1、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 甲烷的性质学习目标 1.了解有机化合物的概念。2.掌握甲烷的分子结构，了解甲烷的物理性质及存在、用途。3.掌握甲烷的化学性质，认识取代反应的特点。知识衔接1金刚石、二氧化碳、甲烷、碳酸钙四种物质中，哪些属于有机物，哪些属于无机物？提示：甲烷属于有机物；金刚石、二氧化碳、碳酸钙属于无机物。2天然气是一种化石能源，其主要成分的化学式为CH4，其燃烧的化学方程式为CH42O2 点燃 CO22H2O。3碳原子的原子结构示意图为：；碳与其他元素原子之间一般形成共价键，原因是碳形成稳定结构的简单离子，需同时得到或失去4个电子，较困难；甲烷的电
2、子式为。4置换反应是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。自主学习一、有机化合物和烃二、甲烷1存在和用途。(1)存在：是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分。(2)用途：是一种高效、低耗、污染小的清洁能源，还是一种重要的化工原料。2分子结构。分子式 电子式结构式空间构型甲烷的分子模型CH4正四面体结构，C 原子位于正四面体中心，H 原子位于四个顶点归纳总结1结构式：用一条短线来表示一对共用电子的图式叫做结构式。2一个碳原子以 4 个单键与其他原子相结合时：(1)如果这 4 个原子相同，则分别在四面体的顶点上，构成正四面体。(2)如果这 4 个原子不相同，则分别在四面
3、体的顶点上，但不是正四面体。(3)无论这 4 个原子是否相同，都不可能在同一平面上，并且最多有 3 个原子共面。3物理性质。颜色状态气味密度水溶性无色气体无味比空气小难溶于水4.化学性质。通常状况下，甲烷性质比较稳定，与强酸、强碱、强氧化剂都不反应，如甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，但在特定的条件下，甲烷也能发生某些反应。(1)氧化反应。将甲烷在空气中点燃观察现象：甲烷燃烧的化学方程式为 CH42O2点燃 CO2H2O。甲烷是优良的气体燃料，通常状况下，1 mol 甲烷在空气中完全燃烧，生成二氧化碳和水，放出 890 kJ 热量。因此以甲烷为主要成分的天然气、沼气是理想的清洁能源。(2)取代反
4、应。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；试管内壁有油状液体出现，试管中有少量白雾，且试管内液面上升，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：CH4Cl2光照 CH3ClHClCH3ClCl2光照 CH2Cl2HClCH2Cl2Cl2光照 CHCl3HClCHCl3Cl2光照 CCl4HCl甲烷的四种氯代产物的性质。a水溶性：CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4 均难溶于水。b状态：常温下除 CH3Cl 是气体外，其余三种均为液体。取代反应：有机物分子里的某些原子或原子团被
5、其他原子或原子团所替代的反应。易错提醒1有机物中一定含有碳元素，但不要误认为含有碳元素的化合物一定是有机物，如 CO2、Na2CO3 等属于无机物。2有机反应较复杂，常伴有副反应发生，因此有机方程式常用“”代替“=”，切勿思维定式。3CH4、CCl4 分子为正四面体结构，CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3 分子是四面体结构，但不是正四面体结构。4甲烷与氯气一旦发生取代反应就不会停止在哪一步，一般四种有机产物都会产生。过程中，每取代 1 mol氢原子，将消耗 1 mol Cl2。自我检测1判断正误(正确的打“”，错误的打“”)。(1)含有碳元素的化合物一定属于有机化合物。()(2)有机物一定含
6、有碳和氢两种元素。()(3)能用甲烷与氯气制备纯净的 CH3Cl。()(4)甲烷与氯气发生取代反应的产物中 HCl 最多。()(5)CH4、CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4 分子都是正四面体结构。()解析：(1)有机物中一定含有碳元素，但含有碳元素的化合物不一定是有机物，如 CO2、CO、H2CO3、Na2CO3等属于无机物。(2)绝大多数有机物含有碳和氢两种元素，但 CCl4 等有机物不含氢元素。(3)不能。甲烷与氯气一旦发生取代反应就不会停止在哪一步，四种有机产物都会产生。(5)CH4、CCl4 分子中碳原子连接四个相同的原子，是正四面体结构，而其他分子是四面体结构。答案：(
7、1)(2)(3)(4)(5)2下列气体中的主要成分不是甲烷的是()A坑道气 B沼气 C天然气 D煤气答案：D3下列关于有机化合物的说法正确的是()A能够燃烧的化合物是有机化合物B含有碳元素的化合物都是有机化合物C易溶于汽油等有机溶剂的物质一定是有机化合物D只含有碳、氢两种元素的有机化合物属于烃类答案：D4下列有关甲烷的叙述不正确的是()A甲烷燃烧火焰呈淡蓝色B甲烷的密度比空气的小C甲烷极难溶于水D甲烷性质稳定，不与任何其他物质反应解析：甲烷的性质稳定，但在特定条件下也可以与其他物质(如 O2、Cl2)反应。答案：D要点一 有机物的组成和结构的表示方法问题 1：有机物的组成和结构有哪些表示方法？
8、请以甲烷为例说明一下。答案：表示方法实例(CH4)含义及主要应用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问题 2：CH3Cl、CCl4 只有一种结构，能说明 CH4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吗？答案：不能，因为若 CH4 分子为正方形结构，位于 4个顶点的 H，将其中 1 个 H 或 4 个 H 换成 Cl，也均只有1 种结构。例 1 下列各图均能表示甲烷的分子
9、结构，按要求回答下列问题。(1)填写下列空白(填序号)：甲烷的球棍模型是_，甲烷的电子式为_。(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，上面_更能反映其真实存在状况。解析：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，但比例模型更能形象地表示出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。答案：(1)C B(2)2 1 正四面体 D解题归纳1若将 CH4 分子中的 4 个氢原子全部用其他相同的原子替代，则该原子形
10、成的分子结构仍为正四面体，如CCl4。2若将 CH4 分子中的 4 个氢原子被其他不同的原子替代，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。1下列关于甲烷的说法错误的是()A甲烷分子具有正四面体结构B甲烷分子的球棍模型：C甲烷分子中具有极性键D甲烷分子中四个 CH 键是完全等价的键解析：A 项，甲烷是正四面体结构，正确；B 项，图为甲烷的比例模型，错误；C 项，甲烷中碳和氢之间存在极性键，正确；D 项，甲烷中四个碳氢键都相同，正确。答案：B要点二 甲烷发生取代反应的有关规律问题 1：甲烷发生取代反应有哪些规律？试从反应条件、反应物、生成物以及
11、物质的量关系上加以说明。答案：反应条件光照反应物甲烷与卤素单质，且卤素单质通常为气态。例如甲烷与氯水、溴水不反应，但可以与氯气发生取代反应生成物与Cl2反应产物是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4四种有机物与氯化氢形成的混合物，很难出现有机产物全部是某一种产物的现象，生成物中HCl的物质的量最大物质的量关系每1 mol H原子被取代，消耗1 mol Cl2分子，同时生成1 mol HCl分子问题 2：取代反应与置换反应有何不同？答案：取代反应与置换反应的比较。取代反应置换反应适用于有机反应适用于无机反应反应物、生成物中不一定有单质反应物、生成物中一定有单质逐步取代，很多反应是可逆的
12、反应一般单向进行反应能否进行受催化剂、温度、光照等外界条件影响较大在水溶液中进行的置换反应遵循金属或非金属的活动性顺序例 2 如图所示，U 形管的左端被水和胶塞封闭，充有甲烷和氯气(体积比为 14)的混合气体，假定氯气在水中的溶解可以忽略不计。将封闭有甲烷和氯气的混合气体的装置放置在光亮的地方，让混合气体缓慢反应一段时间。(1)假设甲烷与氯气充分反应，且只生成一种有机物，请写出该反应的化学方程式_。(2)经过几个小时的反应后，U形管右端的水面变化是_(填序号)。A升高 B降低 C不变 D无法确定(3)U形管左端的气柱变化是_(填序号)。A体积增大B体积减小C消失D不变(4)U形管右端的水面变化
13、的原因是_。解析：甲烷与氯气可能发生的反应有CH4Cl2 光照 CH3ClHCl，CH3ClCl2 光照 CH2Cl2HCl，CH2Cl2Cl2 光照CHCl3HCl，CHCl3Cl2 光照 CCl4HCl。由反应方程式可知，反应生成的CCl4等是液体，反应后气体的物质的量减少，且生成的HCl易溶于水，所以左端压强减小直至为零，气柱消失，右端的水面降低。答案：(1)CH44Cl2光照CCl44HCl(2)B(3)BC(4)反应生成的CCl4等是液体，反应后气体的物质的量减少，且生成的HCl易溶于水，所以左端压强减小直至为零，气柱消失，右端的水面降低解题归纳取代反应中要注意的6个问题1反应物：卤
14、素单质(纯卤素)和甲烷，不能是卤素单质的水溶液。2生成物：卤化氢和卤代甲烷(四种)的混合物，其中卤化氢的量最多。3反应条件：光照(室温下在暗处不发生反应)。4反应特点：用“”而不用“=”，仍遵守质量守恒定律，需要配平。5甲烷的取代反应是一种连锁反应，即第一步反应一旦开始，后续反应立即进行。61 mol有机物CxHy与Cl2发生完全取代反应时，消耗Cl2的最大物质的量为y mol，而不是y2 mol。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11，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D1 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哪一步，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最多消耗4 mol氯气，D错误。答案：C
