1、最新人教版必修2高中化学配套习题311甲烷的性质及答案第1课时甲烷的性质目标导航1.了解有机化合物的概念及碳原子的成键特点。2.了解甲烷的来源和主要用途。3.了解甲烷的分子结构，掌握甲烷的性质。4.理解取代反应的概念。一、甲烷的存在、结构及物理性质1存在甲烷是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分。2分子结构甲烷的分子式是CH4；电子式是；结构式是。实验证明，甲烷分子具有正四面体结构，其中四个CH键长度和强度相同，夹角相等。3物理性质颜色状态气味密度(与空气相比)水溶性无色气体无味比空气小极难溶提醒有机化合物必须含有碳元素，但含有碳元素的化合物不一定是有机化合物，如CO、CO2、碳酸及其盐
2、等。议一议(1)CH4是正四面体结构，CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4也都是正四面体结构吗？(2)如果甲烷是平面结构，则CH2Cl2有几种结构？实际上有几种结构？答案(1)CH4是正四面体结构，碳原子处于正四面体的中心，四个氢原子处于正四面体的四个顶点上。根据甲烷是正四面体结构推理，有机物分子中碳原子以4个单键与其他原子或原子团相结合，如，若a、b、c、d相同，则构成正四面体结构，如CCl4；若a、b、c、d不相同，则构成四面体，但不是正四面体，如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3。(2)如果甲烷是平面结构，则CH2Cl2有2种结构，分别是、。实际为空间四面体结构，所以二氯甲烷
3、只有一种结构。二、甲烷的化学性质通常状况下，甲烷比较稳定，与高锰酸钾等强氧化剂不反应，与强酸、强碱也不反应。但在特定的条件下，甲烷也会发生某些反应。1氧化反应(燃烧)(1)化学方程式：CH42O2CO22H2O。(2)现象：甲烷在空气中安静地燃烧，火焰呈淡蓝色。2取代反应(1)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。(2)甲烷与氯气的取代反应实验探究实验操作实验现象A装置：a.试管内气体颜色逐渐变浅；b.试管内壁有油状液滴出现；c.试管中有少量白雾；d.试管内液面上升；e.水槽中有固体析出B装置：无明显现象实验结论CH4与Cl2在光照时才能发生化学反应，有关化学方
4、程式为CH4Cl2CH3ClHCl；CH3ClCl2CH2Cl2HCl；CH2Cl2Cl2CHCl3HCl；CHCl3Cl2CCl4HCl产物性质CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4状态气体均为油状液体水溶性都难溶于水点拨无论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。议一议1判断正误，正确的打“”，错误的打“”(1)在点燃甲烷气体之前必须检验其纯度()(2)甲烷与Cl2的反应是置换反应()答案(1)(2)2(1)甲烷与溴水能发生反应吗？与溴蒸气呢？(2)假设1 mol甲烷中的氢原子完全被取代，最多能与多少氯气反应？答案(
5、1)甲烷除了能与氯气在光照时反应外，与其他的卤素单质的气体也能发生反应，但必须是纯卤素如溴蒸气，与溴水不反应。(2)发生取代反应时1 mol氯气只能取代1 mol氢原子，1 mol 甲烷中的氢原子完全被取代，最多能与4 mol氯气反应。一、有机物组成和结构的表示方法例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。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
6、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)CB(2)21正四面体D归纳总结常见有机物结构的表示方法(以甲烷为例)表示方法含义分子式：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最简式(实验式)：CH4表示物质组成的各元素原子最简整数比的式子电子式：用小黑点等符号代替电子，表示原子最外层电子成键情况的式子结构
7、式：具有化学式所能表示的意义，能反映物质的结构；表示分子中原子的结合或排列顺序的式子，但不表示空间构型球棍模型：小球表示原子，短棍表示价键(单键、双键或三键)比例模型：用不同体积的小球表示不同大小的原子变式训练1下图是CH4、CCl4、CH3Cl的分子球棍模型图，下列说法正确的是()ACH4、CCl4和CH3Cl都是正四面体结构BCH4、CCl4都是正四面体结构CCH4和CCl4中的化学键均为非极性键DCH4、CCl4的结构相同，性质也相同答案B二、甲烷的取代反应例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11，混合发生取代反应只生成CH3ClB甲烷与氯气的取代反应
8、，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氢原子，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规律总结甲烷发生取代反应的有关规律(1)反应条件和反应物反应条件为光照，反应物为卤素单质。例如甲烷与氯水、溴水不反应，但可以与氯气、溴蒸气发生取代反应。(2)反应产物虽然反应物的比例、反应的时
9、间长短等因素会造成各种产物的比例不同，但反应的产物都是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4四种有机物与HCl形成的混合物。(3)物质的量的关系CH4与Cl2发生取代反应时，每1 mol H原子被取代，消耗1 mol Cl2分子，同时生成1 mol的HCl分子。(4)注意有机反应比较复杂，常伴随很多副反应发生，因此有机反应的化学方程式常用“”。CH4与Cl2的反应逐步进行，应分步书写。当n(CH4)n(Cl2)11时，反应并不只发生CH4Cl2CH3ClHCl，其他反应仍发生。特别提醒(1)甲烷的卤代反应的产物是混合物。(2)甲烷等有机物与氯气发生取代反应时，取代的位置和个数是难以控制
10、的，因此制备卤代烃一般不采用取代反应。变式训练2在标准状况下，22.4 L CH4与Cl2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Cl2为()A0.5 mol B2 mol C2.5 mol D4 mol答案C解析方法一守恒法1 mol CH4与Cl2发生取代反应，生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各0.25 mol，这四种取代物中n(Cl)0.25 mol(1234)2.5 mol，根据取代反应特点，n(HCl)2.5 mol，故生成物中所含氯原子共2.5 mol2.5 mol5 mol，参加反应的Cl2为n(Cl2)2.5 mol。方法
11、二根据化学方程式进行计算设四种有机取代物的物质的量均为1 mol，写出取代反应总的化学方程式：4CH410Cl2CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl410HCl，由此可知，4 mol CH4正好与10 mol Cl2反应，当1 mol CH4反应时，消耗Cl2 2.5 mol。1近年来，科学家在海底发现了一种冰状物质可燃冰，其有效成分为甲烷，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答案C2能够证明甲烷分子的空间结构为正四面体的事实是()A甲烷分子中4个CH键的强度相同B甲烷分子中4个CH键的长度相同C甲烷的一氯代物只
12、有1种D甲烷的二氯代物只有1种答案D解析若甲烷为平面正方形结构，则甲烷分子中4个CH键的长度和强度也可以相同，A、B错误；若甲烷为平面正方形结构，则二氯甲烷应有2个氯原子分别在邻位和对位两种结构。而实际上二氯甲烷只有1种结构，所以甲烷不是平面正方形结构，而是正四面体结构，D项正确。3将1 mol CH4和适量的氧气在密闭容器中点燃，充分反应后，甲烷和氧气均无剩余，且产物均为气体(101 kPa，120 )，其总质量为72 g，下列有关叙述不正确的是()A产物的平均摩尔质量为24 gmol1B若将产物通过浓硫酸充分吸收后恢复至(101 kPa，120 )，则压强变为原来的C反应中消耗的氧气为56
13、 gD若将产物通过碱石灰，则可全被吸收，若通过浓硫酸，则不能被完全吸收答案D解析1 mol CH4质量为16 g，而产物总质量为72 g，根据化学式可知，产物中有2 mol H2O ，质量为36 g，则CO与CO2总质量是36 g，设有x mol CO 和(1x)mol CO2 ,28x4444x36，x0.5 ，所以产物中有2 mol H2O 0.5 mol CO、0.5 mol CO2 平均摩尔质量总质量/总物质的量72/(20.50.5)24 gmol1，A正确；根据上述分析，产物中有2 mol H2O、0.5 mol CO、0.5 mol CO2，将产物通过浓硫酸后，水被吸收，剩余气体
14、为CO和CO2 ，物质的量的和为0.50.51 mol，则压强变为原来的，B正确；1 mol CH4质量为16 g，而产物总质量为72 g，根据质量守恒定律，反应中消耗的氧气为56 g，C正确；根据上述分析，产物为CO、CO2 和水，通过碱石灰后，CO不能被吸收，通过浓硫酸后，CO、CO2不能被吸收，D错误。4下列叙述错误的是()A在通常情况下，甲烷跟强酸、强碱、强氧化剂都不反应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D甲烷的四种有机取代物都不溶于水答案B解析甲烷的性质比较稳定，在通常情况下，不与强酸、
15、强碱、强氧化剂反应，但甲烷能在空气中燃烧，A正确，B错误；甲烷在光照条件下与氯气发生取代反应，生成四种有机产物，分别是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4，且均不溶于水，故C、D均正确。5如图是某同学利用日常用品注射器设计的简易实验装置。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，试管放在光亮处一段时间。(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)甲管中发生化学反应的类型为_。(3)反应后，甲管中剩余气体能用下列试剂吸收的是_。A水
16、BNaOH溶液CAgNO3溶液 D饱和食盐水(4)反应后，若将甲中的物质全部推入盛有适量AgNO3溶液的小试管中会观察到_；若再向其中滴入几滴石蕊溶液，又观察到_。答案(1)(2)取代反应(3)B(4)液体分为两层，产生白色沉淀溶液先变红后褪色解析在光照条件下，甲烷与氯气发生反应：CH4Cl2CH3ClHCl，CH3ClCl2CH2Cl2HCl，CH2Cl2Cl2CHCl3HCl，CHCl3Cl2CCl4HCl。(1)理论上，甲烷与氯气体积比为14时，二者恰好完全反应，而甲中甲烷与氯气体积比为15，说明氯气过量，反应后仍有氯气剩余。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
17、，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溶液反应生成AgCl白色沉淀，同时因CH2Cl2、CHCl3、CCl4难溶于水而看到液体分为两层，因Cl2有剩余，若加入几滴石蕊，溶液会先变红后褪色。基础过关题组1有机物及其结构判断1下列关于有机物的说法正确的是()A有机物只能存在于动植物体内，不能通过人工的方法合成B有机物只含有碳、氢两种元素C含碳元素的化合物不一定属于有机物D烃是指燃烧后只生成CO2和H2O的有机
18、物答案C2下列物质分子中，属于正四面体结构的是()ACCl4 BCHCl3 CCH2Cl2 DCH3Cl答案A解析只有CCl4是正四面体，另外三种物质都只是四面体，但不是正四面体。3对的叙述正确的是()A有两种结构 B只有一种结构C含有非极性键 D有四种结构答案B解析甲烷分子的空间结构是正四面体。若氢原子分别被两个氯原子、两个氟原子代替，其结构变为四面体，碳原子位于四面体的中心位置，两个氯原子、两个氟原子不管从哪个方向与碳原子相连，它们都分别处在相邻的位置。故只有一种结构，如图所示。CCl、CF均为极性键。若换成结构式、CClFFCl仍为一种而不是两种。CH2Cl2只有一种结构，可证明CH4是
19、正四面体结构，而不是平面正方形结构。题组2正确理解取代反应4下列物质中，不能和氯气发生取代反应的是()ACH3Cl BCCl4 CCH2Cl2 DCH4答案B5下列反应属于取代反应的是()AC2H43O22CO22H2OBZnCuSO4=ZnSO4CuCNaClAgNO3=AgClNaNO3DCH2Cl2Cl2CHCl3HCl答案D解析取代反应是有机物分子中的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应。A项C2H4的燃烧不是取代反应；B项为置换反应；C项为复分解反应；D项中Cl原子取代了CH2Cl2中的一个H原子，故属于取代反应。题组3甲烷性质及其燃烧计算6在常温和光照条件下，可与甲烷发生
20、反应的是()A氧气 B氯气C酸性高锰酸钾溶液 D浓硫酸答案B解析常温下甲烷性质稳定，与浓硫酸、酸性高锰酸钾溶液不发生反应。在常温和光照条件下，氧气不能与甲烷发生反应，但氯气能与甲烷发生取代反应。7瓦斯爆炸是空气中含甲烷5%15%(体积分数)时遇火所产生的，发生爆炸最剧烈时，甲烷在空气中的体积分数大约为()A10.5% B9.5% C8% D5%答案B解析由CH42O2CO22H2O可知，瓦斯爆炸最剧烈时，CH4和O2的体积比应为12，因此CH4与空气的体积比为1(2)19.5，那么它在空气中的体积分数为100%9.5%。8一定量的甲烷在O2不足的情况下燃烧，得到CO、CO2和H2O的总质量为1
21、4.4 g，若其中水的质量为7.2 g，则CO的质量是()A2.8 g B4.4 gC5.6 g D在2.8 g5.6 g之间答案A解析甲烷燃烧时，当O2少量时生成CO和H2O，当O2足量时生成CO2和H2O；所以在不足量的O2中燃烧生成CO、CO2和H2O。由氢原子守恒知CH4的物质的量为0.2 mol。设CO和CO2的质量分别为x，y。则解得x2.8 g。9验证某有机物属于烃，应完成的实验内容是()A只测定它的碳、氢原子个数比B只要证明它完全燃烧后的产物只有H2O和CO2C只测定其燃烧产物中H2O和CO2的物质的量的比值D测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成H2O和CO2的质量答案D解析烃
22、仅含碳和氢两种元素，完全燃烧的产物为CO2和H2O，但燃烧产物只有CO2和H2O的有机物不一定是烃，它可能含有碳、氢、氧三种元素。能力提升10某研究性学习小组为了验证CH4是否具有还原性，设计了如下实验：(1)学习小组的同学查阅资料得知：用无水醋酸钠与碱石灰混合加热可得到甲烷，反应原理为CH3COONaNaOHCH4X(已配平)，则X的成分是_。(2)实验过程中观察到无水CuSO4逐渐变蓝，澄清石灰水出现浑浊现象，则CH4与CuO反应的化学方程式_。(3)研究小组将CH4通入溴水时，发现溴水逐渐褪色，你认为原因可能是_。请设计一个实验方案证明你的结论(用文字表示，不必画实验装置图)_ _。答案
23、(1)Na2CO3(2)CH44CuOCO24Cu2H2O (3)溴单质与甲烷发生了取代反应或溴单质被甲烷气体带走用pH试纸检验反应前后溶液的pH，如果pH明显变小，则表明二者发生了取代反应；如果pH没有明显变化，则表明溴单质被甲烷气体带走解析(1)由质量守恒原理知X是Na2CO3。(2)五水硫酸铜为蓝色，说明有水生成，澄清石灰水出现浑浊，说明有二氧化碳生成，根据原子守恒，CH4与CuO反应的化学方程式为CH44CuOCO24Cu2H2O。(3)甲烷为饱和烃，通入溴水时，溴水逐渐褪色，则溴单质可能与甲烷发生了取代反应或溴单质被甲烷气体带走。若发生了取代反应，有溴化氢生成，反应后溶液的pH会明显
24、变小；若溴单质被甲烷气体带走，虽溴单质溶于水也会使溶液显酸性， 但pH不会有明显变化。11.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)经过几个小时的反应后，U形管右端的玻璃管中水柱变化是_(填字母序号，下同)。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_。A体积增大 B体积减小C消失 D不变(4)试解释U形管右端的玻璃管中水柱变化的原因：_。答案(1
25、)CH44Cl2CCl44HCl(2)B(3)BC(注意：体积消失是体积减小的极限)(4)反应中气体的物质的量减小，且生成的HCl能够溶解于水中，所以左侧压强减小，故右侧玻璃管中的水柱降低解析CH4与Cl2发生取代反应是一个连续的取代过程，生成4种有机物。当限定只产生1种有机物时，可认为CH4中的氢原子完全被取代。拓展探究12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。某化学兴趣小组通过在实验室中模拟上述过程，其设计的模拟装置如下：根据设计要求回答：(1)B装置有三种功能：控制气流速度；均匀混合气体；_。(2)设V(Cl2)/V(CH4)x，若理论上欲获得最多的氯化氢，则
26、x值应_。(3)D装置的石棉中均匀混有KI粉末，其作用是_。(4)E装置的作用是_(填编号)。A收集气体 B吸收氯气C防止倒吸 D吸收氯化氢(5)在C装置中，经过一段时间的强光照射，发现硬质玻璃管内壁有黑色小颗粒产生，写出置换出黑色小颗粒的化学方程式_。(6)E装置除生成盐酸外，还含有有机物，从E中分离出有机物的最佳方法为_。该装置还有缺陷，原因是没有进行尾气处理，其尾气主要成分为_(填编号)。aCH4bCH3ClcCH2Cl2dCHCl3eCCl4答案(1)干燥混合气体(2)大于或等于4(3)吸收过量的氯气(4)CD(5)CH42Cl2C4HCl(6)分液ab解析(1)B装置的三个作用：控制气流速度从而达到合适的反应比例；均匀混合气体，便于后续实验；干燥混合气体。(2)当反应：CH44Cl2CCl44HCl时生成HCl气体最多，所以要保证x4。(3)KI能吸收多余的Cl2，反应的化学方程式为Cl22KI=2KClI2。(4)E装置既吸收反应生成的HCl气体，同时还防止倒吸。(5)据信息知黑色小颗粒应为碳粉，根据原子守恒应为CH42Cl2C4HCl。(6)分离难溶于水的油状液体可用分液法。
