒表面。
重要性及应用领域
能源领域
作为燃料，广泛应用于 民用、工业、交通等领
Байду номын сангаас域。
化工原料
用于生产合成氨、甲醇 、甲醛等化工产品。
温室气体
甲烷是一种重要的温室 气体，对全球气候变化
有重要影响。
其他应用
用作制冷剂、发泡剂等 。
02
甲烷制备方法与工艺流程
天然气分离法
01
02
03
天然气成分及性质
天然气主要由甲烷组成， 同时含有少量乙烷、丙烷 等烃类以及硫化氢、二氧 化碳等非烃类成分。

甲烷燃烧会生成一氧化碳和水,D项错误。
1.近年来,一些大城市的部分公交车改用天然气作为燃料,这样 做的主要目的是( A.加大发动机动力 )
B.降低成本
C.减少对空气的污染 D.减少二氧化碳的排放量 【解析】选C。天然气的主要成分为甲烷,燃烧比较充分,可以 减少对空气的污染。
光照 CH Cl+Cl HCl+CH2Cl2 二氯代物) 3 2 _________________________( 光照
CH HCl+CHCl3 三氯代物) 2Cl2+Cl2 _________________________( CHCl3+Cl2 HCl+CCl4 四氯代物) ________________________( 不溶 于水，除 其中，CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4都_____ 气体 外，其余三种都是液体。 CH3Cl是_____
【误区警示】
(1)甲烷的卤代反应的产物是混合物。 (2)甲烷等有机物与氯气发生取代反应时,取代的位置和个数是 难以控制的,因此制备卤代烃一般不采用取代反应。
【变式训练】(2013·临海高一检测)光照对下列反应几乎无影 响的是( A.H2与Cl2 ) B.CH4与Cl2
C.CH4与O2
D.次氯酸分解
少量白雾 c.试管中有_________; 上升 d.试管内液面_____; 有固体析出 。 e.水槽中___________ 无明显现象 。 无光照时:___________
甲烷与氯气在光照时发生反应， 化学反应方程式为 CH HCl+CH3Cl 一氯代物) 4+Cl2 _______________________( 实验 结论
提示:CH4是正四面体结构,碳原子处于正四面体的中心,四个氢

西气东输是中国西部大 开发标志性工程，是联 接东西部的能源大动脉。 该工程西起新疆塔里木， 东到上海市白鹤镇，全 长四千多公里。
二00六年西气东输供
气九十九亿立方米，高
峰期日均超过三千六百
万立方米。
天然气现状
全球已探明的天然气总储量为179.53万亿立方米 。
全球天然气占总能源消费的24%。 我国探明天然气储量1.37万亿立方米。 中国天然气探明储量集中则在10个大型盆地。
观察图３－１所示的Ｃ与Ｈ空间 位置关系。试用原子结构拼插模型 （或用橡皮泥、黏土、泡沫塑料、牙 签、火柴棍等代用品），自制甲烷的 分子模型。
球棍模型
裁一段长25cm、宽8.7cm的矩形纸 板或硬纸条，按下图所示方式，裁去两 头的小三角，按虚线向内折成如图３－ １所示的正四面体，其顶点分别为甲烷 中４个氢原子的位置，中心是碳原子。
思考： 取代反应与置换反应有哪些相同与不同？
现象：混合气体的黄绿色变浅，量筒壁上 出现油滴，量筒内的液面上升。
讨论：分析上述实验中所观察到的现象，从 中可以得到那些结论？
沼气池
12.5洪桐矿难死亡105人
直接原因：瓦斯爆炸 矿井瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷 为主的有害气体。 瓦斯难溶于水，不助燃也不能维持呼吸，达到 一定浓度时，能使人因缺氧而窒息，并能发生 燃烧或爆炸。 瓦斯的燃烧、爆炸性是矿井主要灾害之一。
天然气燃烧及瓦斯爆炸
辽宁省辽源煤矿瓦斯爆炸现场
在煤矿矿井里要采取通风，严禁烟火， 定期检测甲烷的含量等安全措施。
①CH4、H2S、H2等气体在空气中燃烧，火焰呈 淡蓝色；固态的硫在空气中燃烧，火焰呈淡蓝 色火焰，气体在纯氧气中燃烧，火焰呈蓝紫色； 液态的酒精在空气中燃烧，火焰呈淡蓝色。CO 气体在空气中燃烧，火焰呈蓝色。

11
第一节
最简单的有机化合物---甲烷
3、键角：分子中相邻的两个键之间的夹角。 键角决定分子的空间构型. 凡键角为 °的为直线型，如：CO2；凡键 键 180角 角为109°28′的为正四面体，如：CH4。
在分子中键和键之间的夹角叫做键角
O H
H C H H H H
H
O = C = O
180°（直线型）
光 光
CHCl3 + HCl
三氯甲烷又叫氯仿 （有机溶剂）
CCl4 + HCl
四氯甲烷又叫四氯化碳（有机溶剂、灭火剂）
注意： 甲烷是与氯气发生取代反应,且产物是混合物 （与氯水不反应）
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第一节
最简单的有机化合物---甲烷
取代反应：
定义：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取代 反应。
Cl
Cl
四氯甲烷的形成 Cl Cl C Cl
H + Cl—Cl
光
Cl
C Cl
Cl + H
Cl
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第一节
最简单的有机化合物---甲烷
CH4 + Cl2
CH3Cl + Cl2光CH3Cl + HCl
一氯甲烷（无色气体）
光
CH2Cl2 + HCl
二氯甲烷（难溶于水的无色液体）
CH2Cl2 + Cl2
CHCl3 + Cl2
4个C-H键的键长和键能相等，夹（键）角相等。
第一节
最简单的有机化合物---甲烷
知识拓展------共价键性质的参数 1、键长：成键的两个原子或离子的核间距离。
键长决定分子的稳定性，一般说来，键长越 短，键越强，也越稳定。 键长的大小与成键微粒的半径大小有关。如 键长：H—Cl < H—Br < H—I，则稳定性：H— Cl > H—Br > H—I。 2、键能：拆开1 mol某键所需的能量叫键能。 单位：kJ/mol。 键能决定分子的稳定性，键能越大，键越牢， 分子越稳定。

课后思考及探究
1.设计一个简单实验证明甲烷与氯气发生了取代反应。 2.上网查询资料完成下表：
化学式
名称（俗名） 溶解性 常温状态
CH3Cl
CH2Cl2
CHCl3
CCl4
用途
1摩尔甲烷在光照的情况下最多可以与 几摩尔氯气发生取代反应？ 4mol
若要制得等物质的量的4种卤代产物， 需氯气多少摩尔？
2.5mol
1、 12 C
6 14 6
C
2、白磷、红磷
3、
H H | | H－C－Cl 、Cl－C－Cl | | Cl H
返回
在光照条件下，将等体积的甲烷和氯 气混合，得到的产物中物质的量最多 的是( D ) A、CH3Cl B、CH2Cl2 C、CCl4 D、HCl
返回
向下列物质的水溶液中滴加硝酸银 溶液，能产生白色沉淀的是（BE） A、CH3Cl B、NaCl C、KClO3 D、CCl4 E、HCl
返回
3.甲烷的受热分解
指出：同分异构体分子量一定相同，分子量相 同的物质不一定是同分异构体 如：C2H5OH (乙醇)与HCOOH(甲酸) “五同”：同分异构、同系物、同位素、 同素异形体、同种物质
同位素、同素异形体、同系物、同分异构体 四种概念的比较
概 念 同位素 内 涵 比较对象 原子 单质 实 例 氕、氘、氚 O2、 O3
和
氢
(ting)
根据结构不同，烃又可分为：
烷烃 wá n 烯烃 xī 炔烃 quē 芳香烃
最简单的烷烃 ——甲烷
火星雾气—甲烷
可燃冰—甲烷
西气（甲烷）东输 管道施工现场
沼气（甲烷）的制取和利用
甲烷
一、甲烷的物理性质与存在：

反应方程式：CH4 + 2O2 点燃 CO2 + 2H2O 注意
凿
点燃甲烷与空气或氧气的混合
冰
取
气体会立即发生爆炸.因此，
火
点燃甲烷之前必须 验纯!!
思考: 怎么用最简单的方法把甲烷和氢气区分开?
点燃法
CH4
点燃纯净的气体，在火焰 烧杯内壁
的上方罩干燥洁净的烧杯 上有水珠
H2 烧杯内壁 上有水珠
向反应后的烧杯中注入 澄清的石灰水
天然气：
天然气的主要成分是甲烷，天然气 是当今世界上最重要的气体化石燃料。 我国是最早利用天然气的国家。
据了解，作为西气东输主供气 源，塔里木气田拥有天然气资源 量五千二百六十七亿立方米，截 至去年底，累计探明天然气地质 储量六千二百二十四亿立方米， 在年输气二百亿立方米的前提下， 有能够稳定供气三十年的资源保 证。
甲烷
甲烷
现象：试管①中气体呈淡黄绿色 试管②中淡黄绿色消失，试管壁有油状液体，
并有少量白雾。
结论：光照条件下，甲烷与氯气发生了反应
光照
CH4+Cl2
CH3Cl+HCl
光照
CH3Cl+Cl2
CH2Cl2+HCl
光照
CH2Cl2+Cl2
CHCl3+HCl
光照
CHCl3+Cl2
CCl4+HCl
产物为混合物
注意：甲烷氯代物的结构特点
CH4分子的立体构型为正四面体，4个C-H的长度、 强度和夹角完全相同，因此4个氢原子性质完全相同。 (1)将CH4的4个氢原子全部用其他相同的原子替代， 则该原子形成的分子结构仍为正四面体，如CCl4。 (2)若CH4分子中的4个氢原子被不同的原子替代，则 该原子形成的分子结构仍为四面体，但不属于正四 面体，如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3。 (3)CH4取代产物均只有一种。

(一氯代物)，
实验 结论
光 CH3Cl＋Cl2――→CH2Cl2＋HCl
(二氯代物)，
光 CH2Cl2＋Cl2――→CHCl3＋HCl (三氯代物)，
光 CHCl3＋Cl2――→CCl4＋HCl
(四氯代物)。
②甲烷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。 [特别提醒] (1)有机反应比较复杂，常有很多副反应发生，因此有机反 应化学方程式常用“―→”，而不用“===”。 (2)CH4 与 Cl2 的反应是逐步进行的，书写化学方程式时应 分步书写。
1．甲烷能否使酸性 KMnO4 溶液褪色？ 提示：甲烷不能被酸性 KMnO4 溶液氧化，故不能使 酸性 KMnO4 溶液褪色。 2．甲烷和氯气发生反应时，所得的产物有几种？其反
应类型是什么？ 提示：产物有 5 种，分别为 CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、
CCl4、HCl；取代反应。
3．能否用 CH4 和 Cl2 按 1∶1 的体积比混合来制取纯 净的 CH3Cl?
甲烷的性质
甲烷的分子结构
1．有机化合物和烃 (1)有机化合物 ①概念：含有 碳 元素的化合物，简称有机物。 ②组成：一定含有 碳 元素，常含有 氢、氧 元素，某 些有机物还含有氮、硫、卤素、磷等元素。 (2)烃 ①概念：仅含 碳和氢 两种元素的有机物。 ②典型代表物：最简单的烃是 甲烷 。
2．甲烷的分子结构 (1)存在与用途 ①存在：是 天然气 、沼气、油田气和煤矿坑道气的 主要成分。 ②用途：是一种高效、低耗、污染小的清洁能源，还 是一种重要的化工原料。

试一试：你能写出甲烷与溴蒸气发生取代 反应的化学方程式吗？
经营者提 供商品 或者服 务有欺 诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
甲烷与溴蒸气反应的化学方程式：
CH4+Br2 光照 CH3Br+HBr
③多数有机物都难溶于水，易溶于有机溶剂。
经营者提 供商品 或者服 务有欺 诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
取代反应：有机物分子里的某些原子或
原子团被其它原子或原子团所替代的反应 叫做取代反应。
经营者提 供商品 或者服 务有欺 诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
１、物理性质
无色、无味的气体 =0.717g/L（标准状况） 极难溶于水 俗名：沼气、坑气，是天然气的主要成分 （80-97%）
1.你从实验中得到哪些信息？ 2.从所得的实验信息中你能得 到哪些启示？
经营者提 供商品 或者服 务有欺 诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
现象与结论：
室温时，混合气体无光照时，不发生反应；光照时
在隔绝空气并加热至1000℃的高温下，甲烷分 解。
CH4 高温 C+2H2
合成氨、汽油的原料
橡胶工业的原料
经营者提 供商品 或者服 务有欺 诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用

解析：甲烷分子无论是正四面体结构，还 是正方形的平面结构，A、C、D 三项都是成立 的，CH2Cl2 若是正方形的平面结构，则其结构
应有两种，即 和 ，若是正四面体结构， 则其结构只有一种。无论是正四面体结构还是 正方形结构，CH4 中都含有 4 个 C－H 极性键。
答案：选 B
2．下列各图均能表示甲烷的分子结构， 哪一种更能反映其真实存在状况( )
。
3．甲烷的四种氯代产物都 不 溶于 水。除一氯甲烷常温下是 气 体外，其他 三种都是 油状液体 。
[名师点拨] 甲烷发生取代反应的有关规律 1．反应条件和反应物 反应条件为光照，反应物为甲烷与 卤素单质。如甲烷与氯水、溴水不反应， 但可以与氯气发生取代反应。
2．反应产物 甲烷与氯气反应生成的产物是 CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3 和 CCl4 四种有 机物与氯化氢形成的混合物，虽然反应 物的比例、反应的时间长短等因素会造 成各种产物的比例不同，但很难出现全 部是某一种产物的情况。
[课堂互动区]
[新知探究] 1．已知甲烷的密度在标准状况下是 0.717 g/L，含碳 75%，含氢 25%，利用 这些数据怎样确定它的分子式？
提 示 ： 甲 烷 的 摩 尔 质 量 为 M ＝ 22.4 L/moL×0.717 g/L＝16 g/moL
1 mol 甲烷气体中含碳原子的物质的量： 16 g/mo1L2×g/1mmoLol×75%＝1 mol， 1 mol 甲烷气体中含氢原子的物质的量： 16 g/moL1 ×g/m1 moLol×25%＝4 mol， 所以甲烷的分子式为 CH4。
2．甲烷是一种无 色、无味的气体 ， 密度比空气 小 ，极难 溶于水。在自然界 中，甲烷存在于 天然气、沼气、油田气 和煤矿坑道气中。“西气东输”工程中的 气体主要是 甲烷 ，发生瓦斯爆炸的主要 气体是 甲烷 。

好好学习，天天向上。
三、甲烷的化学性质
1.与氧气的反应
2.加热分解
三、甲烷的化学性质
3.取代反应
反应现象：试管中液面逐渐上 升，混合气体黄绿色变淡，试 管壁上有油状液滴出现。
取代反应与置换反应的比较
取代反应
可与化合物发生取代， 生成物中不一定有单质Fra bibliotek置换反应
反应物、生成物中一定 有单质
反应能否进行受催化剂、 在水溶液中进行的置换反 温度、光照等外界条件影 应遵循金属活动性顺序 响较大 逐步取代，产物较复杂 反应产物简单
四、存在与用途
上海城市居民所使用的燃料主要是管道煤气， 但某些地区已开始使用东海天然气作为居民燃料。 管道煤气的主要成分是CO、H2和少量烃类，天 然气的主要成分是CH4。燃烧相同体积的管道煤 气和天燃气，消耗空气体积较大的是 。如果将 燃烧管道煤气的灶具改烧天然气，灶具的改进方 法是 （填增大或减小）进风口。如不作 改进可能产生的不良后果是 。
已知有一化合物仅含碳氢两种元素，碳氢质量 比是9：2，在标准状况下，密度为1.964克/升， 试写出该化合物的分子式。
1、做老师的只要有一次向学生撒谎撒漏了底，就可能使他的全部教育成果从此为之毁灭。——卢梭 2、教育人就是要形成人的性格。——欧文 3、自我教育需要有非常重要而强有力的促进因素——自尊心、自我尊重感、上进心。——苏霍姆林斯基 4、追求理想是一个人进行自我教育的最初的动力，而没有自我教育就不能想象会有完美的精神生活。我认为，教会学生自己教育自己，这是一种 最高级的技巧和艺术。——苏霍姆林斯基 5、没有时间教育儿子——就意味着没有时间做人。——（前苏联）苏霍姆林斯基 6、教育不是注满一桶水，而且点燃一把火。——叶芝 7、教育技巧的全部奥秘也就在于如何爱护儿童。——苏霍姆林斯基 8、教育的根是苦的，但其果实是甜的。——亚里士多德 9、教育的目的，是替年轻人的终生自修作准备。——R.M.H. 10、教育的目的在于能让青年人毕生进行自我教育。——哈钦斯 11、教育的实质正是在于克服自己身上的动物本能和发展人所特有的全部本性。——（前苏联）苏霍姆林斯基 12、教育的唯一工作与全部工作可以总结在这一概念之中——道德。——赫尔巴特 13、教育儿童通过周围世界的美，人的关系的美而看到的精神的高尚、善良和诚实，并在此基础上在自己身上确立美的品质。——苏霍姆林斯基 14、教育不在于使人知其所未知，而在于按其所未行而行。——园斯金 15、教育工作中的百分之一的废品，就会使国家遭受严重的损失。——马卡连柯 16、教育技巧的全部诀窍就在于抓住儿童的这种上进心，这种道德上的自勉。要是儿童自己不求上进，不知自勉，任何教育者就都不能在他的身 上培养出好的品质。可是只有在集体和教师首先看到儿童优点的那些地方，儿童才会产生上进心。——苏霍姆林斯基 17、教育能开拓人的智力。——贺拉斯 18、作为一个父亲，最大的乐趣就在于：在其有生之年，能够根据自己走过的路来启发教育子女。——蒙田 19、教育上的水是什么就是情，就是爱。教育没有了情爱，就成了无水的池，任你四方形也罢、圆形也罢，总逃不出一个空虚。班主任广博的爱 心就是流淌在班级之池中的水，时刻滋润着学生的心田。——夏丐尊 20、教育不能创造什么，但它能启发儿童创造力以从事于创造工作。——陶行知

的是( )
A.天然气
B.油田气
C.沼气
D.煤气
【解析】选D。天然气、油田气和沼气的主要成分都是甲烷；
煤气的主要成分是一氧化碳和氢气。
2．（2011·宜昌高一检测）第一种用无机物合成的有机物 是( ) A.甲烷 B.尿素 C.塑料 D.苯 【解析】选B。尿素是人类合成的第一种有机物。
3.近年来，一些大城市的部分公交车改用天然气作为燃料，
【思路点拨】解答本题应注意以下两点：
【自主解答】选A。甲烷的性质比较稳定，通常情况下，不 与强酸、强碱、强氧化剂反应，不能使酸性高锰酸钾溶液 褪色，A错误；甲烷在光照条件下与Cl2发生取代反应，消 耗氯气，黄绿色变浅，生成4种有机产物，它们是CH3Cl、 CH2Cl2、CHCl3和CCl4，且均难溶于水，故B、C、D均正确。
这样做的主要目的是( )
A.加大发动机动力
B.降低成本
C.减少对空气的污染
D.减少二氧化碳的排放量
【解析】选C。天然气的主要成分为甲烷，燃烧比较充分，
可以减少对空气的污染。
4.（双选）下列分子具有正四面体结构的是( )
【解析】选A、D。CH4为正四面体结构，若其中4个H原子完 全被四个相同的其他原子取代，所得的分子也为正四面体 结构。
【易错剖析】 （1）易错选项分析 本题易错选D的原因在于不明确取代反应的反应机理——取 代反应的特征是互换原子或原子团，每取代一个氢原子就 消耗一个氯气分子，生成一分子HCl,故1 mol甲烷生成CCl4 需要消耗4 mol氯气。
（2）其他错误选项分析
【标准答案】C
1.（2011·聊城高一检测）下列气体的主要成分不是甲烷
【解析】该烃的摩尔质量为16 g·mol-1，1 mol该烃中含