1、3.1.1 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：为平面正方形结构，为空间正四 面体结构，无论是还是的空间构型，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还是，若是构型，则二氯甲烷有两种结构；若是构型，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
2、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. B. C. D. 【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14）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
3、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11，则得到的产物为_ 。A.CH3ClHCl B.CCl4HCl C.CH3ClCH2Cl2 D.CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4HCl （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
4、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+4Cl2CCl4+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
5、+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.CH3ClB.CH2Cl2C.CCl4D.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（） 乙醇食盐石墨甲烷蔗糖水一氧化碳碳酸钙乙酸 A.B. C.D. 【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
6、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
7、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（） 甲烷属于烃类 在相同条件下甲烷的密度大于空气 甲烷难溶于水 可燃冰是一种极具潜力的能源 A.B.C.D. 【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1
8、6，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：CH4O2,故同温同压下同质量的CH4比O2的体积大，D错误。 7.（2010温州高一检测）某有机物在氧气
9、中充分燃烧，生成的CO2和H2O的物质的量之比为12，下列说法正确的是（） A.分子中C、H、O个数之比为123 B.分子中C、H个数之比为12 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12，推知有机物分子中C、H原子的个数比为14，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
10、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
11、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 Lmol-1=0.125 mol，该烃的摩尔质量 M=2 g/0.125 mol=16 gmol-1;1 mol该烃中含氢原子的物质的量为：n（H）=16 g25%/1 gmol-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 gmol-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
12、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， n(O)=4.8 g/16 gmol-1=0.3 mol， CH4+4CuOCO2+2H2O+
13、4Cu n(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 gmol-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： n(CO2,N2,CH4)=2.016 L/22.4 Lmol-1=0.09 mol, 其中氮气的物质的量：n(N2)=0.09 mol-0.01 mol -0.075 mol=0.005 mol, 原气体中氮气的体积分数：（0.005 mo
14、l22.4 L/mol)/ （0.09 mol22.4 L/mol)100%=5.56%。答案:（1）0.075 mol (2)5.56%(计算过程见解析） 【素能综合检测】一、选择题（本题包括5小题，每小题4分，共20分） 1.下列气体中不含甲烷的是（） A.天然气B.水煤气C.油田气D.沼气 【解析】选B。甲烷是天然气、油田气和沼气的主要成分，而水煤气的主要成分是CO和H2。 2.下列叙述错误的是（） A.通常情况下，甲烷跟强酸、强碱、强氧化剂不起反应 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
15、 D.甲烷的四种取代物都难溶于水【解析】选B。CH4的性质比较稳定，通常情况下，不与强酸、强碱、强氧化剂反应，而不是不能被任何氧化剂氧化，A正确，B错误；CH4在光照条件下与Cl2发生取代反应，生成4种有机产物，它们是CH3Cl、CH2Cl、CHCl3和CCl4，且均难溶于水，故C、D均正确。 3.（2010宣城同步检测）已知一种 有机物的分子式为C4H4，分子结构如 图所示，若将该有机物与适量的氯气 混合光照，则生成的卤代烃的种类共 有（） A.2种B.4种C.5种D.6种 【解析】选B。据C4H4分子结构可知分子中4个碳原子形成正四面体结构，所以分子完全对称，因此C4H3Cl、C4H2Cl
16、2、C4HCl3、C4Cl4分子均只有一种结构，故生成的卤代烃一共有4种。 4.将标准状况下的11.2 L甲烷和22.4 L氧气混合点燃，恢复到原状况后，气体的体积为（） A.11.2 LB.22.4 LC.33.6 LD.44.8 L 【解析】选A。CH4+2O2CO2+2H2O，因此11.2 L甲烷与22.4 L氧气恰好完全反应生成11.2 L的CO2气体，故选A。 点燃 5.在标准状况下，22.4 L CH4与氯气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，则消耗的氯气为（） A.0.5 molB.2 molC.2.5 molD.4 mol 【解析】选C。1 m
17、ol CH4与氯气发生取代反应，生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各0.25 mol，该四种取代物中n（Cl）=0.25 mol(1+2+3+4)=2.5 mol,根据取代反应特点，1/2的氯原子进入氯化氢，所以n(HCl)=2.5 mol，故生成物中所含氯原子共2.5 mol+2.5 mol=5 mol,参加反应的氯气为n(Cl2)=2.5 mol。 二、非选择题（本题包括3小题，共30分） 6.（7分）如图,某气体X可能由H2、CO、CH4中的一种或几种组成。将X气体燃烧，把燃烧后生成的气体通过A、B两个洗气瓶。试回答下列问题： (1)若A洗气瓶的质量增加，B洗气瓶的质量不
18、变，则气体X是_。 (2)若A洗气瓶的质量不变，B洗气瓶的质量增加，则气体X是_。 (3)若A，B两个洗气瓶的质量都增加，试推测X可能有几种组合，填写下表。（有多少种写多少种，不必填满） 【解析】H2、CO、CH4燃烧的产物分别是H2O（g）、 CO2（g）、CO2（g）和H2O（g）。H2O(g)可被浓H2SO4吸收，CO2可被澄清石灰水吸收。根据洗气瓶质量的变化，可判定生成的产物答案：（1）H2（2）CO （3）CH4CH4与H2CH4与CO H2与COCH4、H2和CO 7.（9分）（2010三明高一检测）CH4和O2（过量）混合气体840 mL（标准状况下），经电火花点燃充分反应，将反
19、应后的气体（120 )通过足量碱石灰（充分吸收CO2和H2O），碱石灰增重0.60 g。 （1）原混合气体中CH4的物质的量为_。 （2）通过足量碱石灰后剩余气体的体积为_ （标准状况下）。 （3）打火机中的燃料是丁烷（C4H10），写出丁烷完全燃烧的化学方程式： _ 。 【解析】设原混合气体中CH4的物质的量为x，则有 CH4+2O2CO2+2H2O X 2x x 2x 所以44 g/molx+18 g/mol2x=0.60 g 解得x=0.007 5 mol,因此原混合气体中CH4与O2的总物质的量为0.007 5 mol3=0.022 5 mol,即504 mL，所以剩余气体的体积为84
20、0 mL-504 mL=336 mL。丁烷分子式为C4H10，完全燃烧产物为CO2和H2O，据原子守恒配平即得化学方程式。 答案:（1）0.007 5 mol (2)336 mL (3)2C4H10+13O28CO2+10H2O 实验探究 8.（14分）如图是某同学利用日常用品注射器设计简易实验装置。甲管中注入10 mL CH4,同温同压下乙管中注入 50 mL Cl2，将乙管气体推入甲管中，气体在甲管中反应，针管用日光照射一段时间。 （1）下列是某同学预测的实验现象： 气体最终变为无色；实验过程中，甲管活塞向内移动； 甲管内壁有油珠；产生火花。其中正确的是_ 。 （2)甲管中发生的化学反应类
21、型为_ 。 （3）反应后，甲管中剩余气体能用下列试剂吸收的是_。 A.水 B.氢氧化钠溶液 C.硝酸银溶液 D.饱和食盐水 （4）反应后，若将甲管中的物质推入盛有适量AgNO3溶液的小试管中会观察到_ ，若再向其中滴入几滴石蕊试液，又观察到_ 。 【解析】在光照下，甲烷与氯气发生连锁反应： CH4+Cl2CH3Cl+HCl，CH3Cl+Cl2CH2Cl2+HCl， CH2Cl2+Cl2CHCl3+HCl，CHCl3+Cl2CCl4+HCl。 （1）理论上，甲烷与氯气体积比为14时二者恰好完全反应,而该针管里氯气与甲烷体积比为5141，说明氯气过量，最终气体中仍有氯气。该反应进行缓慢，不会产生火花。产物中只有氯化氢和一氯甲烷为气体，所以气体的总物质的量减小，内部压强减小，甲管活塞向内移动。（2）甲烷分子中的四个氢原子可被氯原子逐一取代，故甲管中发生的是取代反应。（3）剩余气体中含有氯气和氯化氢，可用氢氧化钠溶液吸收剩余气体。 （4）生成的HCl会与AgNO3反应生成AgCl白色沉淀，同时因CH2Cl2、CHCl3、CCl4难溶于水而看到液体分为两层，若加入几滴石蕊，溶液会变红。 答案：（1） （2）取代反应 （3）B （4）液体分为两层，产生白色沉淀溶液变红色
