高中化学 3.1.1 甲烷的性质教师用书 新人教版必修2

第1课时甲烷的性质[目标导航] 1.了解有机化合物的概念及碳原子的成键特点。

2.了解甲烷的来源和主要用途。

3.了解甲烷的分子结构，掌握甲烷的性质。

4.理解取代反应的概念。

一、甲烷的存在、结构及物理性质1．存在甲烷是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分。

2．分子结构甲烷的分子式是CH4；电子式是；结构式是。

实验证明，甲烷分子具有正四面体结构，其中四个C—H键长度和强度相同，夹角相等。

3．物理性质颜色状态气味密度(与空气相比) 水溶性无色气体无味比空气小极难溶提醒如CO、CO2、碳酸及其盐等。

议一议(1)CH4是正四面体结构，CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4也都是正四面体结构吗？(2)如果甲烷是平面结构，则CH2Cl2有几种结构？实际上有几种结构？答案(1)CH4是正四面体结构，碳原子处于正四面体的中心，四个氢原子处于正四面体的四个顶点上。

根据甲烷是正四面体结构推理，有机物分子中碳原子以4个单键与其他原子或原子团相结合，如，若a、b、c、d相同，则构成正四面体结构，如CCl4；若a、b、c、d不相同，则构成四面体，但不是正四面体，如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3。

(2)如果甲烷是平面结构，则CH2Cl2有2种结构，分别是、。

实际为空间四面体结构，所以二氯甲烷只有一种结构。

二、甲烷的化学性质通常状况下，甲烷比较稳定，与高锰酸钾等强氧化剂不反应，与强酸、强碱也不反应。

但在特定的条件下，甲烷也会发生某些反应。

1．氧化反应(燃烧)(1)化学方程式：CH4＋2O2CO2＋2H2O。

(2)现象：甲烷在空气中安静地燃烧，火焰呈淡蓝色。

2．取代反应(1)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替代的反应。

(2)甲烷与氯气的取代反应①实验探究实验操作实验现象A装置：a.试管内气体颜色逐渐变浅；b.试管内壁有油状液滴出现；c.试管中有少量白雾；d.试管内液面上升；e.水槽中有固体析出B装置：无明显现象实验结论CH4与Cl2在光照时才能发生化学反应，有关化学方程式为CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl；CH3Cl＋Cl2CH2Cl2＋HCl；CH2Cl2＋Cl2CHCl3＋HCl；CHCl3＋Cl2CCl4＋HClCH3Cl CH2Cl2CHCl3CCl4状态气体均为油状液体水溶性都难溶于水点拨无论423223、CCl4和HCl的混合物。

议一议1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”(1)在点燃甲烷气体之前必须检验其纯度( )(2)甲烷与Cl2的反应是置换反应( )答案(1)√(2)×2．(1)甲烷与溴水能发生反应吗？与溴蒸气呢？(2)假设1 mol甲烷中的氢原子完全被取代，最多能与多少氯气反应？答案(1)甲烷除了能与氯气在光照时反应外，与其他的卤素单质的气体也能发生反应，但必须是纯卤素如溴蒸气，与溴水不反应。

(2)发生取代反应时1 mol氯气只能取代1 mol氢原子，1 mol 甲烷中的氢原子完全被取代，最多能与4 mol氯气反应。

一、有机物组成和结构的表示方法例1下列各图均能表示甲烷的分子结构，按要求回答下列问题。

(1)甲烷的球棍模型是________________，甲烷的电子式是________________(填序号)。

(2)如果甲烷是平面结构，则CH2Cl2应该有________种结构，实际CH2Cl2有________种结构，证明甲烷不是平面结构，而是________结构，上述中的________更能反映其真实存在状况。

解析(1)这几种形式都可以表示甲烷这种物质，其中分子结构示意图(A)、球棍模型(C)及比例模型(D)均能反映甲烷分子的空间构型，但其中比例模型更能形象地表达出H、C的相对位置及所占比例；电子式(B)只反映原子最外层电子的成键情况。

(2)甲烷的结构式为，其分子空间构型若为平面正方形结构，则二氯甲烷有2种结构：、；实际上甲烷为空间正四面体结构，所以二氯甲烷只有1种结构。

答案(1)C B (2)2 1 正四面体 D归纳总结常见有机物结构的表示方法(以甲烷为例)表示方法含义分子式：CH4用元素符号表示物质分子组成的式子，可反映一个分子中原子的种类和数目最简式(实验式)：CH4表示物质组成的各元素原子最简整数比的式子电子式：用小黑点等符号代替电子，表示原子最外层电子成键情况的式子结构式：①具有化学式所能表示的意义，能反映物质的结构；②表示分子中原子的结合或排列顺序的式子，但不表示空间构型球棍模型：小球表示原子，短棍表示价键(单键、双键或三键) 比例模型：用不同体积的小球表示不同大小的原子443A．CH4、CCl4和CH3Cl都是正四面体结构B．CH4、CCl4都是正四面体结构C．CH4和CCl4中的化学键均为非极性键D．CH4、CCl4的结构相同，性质也相同答案 B二、甲烷的取代反应例2下列有关甲烷的取代反应的叙述正确的是( )A．甲烷与氯气的物质的量之比为1∶1，混合发生取代反应只生成CH3ClB．甲烷与氯气的取代反应，生成的产物中CH3Cl最多C．甲烷与氯气的取代反应生成的产物为混合物D．1 mol甲烷生成CCl4最多消耗2 mol氯气解析甲烷与氯气一旦发生取代反应就不会停止在某一步，四种有机物都会产生，故得不到纯净的CH3Cl，A错误，C正确；甲烷与氯气的反应中每取代1 mol氢原子，消耗1 mol氯气，生成1 mol HCl，故产物中HCl最多，B错误；1 mol甲烷生成CCl4最多消耗4 mol氯气，D 错误。

答案 C规律总结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，反应物为卤素单质。

例如甲烷与氯水、溴水不反应，但可以与氯气、溴蒸气发生取代反应。

(2)反应产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，但反应的产物都是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4四种有机物与HCl形成的混合物。

(3)物质的量的关系CH4与Cl2发生取代反应时，每1 mol H原子被取代，消耗1 mol Cl2分子，同时生成1 mol 的HCl分子。

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

②CH4与Cl2的反应逐步进行，应分步书写。

③当n(CH4)∶n(Cl2)＝1∶1时，反应并不只发生CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl，其他反应仍发生。

特别提醒(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2 在标准状况下，22.4 L CH4与Cl2在光照下发生取代反应，待反应完全后，测得四种有机取代物的物质的量相等，则消耗的Cl2为( )A．0.5 mol B．2 molC．2.5 mol D．4 mol答案 C解析方法一守恒法1 mol CH4与Cl2发生取代反应，生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各0.25 mol，这四种取代物中n(Cl)＝0.25 mol×(1＋2＋3＋4)＝2.5 mol，根据取代反应特点，n(HCl)＝2.5 mol，故生成物中所含氯原子共2.5 mol＋2.5 mol＝5 mol，参加反应的Cl2为n(Cl2)＝2.5 mol。

方法二根据化学方程式进行计算设四种有机取代物的物质的量均为1 mol，写出取代反应总的化学方程式：4CH4＋10Cl2CH3Cl ＋CH2Cl2＋CHCl3＋CCl4＋10HCl，由此可知，4 mol CH4正好与10 mol Cl2反应，当1 mol CH4反应时，消耗Cl2 2.5 mol。

1．近年来，科学家在海底发现了一种冰状物质——可燃冰，其有效成分为甲烷，下列说法正确的是( )①甲烷属于烃类 ②在相同条件下，甲烷的密度大于空气 ③甲烷难溶于水 ④可燃冰是一种极具潜力的能源A ．①②③B ．②③④C ．①③④D ．①②④ 答案 C2．能够证明甲烷分子的空间结构为正四面体的事实是( ) A ．甲烷分子中4个C —H 键的强度相同 B ．甲烷分子中4个C —H 键的长度相同 C ．甲烷的一氯代物只有1种 D ．甲烷的二氯代物只有1种 答案 D解析 若甲烷为平面正方形结构，则甲烷分子中4个C —H 键的长度和强度也可以相同，A 、B 错误；若甲烷为平面正方形结构，则二氯甲烷应有2个氯原子分别在邻位和对位两种结构。

而实际上二氯甲烷只有1种结构，所以甲烷不是平面正方形结构，而是正四面体结构，D 项正确。

3．将1 mol CH 4和适量的氧气在密闭容器中点燃，充分反应后，甲烷和氧气均无剩余，且产物均为气体(101 kPa ，120 ℃)，其总质量为72 g ，下列有关叙述不正确的是( ) A ．产物的平均摩尔质量为24 g·mol －1B ．若将产物通过浓硫酸充分吸收后恢复至(101 kPa ，120 ℃)，则压强变为原来的13C ．反应中消耗的氧气为56 gD ．若将产物通过碱石灰，则可全被吸收，若通过浓硫酸，则不能被完全吸收 答案 D解析 1 mol CH 4质量为16 g ，而产物总质量为72 g ，根据化学式可知，产物中有2 mol H 2O ，质量为36 g ，则CO 与CO 2总质量是36 g ，设有x mol CO 和(1－x )mol CO 2 ,28x ＋44－44x ＝36，x ＝0.5 ，所以产物中有2 mol H 2O 0.5 mol CO 、0.5 mol CO 2 平均摩尔质量＝总质量/总物质的量＝72/(2＋0.5＋0.5)＝24 g·mol －1，A 正确；根据上述分析，产物中有2 mol H 2O 、0.5 mol CO 、0.5 mol CO 2，将产物通过浓硫酸后，水被吸收，剩余气体为CO 和CO 2 ，物质的量的和为0.5＋0.5＝1 mol ，则压强变为原来的1(2＋1)＝13，B 正确；1 mol CH 4质量为16 g ，而产物总质量为72 g ，根据质量守恒定律，反应中消耗的氧气为56 g ，C 正确；根据上述分析，产物为CO、CO2和水，通过碱石灰后，CO不能被吸收，通过浓硫酸后，CO、CO2不能被吸收，D错误。

4．下列叙述错误的是( )A．在通常情况下，甲烷跟强酸、强碱、强氧化剂都不反应B．甲烷化学性质比较稳定，不能被任何氧化剂氧化C．甲烷跟氯气反应无论生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3还是CCl4，都属于取代反应D．甲烷的四种有机取代物都不溶于水答案 B解析甲烷的性质比较稳定，在通常情况下，不与强酸、强碱、强氧化剂反应，但甲烷能在空气中燃烧，A正确，B错误；甲烷在光照条件下与氯气发生取代反应，生成四种有机产物，分别是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4，且均不溶于水，故C、D均正确。