甲烷的性质经典例析

甲烷的性质 【典例导悟】 【典例1】下列事实中能证明甲烷分子是以碳原子为中心的正四面体结构的是 A.CH3Cl只代表一种物质 B.CH2Cl2只代表一种物质 C.甲烷的四个碳氢键的键长相等 D.甲烷的四个碳氢键的夹角相等

【规范解答】选B。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、C、D都是成立的，或者说A、C、D成立并不能证明甲烷分子空间构型是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。 【规律方法】有机物分子中，碳原子以四个单键与其他原子或原子团结合，该碳原子形成的分子结构就是四面体结构，若这四个原子或原子团相同，则该碳原子所形成的分子结构就是正四面体结构。 【变式训练】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（ ） A.Ⅰ B.Ⅱ C.Ⅲ D.Ⅳ 【解析】选D。这几种形式都可表示甲烷这种物质，其中分子结构示意图、球棍模型及比例模型均能反映甲烷分子的空间构型，但其中比例模型更能形象的表达出H、C的位置及所占比例。电子式只反映原子的最外层电子的成键情况，故答案为D。 【典例2】如图所示，U形管的左端被 水和胶塞封闭有甲烷和氯气（体积比 为1∶4）的混合气体，假定氯气在水 中的溶解度可以忽略。将封闭有甲烷 和氯气的混合气体的装置放置在有光 亮的地方，让混合气体缓慢地反应一 段时间。 （1）假设甲烷与氯气反应充分，且只产生一种有机物，请写出化学方程式：___________。 （2）若题目中甲烷与氯气的体积比为1∶1，则得到的产物为_________ 。A.CH3Cl HCl B.CCl4 HCl C.CH3Cl CH2Cl2 D.CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 HCl [（3）经过几个小时的反应后，U形管右端的水柱变化是_______ 。 A.升高 B.降低 C.不变 D.无法确定 （4）若水中含有Na2SiO3，则在U形管左端会观察____ 。 （5）右端玻璃管的作用是_________ 。 【思路点拨】解答该题需注意以下三点： （1）甲烷的取代反应是一种连锁反应，第一步反应一旦开始后续反应立即进行。 （2）产物HCl易溶于水，会引起压强变小。 （3）硅酸是难溶性弱酸。

【自主解答】（1）因Cl2足量，若充分反应，则CH4中的四 个H原子可完全被取代，生成CCl4和HCl， CH4+4Cl2 CCl4+4HCl。 （2）甲烷与氯气的取代反应，是四步反应同时发生，故得到四种氯代产物和HCl。 （3)甲烷和氯气在光照的条件下发生取代反应，U形管左侧生成的氯化氢气体易溶于水，压强减小，U形管右侧液面下降，左侧液面上升。 (4)因左侧生成HCl溶于水后发生反应 2HCl+Na2SiO3====H2SiO3↓+2NaCl，所以观察到有白色胶状沉淀生成。 光照 (5)为了平衡气压，在U形管右侧插有一个玻璃管。 答案：（1）CH4+4Cl2 CCl4+4HCl （2）D （3）B (4）有白色胶状沉淀生成 （5）平衡气压 光照 【变式训练】将等物质的量的甲烷和氯气混合后，在漫射光的照射下充分反应，生成物中物质的量最大的是（ ） A.CH3Cl B.CH2Cl2 C.CCl4 D.HCl 【解析】选D。甲烷与氯气发生取代反应时，每取代1 mol氢原子都生成1 mol HCl，所以生成物中物质的量最多的为HCl。 【学业达标训练】 1.（2010·哈尔滨高一检测）下列物质中属于有机物的是（ ） ①乙醇 ②食盐 ③石墨 ④甲烷 ⑤蔗糖 ⑥水 ⑦一氧化碳 ⑧碳酸钙 ⑨乙酸 A.①②④⑤⑨ B.①④⑤⑨ C.①③④⑤⑦⑧⑨ D.①④⑤⑥ 【解析】选B。食盐、水中不含碳元素，石墨、一氧化碳、碳酸钙三种物质虽含碳元素，但性质上与有机物有很大区别，不属于有机物。 2.（2010·长沙高一检测）有机物中的烃是（ ）的化合物 A.含有碳元素 B.含有碳元素和氢元素 C.仅含有碳元素和氢元素 D.燃烧后生成二氧化碳和水 【解析】选C。仅含有碳元素和氢元素的有机物叫烃，烃燃烧后生成CO2和H2O，但烃的含氧衍生物燃烧也生成CO2和H2O，故只有C正确。 3.下表中四种物质的结构式或球棍模型有错误的是（ ）

【解析】选D。结构式是表示分子中原子的结合或排列顺序的式子，不表示空间构型；球棍模型中小球表示原子，短棍表示化学键，用于表示分子的空间结构，题目中Cl2、H2O、NH3的结构式、球棍模型均正确，而CH4为正四面体结构，而题给球棍模型不能表达，故D错误。 4.下列物质在一定条件下，可与CH4发生取代反应的是 （ ） A.氧气 B.溴水 C.氯气 D.酸性KMnO4溶液 【解析】选C。甲烷性质稳定，与酸性KMnO4溶液不反应，但在光照时与纯卤素单质发生取代反应，但能在氧气中燃烧发生氧化反应，故只有C正确。 5.在我国的南海、东海海底已发现 天然气（甲烷等）的水合物，它易 燃烧，外形似冰，被称为“可燃冰”。“可燃冰”的开采，有助于 解决人类面临的能源危机。 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.①②③ B.②③④ C.①③④ D.①②④ 【解析】选C。甲烷是最简单的烃，难溶于水，因其相对分子质量为16，故相同条件下密度小于空气，甲烷燃烧放出较多的热量且产物为CO2和H2O，所以可燃冰是一种极具潜力的能源，因此C正确。 6.下列叙述中错误的是（ ） A.点燃甲烷需先进行验纯 B.甲烷燃烧能放出大量的热，所以它是一种很好的气体燃料 C.煤矿的矿井要注意通风和严禁烟火，以防爆炸事故的发生 D.同温同压下同质量的CH4比O2占的体积小 【解析】选D。可燃性气体点燃之前必需验纯，否则易发生爆炸，故A、C正确；甲烷燃烧生成CO2和H2O且放出大量的热量，是一种很好的气体燃料，B正确；因为摩尔质量：CH4CH4比O2的体积大，D错误。 7.（2010·温州高一检测）某有机物在氧气中充分燃烧，生成的CO2

和H2O的物质的量之比为1∶2，下列说法正确的是（ ）

A.分子中C、H、O个数之比为1∶2∶3 B.分子中C、H个数之比为1∶2 C.分子中可能含有氧原子 D.此有机物的最简式为CH4 【解析】选C。根据有机物在氧气中燃烧时生成的CO2与H2O的物质的量之比为1∶2，推知有机物分子中C、H原子的个数比为1∶4，但不能说明其最简式为CH4，因为该分子中还可能含有氧原子，故C正确。 [来 8.已全面启动的“西气东输”二线工程于2009年底与中亚天然气管道相连，预计于2011年竣工。截止至2009年2月，已有4亿人从中受益。这里的“气”指的是“天然气”，主要成分是甲烷。下列关于甲烷的说法正确的是（ ） A.实验室可以用排水法收集甲烷 B.只有纯净甲烷在空气中安静燃烧 C.甲烷与氯水发生取代反应 D.甲烷在空气中燃烧只生成二氧化碳和水 【解析】选A。甲烷难溶于水，可以用排水法收集，A项正确；甲烷与空气的混合物中甲烷的体积分数只要在爆炸极限之外，甲烷就能安静燃烧，B项错误；甲烷与卤素单质发生取代反应的条件是光照，甲烷不能与氯水反应，C项错误；在氧气不足条件下，甲烷燃烧会生成一氧化碳和水，D 项错误。 9.（1）某气态烃在标准状况下的体积为2.8 L，其质量为2 g，该烃中氢元素的质量分数为25%，则该烃的分子式 为______，电子式为______ ，结构式为______ ，其空间构型为______ 。 （2）如图立方体中心的“ ”表示甲烷分子中的碳原 子，请在立方体的顶点用“ ”表示出与之紧邻的4个氢 原子的位置。

【解析】（1）该烃的物质的量为：

n=2.8 L/22.4 L·mol-1=0.125 mol，该烃的摩尔质量 M=2 g/0.125 mol=16 g·mol-1;1 mol该烃中含氢原子的物质的量为：n（H）=16 g×25%/1 g·mol-1=4 mol；1 mol该烃中含碳原子的物质的量为： n（C）=16 g×（1-25%）/12 g·mol-1=1 mol，所以分子式为CH4。（2）CH4分子是以碳原子为中心的正四面体结构，在立方体中互不相邻的四个顶点即构成正四面体结构。 10.生态农业涉及农家废料的综合利用，某种肥料经发酵得到一种含甲烷、二氧化碳、氮气的混合气体。2.016 L（标准状况）该气体通过盛有足量红 热CuO粉末的硬质玻璃管，发生的反应为： CH4+4CuOCO2+2H2O+4Cu。当甲烷完全反应后，硬质 玻璃管的质量减轻4.8 g。将反应后产生的气体通过过量的澄清石灰水，充分吸收，生成沉淀8.5 g。 （1）原混合气体中甲烷的物质的量是______________ （2）原混合气体中氮气的体积分数为多少?(写出计算过程) △ 【解析】用差量法计算混合气体中甲烷的物质的量：固体质量减少的量等于氧化铜失去氧元素的量， Δn(O)=4.8 g/16 g·mol-1=0.3 mol， CH4+4CuOCO2+2H2O+4Cu Δn(O) 1 mol 1 mol 4 mol 0.075 mol 0.075 mol 0.3 mol 与氧化铜完全反应后气体中二氧化碳总物质的量： n(CO2)=n(CaCO3)=8.5 g/100 g·mol-1=0.085 mol，原气体中二氧化碳的量： n(CO2)=0.085 mol-0.075 mol=0.01 mol，原气体总物质的量：