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专题8　有机化合物的获得与应用
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
基础巩固
1.下列说法正确的是(　　)。
A.互为同分异构体的物质不可能具有相同的通式
B.通式相同的不同有机化合物一定属于同系物
C.互为同分异构体的物质之间物理性质一定不同,但化学性质一定相似
D.同系物一定是同类物质
答案:D
解析:有机化合物中存在通式相同的碳链异构,如正丁烷与异丁烷互为同分异构体,两者具有相同的通式,A项错误;结构相似,在分子组成上相差1个或若干个“CH2”原子团的物质互称为同系物,通式相同,但是结构不同,则不是同系物,如丙烯与环己烷的通式相同,但两者不是同系物,B项错误;互为同分异构体的物质,若是同类物质,则化学性质相似,若不是同类物质,则化学性质不同,C项错误。
2.某化学兴趣小组在阴暗的地方用如图所示装置探究CH4与Cl2的反应,灯泡接通电源后,开始实验。下列说法错误的是(　　)。
A.软管内会发生取代反应,生成物可能有5种
B.透明软管内气体颜色会逐渐变浅,透明软管的体积会缩小直至完全凹瘪
C.软管内会有油状液滴产生
D.充分反应后,打开K1,导管口会有白雾出现
答案:B
解析:软管内发生取代反应,生成物可能有5种,分别是一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和氯化氢,A项正确;透明软管内氯气参与反应,气体颜色逐渐变浅,透明软管的体积会缩小,但由于有HCl和CH3Cl两种气体生成,所以不会完全凹瘪,B项错误;取代反应生成的二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷都是油状液体,C项正确;充分反应后,打开K1,由于反应有HCl生成,所以导管口会有白雾出现,D项正确。
3.下列化学用语正确的是(　　)。
A.甲烷的结构式:CH4
B.乙烷的结构简式:CH3CH3
C.四氯化碳的电子式:CCl
D.丙烷的结构简式:C3H8
答案:B
解析:甲烷的结构式为;
乙烷的结构简式为CH3CH3;CCl4的电子式为;
丙烷的结构简式为CH3CH2CH3。
4.下列反应不属于取代反应的是(　　)。
A.CH4+2O2CO2+2H2O
B.CH2Cl2+Br2CHBrCl2+HBr
C.CH3—CH2—Br+H2OCH3—CH2—OH+HBr
D.CHCl3+HFCHFCl2+HCl
答案:A
解析:A项为甲烷的燃烧反应,属于氧化反应。
5.如图是CH4、CCl4、CH3Cl的分子球棍模型图。下列说法正确的是(　　)。
A.CH4、CCl4和CH3Cl都是正四面体结构
B.CH4和CCl4都是由共价键构成的分子
C.CH4和CCl4中的化学键完全相同
D.CH4和CCl4的结构相同,性质也相同
答案:B
解析:CH4和CCl4各自的键的长度、键的强度相等,故两者都为正四面体结构,但CH4和CCl4的性质不相同;CH3Cl中含C—H键和C—Cl键两种不同的化学键,不是正四面体结构;CH4含C—H键,CCl4含C—Cl键,化学键不同,但都是共价键,故B项正确。
6.下列有关丙烷的叙述中,正确的是(　　)。
①所有的化学键都是单键　②能使酸性KMnO4溶液的紫色褪去　③分子中碳链为锯齿状　④在光照条件下能与氯气发生取代反应　⑤光照条件下,将丙烷通入溴水中,可使溴水褪色　⑥丙烷可以在空气中燃烧
A.①③⑤⑥ B.②③⑤
C.①③④⑥ D.①②④
答案:C
解析:丙烷分子中无论是碳碳键还是碳氢键,都是单键,①说法正确;丙烷属于饱和链状烷烃,其化学性质一般比较稳定,通常不与强酸、强碱、氧化剂(如酸性KMnO4溶液)反应,也不能使溴水褪色,②⑤说法不正确;丙烷分子中碳链为锯齿状,③说法正确;烷烃在光照条件下都能与氯气发生取代反应,这是烷烃的主要特性之一,④说法正确;烷烃都可以在空气中燃烧生成CO2和H2O,⑥说法正确。
7.下列有机化合物中,其一氯代物的结构只有一种的是(　　)。
A.C2H6 B.C3H8
C.C4H10 D.C5H12
答案:A
解析:C、D两种烷烃本身存在同分异构体,其一氯代物可以发生在不同的同分异构体中,所以肯定有多种一氯代物;乙烷分子结构是对称的,它的6个氢原子是等效氢原子,所以一氯代物只有一种;丙烷虽然也是对称结构,但其有两种处于不同化学环境的氢原子,所以有两种一氯代物。
8.某研究小组为了探究甲烷和氯气反应的情况,设计了几个实验。
请填写下列空白。
[实验一]用如图所示装置,收集一量筒甲烷和氯气的混合气体,光照后观察到量筒内形成一段水柱。
(1)该反应的反应类型为　　　　　　　　　　　　　。
(2)该反应的化学方程式为(只写第一步)　 　　　　　　　　　　　　。
(3)水槽中盛放的液体应为　　　　　(填字母)。
A.水
B.饱和石灰水
C.饱和食盐水
D.饱和NaHCO3溶液
(4)该实验的实验现象为　　　　　　　　、　　　　　　　　　、量筒内壁上出现油状液滴。
(5)该油状液滴中含有的有机产物共有　　　　种。
[实验二]收集一试管甲烷和氯气的混合气体,光照一段时间后,滴加AgNO3溶液,看到有白色沉淀生成,认为甲烷与氯气反应有氯化氢生成。
(6)你认为该实验设计得出的结论是否正确:　　　　　　(填“是”或“否”),理由是　 　　　　　　　　　　　　　。
[实验三]步骤一:收集半试管氯气,加入10 mL蒸馏水,充分振荡,采用DIS系统的pH传感器测溶液的pH,测得pH=3.26;
步骤二:收集一试管甲烷和氯气的混合气体(各占50%),在40 W的日光灯下光照6 min后,加入10 mL蒸馏水,充分振荡,测得pH=1.00。
(7)判断该反应中有氯化氢生成的依据是 　　　　　　　　　　　　　。
答案:(1)取代反应
(2)CH4+Cl2CH3Cl+HCl
(3)C
(4)量筒内黄绿色变浅　量筒中液面上升
(5)3
(6)否　氯气能与AgNO3溶液中的水反应,也能产生Cl-,与Ag+结合产生白色沉淀
(7)步骤二测得的pH小于步骤一测得的pH
解析:(1)甲烷与氯气在光照条件下发生取代反应。(2)甲烷和氯气发生取代反应的第一步化学方程式为CH4+Cl2CH3Cl+HCl。(3)因为氯气可溶于水,可与饱和石灰水发生反应,水槽中不能盛放水和饱和石灰水,A、B项错误;饱和食盐水可抑制氯气的溶解,C项正确;氯气与饱和NaHCO3溶液发生反应,且有杂质气体CO2产生,D项错误。(4)甲烷与氯气发生反应消耗氯气,故量筒内黄绿色变浅,因为有机产物中CH2Cl2、CHCl3、CCl4为液体,量筒内壁上出现油状液滴,生成物中HCl溶于饱和食盐水,造成量筒中气体压强减小,即量筒中液面上升。(5)甲烷与氯气反应的有机产物为CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4,其中CH3Cl为气态,另外3种为液态。
能力提升
1.已知有机物CH3CH(CH3)2,下列关于该有机物的说法错误的是(　　)。
A.属于烷烃
B.与甲烷互为同系物
C.其中有3个碳原子在一条直线上
D.与CH3CH2CH2CH3互为同分异构体
答案:C
解析:根据有机物的结构简式可知,该物质是异丁烷,属于烷烃,A项正确;该物质是异丁烷,与甲烷互为同系物,B项正确;烷烃的碳骨架是锯齿形结构,3个碳原子不可能在一条直线上,C项错误;该有机物与CH3CH2CH2CH3的结构不同,分子式相同,二者互为同分异构体,D项正确。
2.下图是由4个碳原子结合成的4种有机物(氢原子没有画出),下列说法不正确的是(　　)。
A.有机物(a)的名称为异丁烷
B.有机物(a)中四个碳原子一定不共平面
C.上述有机物中与(c)互为同分异构体的只有(b)
D.上述有机物中,属于链状烷烃的是(a)
答案:C
解析:有机物(a)含有4个碳原子,其名称为异丁烷,A项正确;有机物(a)中4个碳原子形成四面体结构,故4个碳原子一定不共面,B项正确;有机物(b)(c)和(d)的分子式均为C4H8,但其空间结构不同,互为同分异构体,C项错误;有机物(a)(d)只含单键,(a)是链状烷烃,(d)是环状烷烃,D项正确。
3.由甲烷和乙烷组成的混合气体8.96 L(标准状况下),在足量氧气中充分燃烧后,生成的气体先通过足量浓硫酸,再通过足量氢氧化钠溶液,测知氢氧化钠溶液质量增加26.4 g,则原混合气体中乙烷的物质的量(　　)。
A.等于0.1 mol
B.大于或等于0.2 mol,小于0.3 mol
C.等于0.2 mol
D.大于0.1 mol,小于0.3 mol
答案:C
解析:混合气体的物质的量为=0.4 mol,浓硫酸吸收水、NaOH溶液吸收二氧化碳,故NaOH溶液增加的26.4 g为二氧化碳的质量,二氧化碳的物质的量为=0.6 mol。设甲烷的物质的量为x mol,乙烷的物质的量为y mol,则x mol+y mol=0.4 mol,x mol+2y mol=0.6 mol,解得x=y=0.2,则原混合气体中乙烷的物质的量为0.2 mol,C项正确。
4.在光照条件下,CH4与Cl2能发生取代反应。现使1 mol CH4与Cl2反应,待反应完全后测得四种有机取代产物的物质的量之比为n(CH3Cl)∶n(CH2Cl2)∶n(CHCl3)∶n(CCl4)=1∶2∶3∶4,则消耗的Cl2的物质的量为(　　)。
A.1.0 mol B.2.0 mol
C.3.0 mol D.4.0 mol
答案:C
解析:在光照条件下,CH4与Cl2发生取代反应时,生成1 mol CH3Cl消耗1 mol氯气,生成1 mol CH2Cl2消耗2 mol 氯气,生成1 mol CHCl3消耗3 mol氯气,生成1 mol CCl4消耗4 mol氯气。四种有机取代产物的物质的量之比为n(CH3Cl)∶n(CH2Cl2)∶n(CHCl3)∶n(CCl4)=1∶2∶3∶4,根据碳原子守恒可知,生成的n(CH3Cl)、n(CH2Cl2)、n(CHCl3)、n(CCl4)分别是0.1 mol、0.2 mol、0.3 mol、0.4 mol,则消耗的Cl2的物质的量为0.1 mol+2×0.2 mol+3×0.3 mol+4×0.4 mol=3.0 mol。
5.Ⅰ.现有下列8种有机化合物。
①CH2CHCH3　②CH3CH2C≡CH　③CH3C≡CCH3　④CH3COOC2H5　⑤　⑥CH3—CH2—CH3　⑦CH3CH2CH2Cl　⑧CH3CH2CH2CH3
请回答下列问题。
(1)其中不属于烃类的是　　　　(填序号,下同);其中属于烷烃的是　　;其中与①互为同系物的是　　　　。
Ⅱ.按要求完成下列填空。
(2)含有3个碳原子的烷烃A的分子式:　　　;烷烃B的分子中含有12个氢原子,则烷烃B的分子式:　　　;分子中含有22个共价键的烷烃的分子式:　　　　。
(3)同温同压下烷烃C蒸气的密度是H2的15倍,则烷烃C的分子式:　　;结构简式:　　　　。
答案:(1)④⑦　⑥⑧　⑤
(2)C3H8　C5H12　C7H16
(3)C2H6　CH3CH3
解析:Ⅰ.只含C、H两种元素的有机化合物属于烃;分子式符合通式CnH2n+2(n≥1)的烃属于烷烃;结构相似,分子组成相差1个或若干个“CH2”原子团的物质互为同系物。
Ⅱ.烷烃的通式为CnH2n+2,烷烃的相对分子质量为14n+2。(2)含有3个碳原子的烷烃A的分子式:C3H8;烷烃B的分子中含有12个氢原子,即2n+2=12,解得n=5,所以B的分子式为C5H12;烷烃的组成为
CnH2n+2(n≥1),含有的共价键数目为3n+1,该烷烃有22个共价键,则:3n+1=22,解得n=7,所以该烷烃中碳原子数目为7,分子式为C7H16。(3)密度之比等于摩尔质量之比,就等于相对分子质量之比,C的相对分子质量为15×2=30=14n+2,解得n=2,所以C的分子式为C2H6,结构简式为CH3CH3。
6.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。某化学兴趣小组在实验室中模拟上述过程,其设计的模拟装置如下。
根据要求回答下列问题。
(1)B装置有三种功能:①控制气流速度;
②　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
③　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)设=x,若理论上欲获得最多的氯化氢,则x的取值范围是　 。
(3)D装置中的石棉上均匀附着KI粉末,其作用是　 。
(4)E装置的作用是　　　　(填字母)。
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,经过一段时间的光照,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)装置中除了有盐酸生成外,还生成了液态有机化合物,从E中分离出盐酸的最佳方法为　　　　　。该装置还有缺陷,原因是没有进行尾气处理,其尾气的主要成分是　　　　(填字母)。
A.CH4　B.CH3Cl　C.CH2Cl2　D.CHCl3　E.CCl4
答案:(1)②使气体混合均匀　③干燥气体
(2)x≥4　
(3)吸收过量的Cl2
(4)CD　
(5)CH4+2Cl2C+4HCl
(6)分液　AB
解析:(1)B装置的功能:①控制气流速度;②使气体混合均匀;③干燥气体。
(2)一分子氯气只能取代甲烷中的一个氢原子,根据甲烷中氢原子数,可得x的取值范围是x≥4。
(3)由反应2KI+Cl22KCl+I2可知,D装置是用来除去多余的氯气。
(4)HCl易溶于水;球形漏斗可防止倒吸。
(5)硬质玻璃管内壁的黑色小颗粒只能为碳单质,该反应为氯气置换出甲烷中的碳:CH4+2Cl2C+4HCl。
(6)生成的有机氯代物不溶于水,液-液互不相溶,分离方法为分液法。尾气应为气态物质,只有甲烷和CH3Cl常温下为气态。
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