高中化学-甲烷的性质同步精练精析--新人教版必修2.doc

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：①为平面正方形结构，②为空间正四
面体结构，无论是①还是②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①还是②，若是构型①，则二氯甲烷有两种结构；若是构型②，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.Ⅰ 　　　B.Ⅱ 　　　C.Ⅲ　　　 D.Ⅳ
【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1∶4）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1∶1，则得到的产物为_________ 。A.CH3Cl　　HCl
B.CCl4　　HCl
C.CH3Cl　　CH2Cl2
D.CH3Cl　　CH2Cl2　　CHCl3　　CCl4　　HCl [（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+4Cl2　CCl4+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+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.CH3Cl　　　B.CH2Cl2　　　C.CCl4　　　D.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（　）
①乙醇　　②食盐　　③石墨　　④甲烷　　⑤蔗糖　　⑥水　　⑦一氧化碳　　⑧碳酸钙　　⑨乙酸
A.①②④⑤⑨　　　　　B.①④⑤⑨
C.①③④⑤⑦⑧⑨　　　D.①④⑤⑥
【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（　）
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】选C。甲烷是最简单的烃，难溶于水，因其相对分子质量为16，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：CH4<O2,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）某有机物在氧气中充分燃烧，生成的CO2和H2O的物质的量之比为1∶2，下列说法正确的是（　）
A.分子中C、H、O个数之比为1∶2∶3
B.分子中C、H个数之比为1∶2
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1∶2，推知有机物分子中C、H原子的个数比为1∶4，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 L·mol-1=0.125 mol，该烃的摩尔质量
M=2 g/0.125 mol=16 g·mol-1;1 mol该烃中含氢原子的物质的量为：n（H）=16 g×25%/1 g·mol-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 g·mol-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，
Δn(O)=4.8 g/16 g·mol-1=0.3 mol，
CH4+4CuOCO2+2H2O+4Cu Δn(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 g·mol-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 L·mol-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 mol×22.4 L/mol)/
（0.09 mol×22.4 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
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、C4H2Cl2、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 L　　　B.22.4 L　　　C.33.6 L　　　D.44.8 L
【解析】选A。CH4+2O2　　CO2+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 mol　　　B.2 mol　　　C.2.5 mol　　　D.4 mol
【解析】选C。1 mol 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）①CH4　　②CH4与H2　　③CH4与CO
④H2与CO　　⑤CH4、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/mol·x+18 g/mol·2x=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 mol×3=0.022 5 mol,即504 mL，所以剩余气体的体积为840 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：
①气体最终变为无色；②实验过程中，甲管活塞向内移动； ③甲管内壁有油珠；④产生火花。其中正确的是_____ 。
（2)甲管中发生的化学反应类型为_____ 。
（3）反应后，甲管中剩余气体能用下列试剂吸收的是___。
A.水 　　　　　　　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1∶4时二者恰好完全反应,而该针管里氯气与甲烷体积比为5∶1＞4∶1，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）②③
（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