高中化学苏教版 (2019)必修 第二册第一单元 化石燃料与有机化合物第1课时学案及答案

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第一单元　化石燃料与有机化合物第1课时　天然气的利用　甲烷新课程标准1．能描述甲烷的分子结构，并能搭建甲烷、乙烷的立体模型。2．掌握甲烷的性质，会书写相应的化学方程式。3．理解取代反应的概念，了解同系物的概念。 学业质量水平合格性要求1.认识甲烷的正四面体结构，构建立体结构的思维模型，并能利用模型，解决实际问题。(水平1)2．了解甲烷分子结构特点形成“结构决定性质”的观念，能从宏观和微观结合的视角分析与解决实际问题。(水平2)等级性要求通过甲烷与氯气的光照实验、探究取代反应的原理与特点，并能用化学键的知识分析反应过程，认识取代反应。(水平3)  图说考点      基础知识——自学·思记·尝试[新知预习]一、化石燃料的组成(1)天然气、石油、煤的组成元素和成分化石燃料组成元素主要成分石油主要是________，含少量S、O、N等溶有________和________天然气________________________煤主要是____，其次为____、O，还有少量S、P、N等________和________组成的复杂混合物(2)天然气的主要成分是CH4，是最简单的有机化合物；石油、煤经过加工可得到多种有机物。(3)天然气、石油、煤是常见的化石燃料，属不可再生资源。(4)CO2、CH4及碳氢化合物是形成温室效应的气体。二、甲烷1．分子结构名称化学式电子式结构式空间构型球棍模型空间填充模型甲烷CH4________________2.存在及物理性质甲烷是________、________、可燃冰、瓦斯、坑道气的主要成分，是________色________味________体，难溶于水，密度比空气________。3．化学性质(1)氧化反应：①甲烷燃烧：实验操作燃烧现象安静燃烧，产生________色火焰产物检验方法罩一只干燥的烧杯罩一只内壁用澄清石灰水润洗过的烧杯现象烧杯内壁有________生成石灰水变________结论________________________________②甲烷燃烧的化学方程式：________________________。(2)取代反应：①实验探究：实验操作实验现象a.黄绿色逐渐消失，最后变为无色，b．集气瓶内壁有________出现，c．集气瓶内液面________，水槽内有少量________析出化学反应原理CH4CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4特点反应不停留在某一步反应上，各种产物均有方程式______________________________________，______________________________________，______________________________________，______________________________________。②取代反应概念：有机物分子中的__________被另一种__________所取代的反应。4．甲烷的利用(1)可制制冷剂——氟利昂：反应：①________________，②CHCl3＋HF―→CHFCl2＋HCl。(2)可制CH3OH：CH4________________。(3)甲烷高温下可分解，分解的化学方程式为：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。   【学而思】质疑：可燃冰是一种由天然气与水在低温高压条件下形成的类冰状结晶物质，又名天然气水合物。有人认为“可燃冰的开采和利用实现了由水变成油的梦想”，这种说法对吗？       三、烷烃和同系物1．两个概念：2．烷烃：(1)分子通式：____________________________。(2)习惯命名：n≤1012345678910甲烷乙烷丙烷____________________壬烷癸烷n≥10直接根据碳原子数称某烷C16H34：________，C18H38：________(3)化学性质：(类似甲烷)①稳定性：通常状态下烷烃性质稳定。②可燃性：烷烃都能燃烧，燃烧通式为____________________________________________。③取代反应：烷烃都能与卤素单质在光照下发生取代反应。写出C2H6与Cl2在光照条件下生成一氯代物的化学方程式：________________________________________。3．同系物：(1)概念：“相似”——分子结构________；“相差”——分子组成相差1个或若干个“______”原子团。(2)实例：CH4与CH3CH3、丙烷(CH3CH2CH3)、正丁烷(CH3CH2CH2CH3)互为________。   【学而思】(1)(知识关联)根据甲烷的性质，推测丙烷的化学性质有哪些？     (2)随着碳原子数的增加，烷烃的熔、沸点有何变化规律？常温下呈气态的烷烃有哪些？     (3)(情境思考)奥运会“祥云”火炬所用燃料的主要成分为丙烷(又称为液化石油气)。等体积的甲烷与丙烷燃烧，哪种烷烃消耗的氧气多？     (4)CH2===CH2(乙烯)和 (环丙烷)符合同一通式，二者是否互为同系物？        [即时自测]1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”(1)有机物都含有碳元素，则含有碳元素的化合物都是有机物。(　　)(2)有机物都易燃烧。(　　)(3)烃是含有碳元素和氢元素的化合物。(　　)(4)烃在氧气中充分燃烧后只生成二氧化碳和水。(　　)(5)天然气的主要成分是甲烷，其属于可再生能源。(　　)2．甲烷与Cl2在光照条件下发生反应会产生以下实验现象，请将产生这些现象的原因(用编号表示)填在括号内。(1)试管内气体颜色变浅(　　)(2)试管内壁有油状液滴出现(　　)(3)试管中有少量白雾产生(　　)(4)试管内液面上升(　　)A．CH2Cl2、CHCl3、CCl4都是难溶于水的油状液体B．HCl极易溶于水，导致试管内气体压强减小C．Cl2被消耗，产生无色物质D．反应中产生的HCl与水蒸气结合形成盐酸小液滴3．关于CH4和的叙述不正确的是(　　)A．均能用通式CnH2n＋2来表示B．与所有烷烃互为同分异构体C．因为它们结构相似，所以它们的化学性质相似D．它们互为同系物4．下列有关同系物的叙述正确的是(　　)5．下列各物质：①O2和O3　②12C和14C③C2H6和C3H8　④(1)互为同位素的是________。(2)互为同素异形体的是________。(3)同属于烷烃的是________。(4)互为同分异构体的是________。(5)互为同系物的是________。6．二氟甲烷(CH2F2)是性能优异的环保产品，它可替代某些会破坏臭氧层的“氟利昂”产品，用作空调、冰箱和冷冻库等中的致冷剂。(1)判断二氟甲烷的结构简式有多少种？     (2)下列关于二氟甲烷的说法正确的是(　　)A．二氟甲烷是正四面体结构B．二氟甲烷溶于水得F－C．二氟甲烷中两个氢原子性质相同D．二氟甲烷是直线形分子      技能素养——合作·探究·分享例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。 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甲烷完全转化为CCl4消耗2 mol氯气 例3 下列物质之间的相互关系错误的是(　　)A．CH3CH2CH2CH3和互为同分异构体B．干冰和冰为同一种物质C．CH3CH3和CH3CH2CH3互为同系物D．12C和14C互为同位素      关键能力　归纳提升一、有机物分子组成与结构的表示方法1．“五式”“两模型”(以C2H6为例)       实例含义优点缺点分子式C2H6用元素符号和数字表示分子组成的式子反映一个分子中原子的种类和数目无法了解有机物分子的实际结构最简式(实验式)CH3表示物质组成的各元素原子最简整数比的式子能表明分子中各原子数目比，用于研究有相同组成的物质不能真实反映物质的分子组成电子式用“·”或“×”表示电子，表示原子最外层电子成键情况的式子能够表明分子的组成，分子中原子间的成键情况，原子能否形成稳定的电子层结构不能表示分子的空间结构结构式用短线表示原子间的共用电子对表示分子的组成以及分子中原子的结合或排列顺序、成键情况不能表示分子的空间结构，书写较复杂的分子的结构式很麻烦结构简式CH3CH3把结构式中表示共价键的“—”删去，把与碳原子连接的氢原子与碳原子合并为碳氢原子团书写方便，且仍能表示出分子结构的情况，适用范围很广无法表示分子中各原子间的空间位置关系球棍模型用球和棍表示原子间的结合方式能够清楚地表示出分子中原子间的化学键和键型较难区分各个球代表的元素空间填充模型用球表示原子间的连接方式能够清楚地表示出分子中原子体积的相对大小及原子的相对位置较难区分各种不同的共价键，如C—C键、C===C键等2.烷烃的结构与性质烷烃   3．甲烷的取代反应在理解应用CH4和Cl2的取代反应时应注意的问题反应条件光照(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)反应物甲烷与Cl2的反应，其中反应物是Cl2，而不是氯水反应产物反应产物是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4四种有机物与HCl形成的混合物，虽然各反应物的比例、反应的时间长短等因素会造成各种产物的比例不一，但很难出现全部是某一种产物的现象，往往是几种产物的混合物物质的量的关系甲烷与氯气发生取代反应时，每1 mol H原子被取代，消耗1 mol Cl2，同时生成1 mol HCl，生成的HCl最多，1 mol CxHy与Cl2完全取代最多消耗y mol Cl2反应特点甲烷与氯气的反应逐步进行，化学方程式应分步书写，甲烷的取代反应中，生成的是四种有机物和HCl的混合物，因此，取代反应一般不用于物质的制备 状元随笔　甲烷空间结构的三点拓展应用(1)若CH4分子中的4个氢原子全部被其他相同的原子或原子团替代，则形成的分子结构仍为正四面体结构。(2)若CH4分子中的4个氢原子被其他不同的原子或原子团替代，则形成的分子结构仍为四面体，但不属于正四面体，如CH3Cl、CH2Cl2等。(3)由CH4的空间结构可推知CH3CH2CH3等有机物中的碳原子并不在一条直线上。 4．取代反应与置换反应比较 取代反应置换反应实例CH4＋Cl2 CH3Cl＋HClZn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑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)所替代的反应一种单质和一种化合物反应生成另一种单质和另一种化合物的反应反应特点①反应物：有机物和无机化合物或单质②生成物：不一定有单质，产物多为化合物③很多反应进行不完全，反应速率慢④产物不唯一①反应物：一种单质和一种化合物②生成物：一种新的单质和一种新的化合物③一般能进行完全，反应速率快④产物唯一反应条件反应受催化剂、温度、光照的影响水溶液中置换反应遵循“以强制弱”的原则反应中电子得失不一定发生电子的转移，因此不一定是氧化还原反应一定发生电子的转移，一定是氧化还原反应反应是否可逆部分是可逆反应一般是不可逆反应 5.同系物和同分异构体的判断(Ⅰ)同系物的判断(1)同系物的标准①：互为同系物的物质属于同一类有机物即分子结构相似②：互为同系物的物质碳原子数不同即分子组成上相差一个或若干个“CH2”原子团(2)同系物判断的三个关键点：①“同”——互为同系物的物质必须属于同一类物质。②“似”——结构相似，是指化学键类型相似，分子中各原子的结合方式相似。③“差”——组成上相差n个“CH2”原子团(n≥1)。a.同系物一定具有不同的碳原子数(或分子式)。b.同系物一定具有不同的相对分子质量(相差14n)。(3)判断同系物时应注意的两个问题：①互为同系物的分子中各元素的质量分数可能相同，也可能不同。②同系物和同分异构体的区别：同系物结构相似，组成不同，分子式不同；同分异构体分子式相同，结构可能相似也可能不相似。(Ⅱ)同分异构体的判断(1)一同——分子式相同。可理解如下：①分子式相同具有相同的组成元素如CH4、C3H8的组成元素相同，但两者不是同分异构体。②分子式相同具有相同的相对分子质量如C2H4、N2的相对分子质量相同，但两者不是同分异构体。③分子式相同各元素的质量分数分别相同如C2H4、C3H6分子中C、H的质量分数分别相同，但两者不是同分异构体。(2)一异——结构不同。可理解如下：①原子或原子团的连接顺序不同；②原子的空间排列不同。 状元随笔　判断同系物时要注意以下两种情况：(1)根据物质的结构简式判断物质是不是互为同系物，要注意所给的物质是不是分子式相同，若分子式相同则不互为同系物，如CH3CH2CH2CH3和互为同分异构体。(2)组成元素相同且各元素的质量分数相同的物质不一定为同系物。如：C2H4与C3H6的最简式相同，C、H的质量分数相同，但C2H4只能为CH2CH2，而C3H6若为时二者不互为同系物。  6．“四同”比较    概念内涵研究对象比较实例相同不同同系物结构相似，在分子组成上相差一个或若干个“CH2”原子团的有机化合物互称为同系物有机化合物结构相似组成上相差一个或若干个“CH2”原子团CH3CH3与同分异构体具有相同的分子式，不同结构式的化合物互称为同分异构体化合物分子式相同结构式不同CH2===CHCH3与同素异形体同一种元素形成的几种性质不同的单质单质元素种类相同性质不同O2与O3、白磷与红磷同位素质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素原子质子数相同中子数不同、与      课堂检测——夯实·测控·演练1．在我国的南海、东海海底已发现天然气(含甲烷等)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．②③④C．①③④ D．①②④2．如图所示均能表示甲烷的分子结构，下列说法错误的是(　　)A．Ⅰ将各原子看成了质点，为立体结构示意图B．Ⅱ为电子式，表示甲烷分子中有8个电子C．Ⅲ为球棍模型，棍代表甲烷分子内含有的共价键D．Ⅳ为空间填充模型，能表示出甲烷的空间构型及各原子的相对大小3．常温下把体积相同的甲烷和氯气充入一个无色的集气瓶中，光照一段时间后，发现气体的黄绿色变浅，集气瓶上有淡黄绿色液滴。此时集气瓶中最多含有气体物质的种数是(　　)A．5种     B．6种C．4种     D．3种4．液化石油气中含有丙烷，且丙烷中C原子成键特点与CH4中碳原子相似，性质相似。下列有关丙烷的叙述中不正确的是(　　)A．分子中碳原子不在一条直线上B．光照下能够发生取代反应C．丙烷与甲烷不是同系物D．丙烷不能使酸性KMnO4溶液褪色5．下列物质互为同系物的是(　　)A．B．CH3—CH3与C．CH3CH2Cl与CH2ClCH2ClD．CH4与CH3CH2Cl6．下列说法正确的是(　　)A．甲烷分子的空间填充模型为，其二氯取代物有2种结构B．甲烷不能被氧化C．天然气不属于可再生能源D．标准状况下，11.2 L CCl4中含有C－Cl键的数目为2NA7．下列反应属于取代反应的是(　　)A．CH4C＋2H2B．2HI＋Cl2===2HCl＋I2C．CH4＋2O2CO2＋2H2OD．C2H6＋Cl2C2H5Cl＋HCl8．在常温、常压下，取下列四种气态烃各1 mol，分别在足量的氧气中燃烧，消耗氧气最多的是(　　)A．CH4  B．C3H8C．C4H10 D．C2H69．晋朝人常璩在《华阳国志》里有这样一段话：“有火井，夜时光映上昭。民欲其火，先以家火投之。顷许，如雷声，火焰出，通耀数十里，以竹筒盛其光藏之，可拽行终日不灭也……”，请回答下列问题。(1)话中描述的物质是一种最简单的有机物——甲烷，其结构式为________________________________________________________________________。(2)写出“顷许，如雷声，火焰出”涉及的化学方程式：________________________________________________________________________。(3)甲烷不仅可以直接用来燃烧，还是重要的化工原料，它可以与水在高温条件下反应制得水煤气(CO和H2)，反应的化学方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________，反应得到的水煤气中CO和H2的质量比为________________。(4)CH4和Cl2反应生成一氯甲烷的化学方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________，反应类型是______________________________________________________________。10．如图所示表示页岩气中某些烃类的结构模型：(1)有机物甲的结构简式为________，有机物甲与有机物乙互为________。(2)有机物乙的一氯取代物有________种，请你根据甲烷分子结构示意图推测，有机物乙中最多有________个C原子在同一平面内。     专题8　有机化合物的获得与应用第一单元　化石燃料与有机化合物第1课时　天然气的利用　甲烷基础知识新知预习一、　(1)C、H　气态烃　固态烃　C、H　CH4　C　H　有机物　无机物二、1.2．天然气　沼气　无　无　气　小3．(1)淡蓝　水珠　浑浊　有水生成　有CO2生成　CH4＋2O2CO2＋2H2O　(2)①油状液滴　上升　固体　CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl　CH3Cl＋Cl2CH2Cl2＋HCl　CH2Cl2＋Cl2CHCl3＋HCl　CHCl3＋Cl2CCl4＋HCl　②某种原子(或原子团)　原子(或原子团)4．(1)CH4＋3Cl2CHCl3＋3HCl　(2)CO、H2　CH3OH(3)CH4C＋2H2学而思提示：不对。因为可燃冰中含有CH4和H2O，可燃冰中并不是只有H2O，可燃冰能燃烧是其中的可燃性成分CH4起作用。三、1．C、H　碳碳单键　氢原子2．(1)CnH2n＋2(n≥1)(2)丁烷　戊烷　己烷　庚烷　辛烷　十六烷　十八烷(3)②CnH2n＋2＋O2nCO2＋(n＋1)H2O③C2H6＋Cl2C2H5Cl＋HCl3．(1)相似　CH2　(2)同系物学而思提示：(1)①能与O2发生燃烧反应；②能与Cl2在光照下反应。(2)烷烃的熔、沸点随碳原子数的增加而升高；常温下甲烷、乙烷、丙烷、丁烷呈气态。(3)相同条件下，1 mol甲烷燃烧消耗2 mol氧气，1 mol丙烷(C3H8)燃烧消耗5 mol氧气，丙烷(C3H8)消耗的氧气多。(4)不互为同系物。CH2===CH2与结构不相似，二者不互为同系物。即时自测1．答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×2．答案：(1)C　(2)A　(3)D　(4)B3．解析：它们与其他烷烃互为同系物。答案：B4．答案：B5．答案：(1)②　(2)①　(3)③④　(4)④　(5)③6．解析：(1)由于甲烷分子是正四面体结构，正四面体的任何两个顶点总是相邻的，所以，二氟甲烷只有1种分子结构；(2)甲烷是正四面体结构，碳原子位于正四面体的中心，4个氢原子分别位于正四面体的4个顶点，当甲烷分子上的2个氢原子被氟原子取代后，由于原子之间的相互影响，键长、键角都发生了变化，所以就不再是正四面体结构了，故A、D错误；二氟甲烷是非电解质，既不溶于水，也不发生电离，故B错误；二氟甲烷分子中的两个氢原子是完全等效的，故C正确。答案：(1)1种　(2)C技能素养例1　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例2　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 H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消耗4 mol氯气，D错误。答案：C例3　解析：干冰是二氧化碳晶体，冰是固态的水，故B错误。答案：B课堂检测1．答案：C2．答案：B3．答案：C4．答案：C5．答案：B6．解析：甲烷分子的空间填充模型为，其二氯取代物有1种结构，所以A项错误。甲烷可以燃烧，能被氧气氧化，B错误。天然气为化石燃料，属于不可再生能源，C项正确。标准状况下，CCl4是液态不是气态，所以11.2 L CCl4的物质的量不是0.5 mol，D错误。答案：C7．解析：A属于分解反应(也可叫裂解反应)，B为置换反应，C属于氧化反应。要注意取代反应与置换反应的区别。答案：D8．解析：设此气态烃的分子式为CxHy，其完全燃烧的化学方程式为CxHy＋O2xCO2＋H2O，则1 mol该烃完全燃烧时耗氧量为 mol，上述选项分别代入 mol，比较可知C4H10耗氧量最多。答案：C9．解析：(1)甲烷为正四面体结构，其结构式为 (2)CH4燃烧生成CO2和H2O，化学方程式为CH4＋2O2CO2＋2H2O；(3)根据信息提示，可知反应物为CH4、H2O，生成物为CO和H2，故反应的化学方程式为CH4＋H2OCO＋3H2。由化学方程式可知n(CO)∶n(H2)＝1∶3，故CO和H2的质量比为(28×1)∶(3×2)＝14∶3；(4)CH4和Cl2在光照条件下发生取代反应生成一氯甲烷，化学方程式为CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl。答案：(1)(2)CH4＋2O2CO2＋2H2O(3)CH4＋H2OCO＋3H2　14∶3(4)CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl　取代反应10．解析：(1)根据有机物甲的球棍模型，可知其结构简式为CH3—CH2—CH2—CH3。根据有机物乙的空间填充模型，可知其结构简式为有机物甲和乙的分子式相同而结构不同，所以二者互为同分异构体。(2)分子中与相连的3个—CH3位置相同，故其一氯代物有2种根据CH4分子结构示意图可知，CH4分子中最多有3个原子在同一平面内，相当于CH4分子中的3个H原子被3个—CH3取代，所以最多有3个C原子在同一平面内。答案：(1)CH3—CH2—CH2—CH3(或CH3CH2CH2CH3)　同分异构体　(2)2　3