化学必修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课时教学设计

这是一份化学必修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课时教学设计，共21页。

第一节　最简单的有机化合物——甲烷
第1课时　甲烷的性质


1．了解甲烷的存在和结构特点，掌握甲烷的性质。
2．理解取代反应的概念。

一、有机化合物
1．元素组成：组成有机物的元素除碳外，常有氢、氧，还含有氮、硫、卤素、磷等。
2．烃：仅含碳和氢两种元素的有机物称为碳氢化合物，也称为烃。最简单的烃是甲烷。
二、甲烷
1．甲烷的分子结构
分子式CH4,_电子式， 结构式，空间构型正四面体。
2．甲烷的物理性质
颜色
状态
气味
密度
水溶性
无色
气体
无味
比空气轻
极难溶于水
3.甲烷的化学性质
(1)氧化反应——甲烷的燃烧
甲烷燃烧的化学方程式CH4＋2O2CO2＋2H2O。
(2)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。
甲烷与氯气反应生成一氯甲烷的化学方程式CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl。

1．雾霾的化学成分较为复杂，包含有下列物质，其中属于有机物的是(　　)
A．臭氧　　 B．二氧化硫
C．氮氧化物 D．碳氢化合物
解析：有机物的组成元素应有C，故应选D项。
答案：D
2．下列叙述中错误的是(　　)
A．点燃甲烷前要进行验纯
B．甲烷的密度比空气大
C．煤矿的矿井要注意通风并严禁烟火，以防爆炸事故的发生
D．点燃甲烷不一定会爆炸
解析：甲烷是可燃性气体，当甲烷与氧气混合达到一定比例范围时，点燃会发生爆炸，故点燃甲烷前要进行验纯，煤矿的矿井要严禁烟火，A、C、D项正确；甲烷密度比空气小，B项错误。
答案：B
3．光照条件下，甲烷与氯气在容积不变的密闭容器中可发生反应：

下列说法错误的是(　　)
A．该反应中三种元素的非金属性：Cl>C>H
B．该反应中有两种旧化学键断裂，同时有两种新化学键形成
C．该反应中，反应物和生成物中均只含共价键
D．该反应中，反应物和生成物均为共价化合物
解析：根据Cl、C、H三种元素在周期表中的位置可知，非金属性Cl>C>H，A项正确；反应过程中断裂C—H键和Cl—Cl键，形成C—Cl键和H—Cl键，B项正确；CH4、Cl2、CH3Cl、HCl四种物质中所存在的化学键均为共价键，C项正确；反应物Cl2为单质，不属于化合物，D项错误。
答案：D

　甲烷分子的空间结构
1．甲烷分子的结构
CH4分子的空间构型为正四面体，4条C—H键的长度、强度和夹角完全相同，因此CH4分子中的4个氢原子性质完全相同。
(1)若将CH4分子中的4个氢原子全部用其他的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，如CCl4。
(2)若CH4分子中的4个氢原子被其他的不同原子或原子团替代，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。

中学化学中常见的具有正四面体结构的物质有CH4、CCl4、P4、金刚石、晶体硅、NH等。
2．有机物组成和结构的表示方法(以CH4为例)
表示方法
实例(CH4)
含义及主要应用
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
结构式

表示分子中原子的结合或排列顺序，不表示空间构型
结构简式
CH4
反映有机物分子的突出结构，有机物反应化学方程式中有机物常用结构简式表示
球棍模型

小球表示原子，短棍表示化学键，表示分子的立体结构
比例模型

不同体积的小球表示不同原子，真实反映分子的立体结构
　甲烷分子是以碳原子为中心的正四面体结构而不是正方形的平面结构，其理由是(　　)
A．CHCl3只有一种结构
B．CH2Cl2只有一种结构
C．CH4分子受热分解
D．CH4的四个共价键的长度和强度都相等
【解析】　CH4无论是正四面体结构还是平面正方形结构时，都符合选项A、C、D的说法，故不能用选项A、C、D来确定CH4是何种结构；若CH4是平面正方形结构，则CH2Cl2有如下两种结构：，而CH4为正四面体结构时，CH2Cl2就只有一种结构。因此可由CH2Cl2只有一种结构推知CH4为正四面体结构。
【答案】　B
【点评】　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。
　下列关于甲烷分子结构的叙述中，正确的是(　　)
A．甲烷分子中C、H原子间是离子键
B．甲烷分子的空间结构是正方形
C．甲烷的结构式为CH4
D．甲烷分子中4个碳氢键完全相同
解析：甲烷分子中C、H原子间是共价键，A项错误；甲烷分子的空间构型为正四面体形，B项错误；甲烷的结构式为，C项错误；甲烷分子中4个碳氢键完全相同，D项正确。
答案：D
　甲烷的化学性质
通常状况下，甲烷性质比较稳定，与高锰酸钾等强氧化剂不反应，与强酸、强碱也不反应。但是在特定条件下，甲烷也会发生某些反应。

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氧化，即CH4分子结构很稳定。
1．氧化反应——甲烷的燃烧
甲烷完全燃烧的化学方程式CH4＋2O2CO2＋2H2O
现象：①在空气中燃烧，火焰呈淡蓝色，在空气中燃烧火焰呈淡蓝色的物质还有H2S、H2、CO、S、酒精。另外S在氧气中燃烧火焰为蓝紫色。
②在火焰上罩上一个冷而干燥的小烧杯，内壁有水珠生成将小烧杯迅速倒转过来，向其中加入少量澄清石灰水，石灰水变浑浊。
注意：a.点燃CH4和空气或O2的混合气体，可能会发生爆炸(CH4在空气中的爆炸极限为5%～15.4%)，因此点燃CH4之前必须要验纯。b.任何可燃气体在点燃前都必须验纯。
2．取代反应
(1)实验探究：甲烷与Cl2的取代反应
实验操作

实验现象
A装置：试管内气体颜色逐渐变浅；试管内壁有油状液滴出现，试管中有少量白雾，且试管内液面上升；水槽中有固体析出
B装置：无明显现象
实验结论
CH4与Cl2需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＋HCl

无论CH4和Cl2的比例如何，发生取代反应的产物都是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl的混合物。
(2)甲烷的四种氯代产物的性质
①水溶性：CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4均难溶于水。
②状态：常温下除CH3Cl是气体，其余三种均为液体。
(3)取代反应
反应条件
光照(强光照射会发生爆炸)
反应物
甲烷和气态卤素单质
生成物
卤化氢和各种卤代甲烷的混合物，其中卤化氢的量最多
反应特点
①逐步取代，各步反应同时进行
②取代1 mol H原子，消耗1 mol X2，生成1 mol HX
注意：取代反应的特点可概括为八个字“上一下一，取而代之”。
　(2018·全国卷Ⅱ)实验室中用如图所示的装置进行甲烷与氯气在光照下反应的实验。

光照下反应一段时间后，下列装置示意图中能正确反映实验现象的是(　　)

【解析】　在光照条件下氯气与甲烷发生取代反应生成氯化氢和四种氯代烃，氯化氢极易溶于水，所以液面会上升。但氯代烃是不溶于水的气体或油状液体，所以最终水不会充满试管，D正确。
【答案】　D
　在光照条件下，将等物质的量的甲烷和氯气充分反应，所得产物中物质的量最多的是(　　)
A．CH3Cl B．CH2Cl2
C．CHCl3 D．HCl
解析：甲烷和Cl2是分步发生取代反应，各步产物中均有HCl生成，若生成1 mol CH3Cl同时生成1 mol HCl，若生成1 mol CH2Cl2同时生成2 mol HCl，若生成1 mol CHCl3同时生成3 mol HCl，故产物中HCl的物质的量最多。
答案：D

1.下列物质中属于有机物的是(　　)
①乙醇　②食盐　③二氧化碳　④甲烷　⑤硫酸　⑥碳酸钠　⑦一氧化碳　⑧碳酸　⑨乙酸
A．①②④⑤⑨　　 B．①④⑨
C．①③④⑤⑦⑧⑨ D．①④⑤⑥
解析：食盐、硫酸不含碳元素，属于无机物；二氧化碳、一氧化碳、碳酸钠、碳酸虽然含有碳元素，但性质上与有机物有很大差别，不属于有机物；乙醇、甲烷、乙酸属于有机物，故选B项。
答案：B
2．在光照条件下，将1 mol CH4与1 mol Cl2混合充分反应后，得到的产物是(　　)
A．CH3Cl　HCl
B．CCl4　HCl
C．CH3Cl　CH2Cl2
D．CH3Cl　CH2Cl2　CHCl3　CCl4　HCl
解析：CH4和Cl2的反应中，无论二者的比例如何，都可发生4步反应，故所得产物为CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4、HCl，故选D项。
答案：D
3．下列反应属于取代反应的是(　　)
A．Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4
B．NaCl＋AgNO3===AgCl↓＋NaNO3
C．Cl2＋2NaBr===2NaCl＋Br2
D．CH2Cl2＋Cl2HCl＋CHCl3
解析：A项、C项反应为置换反应；B项反应为复分解反应；D项为取代反应。
答案：D
4．(2018·福建师大附中期末)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、冰箱和冷冻库的制冷剂。对二氟甲烷的叙述正确的是(　　)
A．只有1种结构 B．属于烃
C．有2种结构 D．为正四面体结构
解析：二氟甲烷属于烃的衍生物，是四面体结构，只有1种结构。
答案：A
5．某气态烃的摩尔质量为16 g·mol－1，该烃中氢元素的质量分数为25%，则该烃的分子式为________，结构式为________，在点燃条件下该烃与氧气完全反应的化学方程式为____________________。
解析：该烃中含H个数为＝4，含C个数为＝1，故该烃的分子式为CH4，其结构式为。CH4与O2完全反应的化学方程式为CH4＋2O2CO2＋2H2O。
答案：CH4　　CH4＋2O2CO2＋2H2O


1．下列有关有机化合物组成的叙述不正确的是(　　)
A．有机化合物大多数难溶于水，熔点低
B．有机物中一定含碳元素
C．有机物只含碳、氢两种元素
D．大多数有机物易燃烧
解析：有机物中一定含有碳元素，另外还可以含有H、O、N、Cl等，如C2H5OH、CHCl3、CCl4等均为有机物，有机物不一定只含C、H两种元素，C项错误。
答案：C
2．天然气的主要成分为甲烷。下列关于甲烷的叙述错误的是(　　)
A．通常情况下，甲烷与强酸、强碱、强氧化剂都不反应
B．甲烷的化学性质比较稳定，点燃前不必验纯
C．甲烷与氯气反应，无论生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3或CCl4，都属于取代反应
D．可用排水法收集甲烷
解析：CH4性质稳定，不与强酸、强碱、强氧化剂反应，A项正确；CH4为可燃性气体点燃之前要验纯，B项错误；CH4与Cl2的反应是逐步进行的，每步反应都属于取代反应，C项正确；CH4不溶于水，可用排水法收集甲烷，D项正确。
答案：B
3．下列关于烃的说法中，正确的是(　　)
A．烃是指分子里含碳元素的化合物
B．烃是指仅由碳和氢两种元素组成的化合物
C．烃是指燃烧反应后生成二氧化碳和水的有机物
D．烃是指分子里含有碳、氢元素的化合物
解析：根据烃的定义：仅含碳、氢两种元素的有机物。
答案：B
4．把纯净的甲烷和氯气混合，用玻璃片盖住瓶口，放在光亮的地方，片刻后移动玻璃片，留一条缝，此时观察到的现象有：①有固体产生；②瓶口有白雾；③瓶内气体颜色变浅；④瓶内有油状物。其中正确的是(　　)
A．①②③　　 B．①③④
C．②③④ D．①②④
解析：CH4和Cl2在光照条件下生成CH3Cl(气体)、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl，随着反应的进行，Cl2不断被消耗，黄绿色逐渐消失，又由于生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4常温下均为无色液体，故瓶壁上有油状液滴生成，所生成的HCl遇空气中的水分形成白雾，反应没有固体产生，故②③④正确，选C项。
答案：C
5．(2018·湛江市期末)为验证甲烷分子中含有碳、氢两种元素，可将其燃烧产物依次通过下列试剂：
①浓硫酸；②澄清石灰水；③无水硫酸铜。正确的顺序是(　　)
A．③② B．②①③
C．②③ D．①②③
解析：甲烷分子中含有碳氢两种元素，碳元素燃烧产物是二氧化碳，可以用澄清石灰水来检验，氢元素燃烧产物是水，可以用无水硫酸铜来检验，但是澄清石灰水中含有水，所以检验水之后才能检验二氧化碳，故A正确。
答案：A
6．将1 mol 甲烷和适量的Cl2混合后光照，充分反应后生成的CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4四种有机产物的物质的量依次增大0.1 mol，则参加反应的Cl2的物质的量为(　　)
A．1.5 mol B．3 mol
C．4.5 mol D．6 mol
解析：设生成CH3Cl的物质的量为x，则CH2Cl2、CHCl3、CCl4的物质的量分别为x＋0.1、x＋0.2、x＋0.3，根据碳原子守恒可得x＋x＋0.1＋x＋0.2＋x＋0.3＝1，解得x＝0.1 mol，根据氯离子守恒可得反应消耗Cl2的物质的量为0.1 mol×1＋(0.1＋0.1)mol×2＋(0.2＋0.1) mol×3＋(0.3＋0.1)mol×4＝3 mol，故选B项。
答案：B
7．下列各图均能表示甲烷的分子结构，按要求回答下列各问题。

(1)甲烷的球棍模型是________，甲烷的电子式是________。(填序号)
(2)如果甲烷是平面形，则CH2Cl2应该有________种结构，实际CH2Cl2有________种结构，证明甲烷不是平面形，而是________结构，上面________更能反映其真实存在状况。
解析：(1)这几种形式都可表示甲烷这种物质，其中分子结构示意图(A)，球棍模型(C)，比例模型(D)均能反映甲烷分子的空间构型，但比例模型更能形象地表达出C、H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)甲烷若为平面结构，则CH2Cl2有两种结构，实际上CH2Cl2只有一种结构，故CH4为空间正四面体结构。
答案：(1)C　B　(2)2　1　正四面体　D
8．三个装有CH4和Cl2混合气体的集气瓶，用玻璃片盖好瓶口后，分别作如下处理。各有怎样的现象发生？
(1)①置于黑暗中：____________________________________。
②将点燃的镁条靠近集气瓶外壁：_______________________。
③放在有光线的房子里：_______________________________。
(2)CH4和Cl2发生的一系列反应都是________(填反应类型)反应，请写出CH4与Cl2反应生成一氯甲烷的化学方程式__________________________________________________________。
(3)若要使0.5 mol CH4完全和Cl2发生取代反应，并生成相同物质的量的四种取代产物，则需要Cl2的物质的量为(　　)
A．2.5 mol B．2 mol
C．1.25 mol D．0.5 mol
解析：对于有机反应，反应条件非常重要，通过控制反应条件，可使CH4和Cl2的取代反应发生的现象不同。0.5 mol CH4生成等物质的量的4种取代产物，即CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各0.125 mol，则所需n(Cl2)＝0.125 mol×1＋0.125 mol×2＋0.125 mol×3＋0.125 mol×4＝1.25 mol。
答案：(1)①无明显现象　②爆炸　③黄绿色逐渐变浅，有油状液滴生成　(2)取代　CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl　(3)C

1．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：甲烷是最简单的烃，难溶于水，其相对分子质量为16，小于空气的平均相对分子质量(29)，相同条件下密度小于空气，甲烷燃烧放出大量的热，故可燃冰是一种极具潜力的能源，故C项正确。
答案：C
2．下图是CH4、CCl4、CH3Cl的分子球棍模型图。下列说法正确的是(　　)

A．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中的化学键完全相同
D．CH4、CCl4的结构相同，性质也相同
解析：CH3Cl中C—Cl键与C—H键键长不同，故CH3Cl不是正四面体结构，A项错误；CH4中的化学键为C—H键，CCl4中的化学键为C—Cl键，由于C、H、Cl的非金属性不同，非金属性Cl>C>H，故CH4、CCl4中的化学键不同，C项错误；CH4、CCl4所含元素不完全相同，二者性质也不同，常温CH4为气体，CCl4为液体，CH4易燃，CCl4不易燃，D项错误。
答案：B
3．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CH3Cl
B．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．若1 mol甲烷完全转化为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项错误，C项正确；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项错误；1 mol甲烷完全转化为CCl4最多消耗4 mol氯气，D项错误。
答案：C
4．(2017·湖南省宁远一中期中)一定质量的甲烷燃烧后的产物为CO、CO2和水蒸气，此混合气体质量为99.2 g，当其缓慢经过无水CaCl2时，CaCl2增重50.4 g。原混合气体中CO的质量为(　　)
A．13.2 g B．22.4 g
C．24.4 g D．26.4 g
解析：CaCl2增加的是水的质量，即m(H2O)＝50.4 g，n(H2O)＝＝2.8 mol，n(H)＝5.6 mol，由氢原子守恒可知n(CH4)＝n(H)＝1.4 mol，则n(C)＝1.4 mol。由题中数据可得解得m(CO)＝22.4 g，m(CO2)＝26.4 g。
答案：B
5．(2018·南昌十中期末)利用甲烷与氯气发生取代反应制取副产品盐酸的设想在工业上已成为现实。某化学兴趣小组拟在实验室中模拟上述过程，其设计的模拟装置如下图所示：

根据要求填空：
(1)写出A装置中反应的化学方程式______________。
(2)B装置有三种功能：将气体混合均匀；干燥混合气体；________。
(3)设V(Cl2)/V(CH4)＝x，若理论上欲获得最多的氯化氢，则x值的取值范围为________。
(4)在C装置中，经过一段时间的强光照射，生成的有机物有________种，其中常温下以气态存在的是________(填化学式)。
(5)E装置中除了有盐酸生成外，还含有有机物，从E中分离出盐酸的最佳方法为_______，该装置的主要缺陷是_____________。
解析：(1)实验室用MnO2和浓盐酸在加热下反应制备Cl2，反应的化学方程式为MnO2＋4HCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2H2O。(2)B装置将气体混合均匀及干燥混合气体外，还有控制气流速度的作用。(3)氯气与甲烷发生取代反应，反应特点是1 mol氯气可取代1 mol H原子生成1 mol HCl，设V(Cl2)/V(CH4)＝x，若理论上欲获得最多的氯化氢，则应保证甲烷被完全取代，x应大于或等于4。(4)CH4与Cl2在光照下反应生成的一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳4种有机物，其中只有一氯甲烷是气体。(5)盐酸和有机物不能互溶，所以可以采用分液的方法分离；反应过程中，Cl2还有剩余，Cl2有毒会污染环境，故该装置的主要缺陷是没有进行尾气处理。
答案：(1) MnO2＋4HCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2H2O 　(2)控制气流速度　(3)大于或等于4　(4)4　CH3Cl　(5)分液　没有进行尾气处理