化學(xué)必修2學(xué)案專題三第一單元第1課時天然氣的利用甲烷

專題三有機化合物的獲得與應(yīng)用第一單元化石燃料與有機化合物你知道“冰”可以燃燒嗎？那就是可燃冰?！翱扇急笔巧畈赜诤５椎暮淄榈谋Ｔ谏詈５母邏旱蜏貤l件下，水分子通過氫鍵緊密締合成三維網(wǎng)狀體，能將海底沉積的古生物遺體所分解的甲烷等氣體分子納入網(wǎng)狀體中形成水合甲烷。這些水合甲烷就像一個個淡灰色的冰球，故稱可燃冰。甲烷有什么性質(zhì)呢？1．認(rèn)識化石燃料與有機物的關(guān)系。2．認(rèn)識化石燃料的綜合利用對于合理利用自然資源、防止污染、保障國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的意義。3．了解甲烷、乙烯、乙炔、苯等物質(zhì)的主要性質(zhì)和用途，認(rèn)識取代反應(yīng)和加成反應(yīng)。4．引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類面臨的與化學(xué)相關(guān)的能源短缺、環(huán)境保護(hù)等社會問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。第1課時天然氣的利用甲烷一、有機化合物1．元素組成：組成有機物的元素除碳外，常有氫、氧，還含有氮、硫、鹵素、磷等。2．烴：僅含碳和氫兩種元素的有機物。二、甲烷的存在、用途及分子結(jié)構(gòu)1．甲烷的存在和用途(1)甲烷是天然氣、沼氣、油田氣和煤礦坑道氣的主要成分。(2)我國的天然氣已探明儲量為1.37萬億立方米，居世界第19位。主要分布在中西部的四川、重慶、甘肅、青海、新疆等地區(qū)及海底。(3)天然氣是一種高效、低耗、污染小的清潔能源。它還是一種重要的化工原料。(4)“西氣東輸”就是將新疆等地的天然氣，通過管道東輸?shù)介L江三角洲，最終到達(dá)上海的一項巨大的工程。2．甲烷的分子結(jié)構(gòu)(1)分子式：CH4。(4)甲烷的分子結(jié)構(gòu)及分子模型：(5)甲烷的結(jié)構(gòu)特點：①CH4是非極性分子；②空間正四面體結(jié)構(gòu)，碳原子位于正四面體的中心，鍵角109°28′；③碳?xì)鋯捂I。三、甲烷的性質(zhì)1．物理性質(zhì)甲烷是一種沒有顏色、沒有氣味的氣體，密度比空氣小，極難溶于水。2．化學(xué)性質(zhì)通常狀況下，甲烷性質(zhì)比較穩(wěn)定，與強酸、強堿、強氧化劑都不反應(yīng)。但在特定的條件下，甲烷也能發(fā)生某些反應(yīng)。(1)氧化反應(yīng)甲烷在空氣中燃燒的化學(xué)方程式為CH4＋2O2eq\o(→,\s\up15(點燃))CO2＋2H2O；現(xiàn)象為安靜地燃燒，火焰呈淡藍(lán)色。(2)取代反應(yīng)①實驗探究：甲烷與Cl2的取代反應(yīng)實驗操作實驗現(xiàn)象A裝置：試管內(nèi)氣體顏色逐漸變淺；試管內(nèi)壁有油狀液滴出現(xiàn)，試管中有少量白霧，且試管內(nèi)液面上升；水槽中有固體析出B裝置：無明顯現(xiàn)象實驗結(jié)論CH4與Cl2需在光照時才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有關(guān)化學(xué)方程式為：CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up15(光))CH3Cl＋HCl，CH3Cl＋Cl2eq\o(→,\s\up15(光))CH2Cl2＋HCl，CH2Cl2＋Cl2eq\o(→,\s\up15(光))CHCl3＋HCl，CHCl3＋Cl2eq\o(→,\s\up15(光))CCl4＋HCl②甲烷的四種氯代產(chǎn)物的性質(zhì)a．水溶性：CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4均難溶于水。b．狀態(tài)：常溫下除CH3Cl是氣體，其余三種均為液體。③取代反應(yīng)概念：有機物分子里的某些原子或原子團(tuán)被其他原子或原子團(tuán)所替代的反應(yīng)。探究點一有機化合物1．有機物的概念有機物是有機化合物的簡稱，是指絕大多數(shù)的含碳化合物。組成有機物的元素除碳外，通常還含有氫、氧、氮、硫、鹵素、磷等。注意：①有機物必含碳，是指化合物。除有機物外，其他化合物都屬于無機物。②含碳化合物并不都是有機物，少數(shù)含碳化合物如CO、CO2、H2CO3、碳酸鹽、金屬碳化物、氰化物等，因它們的組成與性質(zhì)跟無機物相似，故屬于無機物。2．有機物的共性大多數(shù)有機物具有下列性質(zhì)：熔沸點低，易燃，難溶于水，易溶于有機溶劑，不易導(dǎo)電、導(dǎo)熱。3．有機物與無機物的主要區(qū)別有機物無機物類型多數(shù)為共價化合物有離子化合物，也有共價化合物結(jié)構(gòu)多數(shù)分子中只含共價鍵可能含離子鍵，也可能含共價鍵，或者兩者都有續(xù)表溶解性多數(shù)難溶于水，易溶于汽油、酒精、苯等有機溶劑多數(shù)易溶于水而難溶于有機溶劑耐熱性多數(shù)不耐熱，熔點較低(400℃多數(shù)耐熱，熔點較高可燃性多數(shù)能燃燒多數(shù)不能燃燒電離性多數(shù)是非電解質(zhì)多數(shù)是電解質(zhì)化學(xué)反應(yīng)類型一般比較復(fù)雜，副反應(yīng)多，反應(yīng)速率慢，化學(xué)方程式用“→”表示一般比較簡單，副反應(yīng)少，反應(yīng)速率快，化學(xué)方程式用“=”表示注意：無機物和有機物在性質(zhì)及反應(yīng)上的差別是相對的，不同的有機物有其特殊的性質(zhì)，如乙醇、乙酸等能與水以任意比互溶；CCl4等有機物不但不能燃燒，反而可以用來滅火；乙酸及其鹽能在水中電離；有些反應(yīng)如三硝基甲苯的爆炸是瞬間完成的，等等。4．有機化合物的多樣性(1)碳原子最外層有四個電子，可與其他原子形成四個共價鍵，而且碳碳之間也能相互形成共價鍵，不僅可以形成單鍵，還可以形成雙鍵或叁鍵，再結(jié)合其他原子形成分子。(2)多個碳原子可以相互結(jié)合形成長長的碳鏈，也可以形成碳環(huán)，再結(jié)合其他原子形成分子。這也是有機物結(jié)構(gòu)多樣性的一種表現(xiàn)。(3)即使分子式相同的有機物也會因同分異構(gòu)現(xiàn)象而導(dǎo)致種類不同。有機物結(jié)構(gòu)的多樣性是導(dǎo)致有機物種類繁多、數(shù)量巨大的主要原因。以4個碳原子的烴為例：1．含碳元素的化合物一定是有機物嗎？提示：不一定。有機物必含碳元素，但含碳元素的化合物不一定是有機物，如CO、CO2、H2CO3、碳酸鹽、碳酸氫鹽等少數(shù)含碳元素的化合物，它們的組成和性質(zhì)都具有無機物的特點，通常把它們歸為無機物。2．有機物和無機物的區(qū)別是絕對的嗎？提示：無機物與有機物在性質(zhì)及反應(yīng)上的差別是相對的、有條件的。在研究物質(zhì)共性的同時，也應(yīng)看到一些物質(zhì)的特殊性，如多數(shù)有機物具有可燃性，但CCl4不能燃燒，常用于滅火。【例1】下列說法中錯誤的是()A．無機物和有機物在性質(zhì)上的區(qū)別并不是絕對的B．無機物和有機物在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化C．所有的有機物都可以從動植物的有機體中提取D．有機物之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)比較復(fù)雜，而且速度較慢，故許多有機反應(yīng)需要加熱或使用催化劑以促進(jìn)它們的進(jìn)行【解析】有機物可以由無機物獲得，也可以由有機物獲得?！敬鸢浮緾下列列舉的某化合物的組成和性質(zhì)，以此說明該物質(zhì)肯定是有機化合物的是(A)A．僅由碳、氫兩種元素組成B．僅由碳、氫、氧三種元素組成C．在氧氣中燃燒只生成CO2D．熔點低而且難溶于水解析：A是烴，一定是有機物；B僅由碳、氫、氧三種元素組成的化合物絕大多數(shù)是有機物，但有H2CO3等是無機物；C、D不能說明。探究點二甲烷的分子結(jié)構(gòu)1．甲烷分子的結(jié)構(gòu)特點經(jīng)過實驗測定甲烷是一個空間正四面體結(jié)構(gòu)，四個H原子分別位于正四面體的四個頂點上，C原子位于正四面體的中心，4個C—H鍵的長度和強度相同，C—H鍵之間的夾角都是109°28′。(1)若將CH4分子中的4個氫原子全部用其他的相同的原子或原子團(tuán)替代，則形成的分子結(jié)構(gòu)仍為正四面體，如CCl4；(2)若CH4分子中的4個氫原子被其他的不同原子或原子團(tuán)替代，則形成的分子結(jié)構(gòu)仍為四面體，但不屬于正四面體，如CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3。2．有機物分子中緊鄰碳原子的四個原子的空間構(gòu)型有機物分子中，碳原子以四個單鍵與其他原子或原子團(tuán)結(jié)合，則緊鄰該碳原子的四個原子形成的空間結(jié)構(gòu)就是四面體結(jié)構(gòu)，即這四個原子一定不共平面。若這四個原子相同，則緊鄰該碳原子的四個原子構(gòu)成正四面體結(jié)構(gòu)。3．中學(xué)化學(xué)中常見的具有正四面體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)有CH4、CCl4、P4、金剛石、晶體硅、SiO2、NHeq\o\al(＋,4)等。1．根據(jù)甲烷四個碳?xì)滏I的長度及夾角相等，可以證明甲烷是正四面體嗎？提示：假設(shè)甲烷是平面結(jié)構(gòu)，則四個碳?xì)滏I的長度及夾角也相等，所以上述條件不能證明甲烷是正四面體。2．根據(jù)CH3Cl、CHCl3或CCl4只有一種結(jié)構(gòu)，可以證明甲烷是正四面體嗎？提示：假設(shè)甲烷是平面結(jié)構(gòu)，CH3Cl、CHCl3或CCl4也分別只有一種結(jié)構(gòu)，所以上述條件不能證明甲烷是正四面體?！纠?】下列事實中能證明甲烷分子具有以碳原子為中心的正四面體結(jié)構(gòu)的是()A．CH3Cl只代表一種物質(zhì)B．CH2Cl2只代表一種物質(zhì)C．CHCl3只代表一種物質(zhì)D．CCl4只代表一種物質(zhì)【思路分析】平面四邊形結(jié)構(gòu)的分子發(fā)生二元取代時有2種結(jié)構(gòu)；正四面體結(jié)構(gòu)的分子發(fā)生二元取代反應(yīng)時只有1種結(jié)構(gòu)?！窘馕觥緾H4分子中有4個等同的C—H鍵，在空間可能有2種對稱分布——正四面體結(jié)構(gòu)和平面正方形結(jié)構(gòu)(如下圖所示)。對于正四面體的立體結(jié)構(gòu)，4個頂點的位置完全相同，4個氫原子完全相同，所以其一氯代物(CH3Cl)、二氯代物(CH2Cl2)、三氯代物(CHCl3)、四氯代物(CCl4)都只有1種結(jié)構(gòu)。而平面正方形結(jié)構(gòu)中，4個氫原子的位置雖然也相同，但相互間存在相鄰和相間的關(guān)系，所以其一氯代物(CH3Cl)、三氯代物(CHCl3)、四氯代物(CCl4)都只有1種結(jié)構(gòu)，但二氯代物(CH2Cl2)卻有2種結(jié)構(gòu)(如下圖所示)。因此，由CH2Cl2只代表一種物質(zhì)可以判斷甲烷分子為正四面體結(jié)構(gòu)，而不是平面正方形結(jié)構(gòu)。【答案】B下列關(guān)于甲烷分子結(jié)構(gòu)的說法正確的是(C)A．甲烷分子的電子式為，分子中各原子都達(dá)到8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)B．甲烷分子中的化學(xué)鍵全部為非極性鍵C．CH4分子比SiH4分子穩(wěn)定，說明碳元素的非金屬性比硅元素的非金屬性強D．CH3Cl的四個價鍵的鍵長和強度相同，夾角相等探究點三甲烷的取代反應(yīng)1．甲烷與鹵素單質(zhì)的取代反應(yīng)反應(yīng)條件光照(強光照射會發(fā)生爆炸)反應(yīng)物氣態(tài)鹵素單質(zhì)和甲烷生成物鹵化氫和各種鹵代甲烷的混合物，其中鹵化氫的量最多反應(yīng)特點①鹵素單質(zhì)不同，反應(yīng)速率不同②逐步取代，各步反應(yīng)同時進(jìn)行③取代1molH原子，消耗1molX2，生成1molHX2.反應(yīng)產(chǎn)物的性質(zhì)比較化學(xué)式CH3ClCH2Cl2CHCl3CCl4名稱(俗稱)一氯甲烷二氯甲烷三氯甲烷(氯仿)四氯甲烷(四氯化碳)溶解性不溶于水，溶于有機溶劑不溶于水，溶于有機溶劑不溶于水，是重要的有機溶劑不溶于水，是重要的有機溶劑常溫狀態(tài)氣態(tài)液態(tài)液態(tài)液態(tài)用途－－有機溶劑有機溶劑3.取代反應(yīng)和置換反應(yīng)的比較取代反應(yīng)置換反應(yīng)CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up15(光))CH3Cl＋HClZn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑定義有機物分子里的原子或原子團(tuán)被其他原子或原子團(tuán)所代替的反應(yīng)一種單質(zhì)跟一種化合物反應(yīng)，生成另一種單質(zhì)和另一種化合物的反應(yīng)反應(yīng)物一種化合物和另一種化合物或單質(zhì)一種化合物和一種單質(zhì)生成物一般為兩種新化合物另一種化合物和另一種單質(zhì)反應(yīng)中電子得失不一定發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，因此不一定是氧化還原反應(yīng)一定發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，一定是氧化還原反應(yīng)反應(yīng)是否可逆有很多是可逆反應(yīng)一般是不可逆反應(yīng)1．甲烷與溴水能發(fā)生反應(yīng)嗎？與溴蒸氣呢？提示：甲烷除了能與氯氣在光照時反應(yīng)外，與其他的鹵素單質(zhì)的氣體也能發(fā)生反應(yīng)，但必須是純鹵素如溴蒸氣，與溴水不反應(yīng)。2．假設(shè)1mol甲烷中的氫原子完全被取代，最多能與多少氯氣反應(yīng)？提示：發(fā)生取代反應(yīng)時1mol氯氣只能取代1mol氫原子，1mol甲烷中的氫原子完全被取代，最多能與4mol氯氣反應(yīng)?！纠?】如圖所示，U形管的左端用橡膠塞封閉，充有甲烷和氯氣(體積比為14)的混合氣體，假定氯氣在水中的溶解可以忽略不計。將封閉有甲烷和氯氣混合氣體的裝置放置在有漫射光的地方，讓混合氣體緩慢反應(yīng)一段時間。(1)假設(shè)甲烷與氯氣反應(yīng)充分，且只生成一種有機物，寫出發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式_______________。(2)經(jīng)過幾個小時的反應(yīng)，U形管右端的水面變化是________。A．升高 B．降低C．不變 D．無法確定(3)試分析U形管右端水面變化的原因?！舅悸贩治觥拷獯鸫祟}要注意兩點：(1)甲烷與氯氣發(fā)生取代反應(yīng)的條件及反應(yīng)原理；(2)反應(yīng)產(chǎn)物的組成及物理性質(zhì)?！窘馕觥考淄榕c氯氣在光照條件下可發(fā)生的反應(yīng)：①CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up15(光))CH3Cl＋HCl、②CH3Cl＋Cl2eq\o(→,\s\up15(光))CH2Cl2＋HCl、③CH2Cl2＋Cl2eq\o(→,\s\up15(光))CHCl3＋HCl、④CHCl3＋Cl2eq\o(→,\s\up15(光))CCl4＋HCl，反應(yīng)生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4均是油狀液體，反應(yīng)后氣體的物質(zhì)的量減少，且生成的HCl易溶于水，故U形管左端壓強減小，U形管右端的水面降低?！敬鸢浮?1)CH4＋4Cl2eq\o(→,\s\up15(光))CCl4＋4HCl(2)B(3)見解析某課外活動小組利用如圖所示裝置探究甲烷與氯氣的反應(yīng)。根據(jù)題意，回答下列問題：(1)CH4與Cl2發(fā)生反應(yīng)的條件是光照(或光亮處)。(2)實驗中可觀察的實驗現(xiàn)象有：量筒內(nèi)壁出現(xiàn)油狀液滴，飽和食鹽水有少量固體析出，量筒內(nèi)黃綠色氣體顏色變淺、量筒內(nèi)液面上升等。(3)用飽和食鹽水而不用水的原因是降低Cl2在水中溶解度，抑制Cl2和水的反應(yīng)。(4)實驗中生成的油狀液滴中的氯仿可作局部麻醉劑，常因保存不慎而被空氣氧化，產(chǎn)生劇毒氣體——光氣，反應(yīng)的化學(xué)方程式為2CHCl3＋O2→2COCl2＋2HCl，上述反應(yīng)B(填選項符號)。A．屬于取代反應(yīng) B．不屬于取代反應(yīng)解析：CH4和Cl2光照反應(yīng)生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4、HCl等物質(zhì)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Cl2不斷被消耗，黃綠色逐漸消失。又由于生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4常溫下是無色液體，且Cl2易溶于有機溶劑，故量筒內(nèi)壁上有油滴。因生成的HCl易溶于水，量筒內(nèi)的壓強減小，量筒內(nèi)液面上升。HCl溶于水后，溶液中Cl－濃度增大，使NaCl固體析出。1．(多選)有機物分子里的某些原子(或原子團(tuán))被其他的原子(或原子團(tuán))代替的反應(yīng)叫做取代反應(yīng)，下列化學(xué)反應(yīng)中不屬于取代反應(yīng)的是(CD)A．CH2Cl2＋Br2→CHBrCl2＋HBrB．CH3OH＋HCl→CH3Cl＋H2OC．(NH4)2SO4＋BaCl2=BaSO4↓＋2NH4ClD．H—CH2—CH2—OHeq\o(→,\s\up15(濃H2SO4),\s\do15(170℃))CH2=CH2↑＋H2O解析：C的反應(yīng)不是有機物的反應(yīng)，故不是取代反應(yīng)；在D的反應(yīng)中，H—CH2—CH2—OH沒有原子或原子團(tuán)被代替，故不是取代反應(yīng)。2．光照對下列反應(yīng)幾乎無影響的是(C)A．氫氣與氯氣 B．甲烷與氯氣C．甲烷與氧氣 D．次氯酸分解3．下列敘述錯誤的是(B)A．通常情況下，甲烷跟強酸、強堿、強氧化劑不起反應(yīng)B．甲烷化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，不能被任何氧化劑氧化C．甲烷跟氯氣反應(yīng)無論生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3還是CCl4，都屬于取代反應(yīng)D．甲烷的四種鹵代物都難溶于水解析：CH4的性質(zhì)比較穩(wěn)定，通常情況下，不與強酸、強堿、強氧化劑反應(yīng)，而不是不能被任何氧化劑氧化，A正確，B錯誤；CH4在光照條件下與Cl2發(fā)生取代反應(yīng)，生成4種有機產(chǎn)物，它們是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4，且均難溶于水，故C、D均正確。4．鑒別甲烷、一氧化碳和氫氣3種無色氣體的方法是將它們(C)A．先后通入溴水和澄清石灰水B．點燃后罩上涂有澄清石灰水的燒杯C．點燃，先后罩上干燥的冷燒杯和涂有澄清石灰水的燒杯D．點燃后罩上涂有澄清石灰水的燒杯，通入溴水解析：CH4、CO和H2與溴水、澄清石灰水都不反應(yīng)。CH4和CO燃燒都生成CO2。干燥的燒杯可檢驗燃燒產(chǎn)物中是否有水生成，涂澄清石灰水的燒杯可檢驗燃燒產(chǎn)物是否有CO2生成。5．把純凈的甲烷和氯氣混合，用玻璃片蓋住瓶口，放在光亮的地方，片刻后移動玻璃片，留一條縫，此時觀察到的現(xiàn)象有：①發(fā)生爆炸；②瓶口有白霧；③瓶內(nèi)氣體顏色變淺；④瓶內(nèi)有油狀物。其中正確的是(B)A．①②③ B．②③④C．①③④ D．①②④解析：CH4和Cl2在光照條件下生成CH3Cl(氣體)、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，Cl2不斷被消耗，黃綠色逐漸消失，又由于生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4常溫下均為無色液體，故試管壁上有油狀液滴生成，所生成的HCl遇空氣中的水分形成白霧，故②③④正確；因為不是強光照射，混合物不會發(fā)生爆炸，故①不正確。6．若甲烷與氯氣以物質(zhì)的量之比為13的比例混合，在光照下得到的產(chǎn)物是(D)①CH3Cl②CH2Cl2③CHCl3④CCl4⑤HClA．①②的混合物 B．①②⑤的混合物C．①②③的混合物 D．①②③④⑤的混合物解析：甲烷和氯氣的取代反應(yīng)是連鎖反應(yīng)。反應(yīng)進(jìn)行到哪一步不是由反應(yīng)物甲烷和氯氣的物質(zhì)的量之比來決定的，即使甲烷和氯氣的物質(zhì)的量之比是11，也不會僅發(fā)生CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up15(光))CH3Cl＋HCl這樣一種取代反應(yīng)。因為一旦生成CH3Cl后，CH3Cl分子中的氫原子又可繼續(xù)被氯原子取代，直至分子中氫原子都被取代完，因此產(chǎn)物是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4、HCl的混合物。7．三個裝有CH4和Cl2混合氣體的集氣瓶，用玻璃片蓋好瓶口后，分別作如下處理，各有怎樣的現(xiàn)象發(fā)生。(1)①置于黑暗中：無明顯現(xiàn)象；②將點燃的鎂條靠近集氣瓶外壁：爆炸；③放在有光線的房子里：