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第一单元　化石燃料与有机化合物
第1课时　天然气的利用　甲烷
[核心素养发展目标]　1.认识甲烷的组成和结构特点。会书写甲烷的分子式、结构式及电子式，形成“结构决定性质”的观念，培养宏观辨识与微观探析的能力。2.知道甲烷能发生氧化反应和取代反应，掌握取代反应的概念，能通过分析、推理等方法，判断有机物的取代反应，培养证据推理的能力。
一、甲烷的组成与结构
1．甲烷
甲烷是一种____色、____味、____溶于水的气体，熔、沸点____、密度比空气____。甲烷是________的主要成分，________的水合物外形似冰，被称为“可燃冰”。
2．甲烷的组成与结构
(1)组成与结构
分子式 电子式 结构式 球棍模型
(2)结构特点
碳原子位于中心，与4个氢原子形成完全相同的4个C—H共价键，相邻C—H共价键的夹角为109°28′，具有________空间结构。
(1)甲烷分子中碳原子最外层有4个电子，可以形成4个共价键(　　)
(2)已知甲烷为正四面体结构，可推知CCl4也为正四面体结构(　　)
(3)天然气就是纯净的甲烷气体(　　)
(4)16 g CH4分子中含有2NA个C—H键(　　)
(5)甲烷和四氯化碳的分子中各原子均达到8电子稳定结构(　　)
已知标准状况下，甲烷的密度是0.717 g·L－1。
(1)甲烷的相对分子质量是多少？
(2)甲烷中含碳元素的质量分数为75%，含氢元素的质量分数为25%，求甲烷的分子式。
1．下列叙述与甲烷无关的是(　　)
A．天然气、沼气、可燃冰的主要成分
B．“西气东输”工程中运输的气体的主要成分
C．造成“光化学烟雾”的气体
D．煤矿中瓦斯爆炸
2．如图所示均能表示甲烷的分子结构，下列说法错误的是(　　)
A．Ⅰ将各原子看成了质点，为空间结构示意图
B．Ⅱ为电子式，表示甲烷分子中有8个电子
C．Ⅲ为球棍模型，棍代表甲烷分子内含有的共价键
D．Ⅳ为空间填充模型，能表示出甲烷的空间结构及各原子的相对大小
一个碳原子与其他4个原子以4个单键相结合时：
(1)如果这4个原子相同，分别在四面体的顶点上，则构成正四面体；
(2)如果这4个原子不相同，则分别在四面体的顶点上，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。
二、甲烷的化学性质
1．稳定性
CH4性质稳定，不与________、________、________等物质反应。
2．氧化反应
点燃甲烷气体，观察燃烧现象，并检验燃烧产物。
(1)猜想：根据甲烷(CH4)的组成，其燃烧后可能会生成______和______。
(2)实验验证
燃烧现象 检验产物
方法 现象 结论
在火焰上方罩一个干燥的烧杯 烧杯内壁有水珠产生
在火焰上方罩一个涂有澄清石灰水的烧杯 烧杯内壁变浑浊
(3)实验结论
经测定，1 mol CH4完全燃烧生成________和__________，放出890 kJ的热，热化学方程式为________________________________________________________________________，
因此，甲烷是一种高效而洁净的燃料。
3．取代反应
(1)实验探究
实验装置与操作 用排饱和食盐水法收集体积的氯气和体积的甲烷气体，用灯光照射瓶中的混合气体
实验现象 集气瓶内黄绿色气体颜色逐渐变浅，集气瓶内壁有 出现，瓶中有少量白雾，且瓶内液面 ，水槽中有固体析出
实验结论 CH4与Cl2需在 条件下发生化学反应，有关化学方程式为 CH4＋Cl2 ； CH3Cl＋Cl2 ； CH2Cl2＋Cl2 ； CHCl3＋Cl2
特别提醒　
①水溶性：CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4均不溶于水。
②状态：常温下除CH3Cl是气体，其余三种均为油状液体。
(2)取代反应
①概念：有机化合物分子中的某种原子(或原子团)被另一种_________所取代的反应。
②特点：
a．反应条件，在光照条件下，甲烷与气态纯卤素单质发生取代反应。
b．连续反应，甲烷分子中的氢原子被氯原子逐步取代，反应一旦开始，后续反应立即进行，且各步反应可同时进行。
③因为有机化学反应的副产物较多，所以写化学方程式时用“→”连接反应物和目标产物。
(1)甲烷性质稳定，与任何氧化剂都不反应(　　)
(2)CH4和Cl2按体积比1∶1混合，发生取代反应生成的产物只有两种(　　)
(3)CH4和Cl2发生取代反应时，每生成1 mol HCl，则有1 mol Cl2参加反应(　　)
(4)CH4分子为正四面体结构，因此其生成物CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4都为正四面体结构(　　)
(5)取代反应和置换反应都是物质中某些原子或原子团被其他原子或原子团代替，因此本质相同(　　)
1．若甲烷分子中的一个氢原子被氯原子取代，生成的CH3Cl还是四面体结构吗？
2．甲烷中每有1 mol氢原子被取代，消耗Cl2的物质的量是多少？
1．下列物质在一定条件下能与甲烷发生取代反应的是(　　)
A．氯气 B．酸性高锰酸钾溶液
C．氢氧化钠溶液 D．溴水
2．在光照条件下，将1 mol CH4与Cl2反应，得到四种有机产物CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4的物质的量之比为1∶2∶3∶4，则消耗Cl2的物质的量为(　　)
A．0.5 mol B．1.25 mol
C．2.5 mol D．3 mol
甲烷的取代反应
1．甲烷是天然气的主要成分，是一种高效、低耗、污染小的清洁能源。下列有关甲烷的说法正确的是(　　)
①甲烷是一种正四面体结构的分子
②甲烷分子中所有原子均满足最外层8电子结构
③0.5 mol CH4完全燃烧时消耗1 mol O2
④1 mol CH4完全生成CCl4，最多消耗2 mol Cl2
A．①② B．③④
C．①③ D．②④
2．(2022·成都龙泉驿区教育科学研究院高一期中)若甲烷与氯气的体积之比为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．将标准状况下的11.2 L甲烷和22.4 L氧气混合点燃，恢复到原状态后，气体的体积为(　　)
A．11.2 L B．22.4 L
C．33.6 L D．44.8 L
4．(2018·全国卷Ⅱ，9)实验室中用如图所示的装置进行甲烷与氯气在光照下反应的实验。
光照下反应一段时间后，下列装置示意图中能正确反映实验现象的是(　　)
第一单元　化石燃料与有机化合物
第1课时　天然气的利用　甲烷
一、
1．无　无　难　低　小　天然气　天然气
2．(1)CH4　　　(2)正四面体
正误判断
(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×
深度思考
(1)由M＝ρ·22.4 L·mol－1得，M(甲烷)≈16 g·mol－1，即甲烷的相对分子质量为16。
(2)甲烷分子中，N(C)＝＝1，N(H)＝＝4，故甲烷的分子式为CH4。
应用体验
1．C
2．B　[Ⅱ 表示电子式，但略去了碳原子的内层电子，甲烷分子中应含有10个电子。]
二、
1．强酸　强碱　KMnO4
2．(1)CO2　H2O　(2)淡蓝色火焰　生成了水　生成了二氧化碳　(3)液态水　二氧化碳　CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH＝－890 kJ·mol－1
3．(1)油状液体　上升　光照　CH3Cl(一氯甲烷)＋HCl　CH2Cl2(二氯甲烷)＋HCl　CHCl3(三氯甲烷或氯仿)＋HCl　CCl4(四氯甲烷或四氯化碳)＋HCl
(2)①原子(或原子团)
正误判断
(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×
深度思考
1．CH3Cl中3个H和1个Cl仍分别位于四面体的4个顶点，仍为四面体结构，但不是正四面体结构。
2．1 mol。
应用体验
1．A　[A项，氯气在光照条件下与甲烷可以发生取代反应；B项，酸性高锰酸钾溶液不能氧化甲烷，也不能与甲烷发生取代反应；C项，氢氧化钠溶液与甲烷不反应；D项，溴水与甲烷不反应。]
2．D　[四种有机产物的物质的量之比为n(CH3Cl)∶n(CH2Cl2)∶n(CHCl3)∶n(CCl4)＝1∶2∶3∶4，则四种取代物的物质的量分别为n(CH3Cl)＝0.1 mol，n(CH2Cl2)＝0.2 mol，n(CHCl3)＝0.3 mol，n(CCl4)＝0.4 mol，发生取代反应时，一半的Cl进入HCl，消耗氯气的物质的量为0.1 mol＋2×0.2 mol＋3×0.3 mol＋4×0.4 mol＝3 mol。]
随堂演练　知识落实
1．C　[①甲烷是一种正四面体结构的分子，正确；③1 mol CH4完全燃烧时消耗2 mol O2，则0.5 mol CH4完全燃烧时消耗1 mol O2，正确；④根据取代反应的特点，1 mol CH4完全生成CCl4，最多消耗4 mol Cl2，错误。]
2．D　[甲烷与氯气在光照条件下发生连锁反应：CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl、CH3Cl＋Cl2CH2Cl2＋HCl、CH2Cl2＋Cl2CHCl3＋HCl、CHCl3＋Cl2CCl4＋HCl，与氯气和甲烷的量无关，因此得到的产物为CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4、HCl，D正确。]
3．A　[　　　　CH4＋2O2CO2＋2H2O(l)
起始/mol　　　　0.5　　1　　　　0　　0
转化/mol　　　　0.5　　1　　　　0.5　1
最终/mol　　　　0　　　0　　　　0.5　1
注意CO2为气体，H2O为液体。]
4．D

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