35《甲烷与烷烃》

nullnull2010届高考化学复习 强化双基系列 35《甲烷与烷烃》35《甲烷与烷烃》null1、经典例题导入（广东省实验中学08-09学年高三第二次阶段测试试卷） 2、甲烷与烷烃的性质与结构全面 （1）基础盘点 （2）深化理解 （3）规律总结 3、对位练习（08高考题与名校08-09学年阶段试题）提纲null广东省实验中学08-09学年高三第二次阶段测试试卷nullnull：1、使气体混合均匀，干燥 2、≥4 3、吸收多余的氯气 4、CD 5、CH4+2Cl2→C+4HCl 6、ABnullnull 甲烷的结构和性质 (1)分子组成和结构 甲烷分子是 正四面体 构型，碳原子 位于中心，氢原子 位于顶点。 （2）物理性质 甲烷是 无色 、无味 、不 溶于水的气体，密度比空气密度 小 。 甲烷的结构和性质化学式： 分子式： 结构式： 电子式:CH4null （3）化学性质 在通常情况下，甲烷是比较稳定的，跟 强酸 、强碱 或强 氧化剂 等一般不起反应。甲烷 不能 使酸性KMnO4溶液褪色，也 不能 使溴的四氯化碳溶液褪色。 ①甲烷的氧化反应 甲烷在空气中安静地燃烧，火焰呈 淡蓝 色，无烟，产物为 CO2和H2O ， 1 mol甲烷完全燃烧可以放出890 kJ的热量。热化学方程式为： CH4（g)+2O2(g) CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890 kJ·mol-1 ②取代反应 有机物分子里的某些原子或原子团被其它原子或原子团所替代的反应 叫做取代反应。 甲烷的取代反应null 甲烷与氯气的反应比较复杂，简单地说是分步进行的。 第一步：CH4+Cl2 CH3Cl+HCl ； 第二步：CH3Cl+Cl2 CH2Cl2+HCl ； 第三步：CH2Cl2+Cl2 CHCl3+HCl ； 第四步：CHCl3+Cl2 CCl4+HCl 。 甲烷的四种氯代物均 不 溶于水，常温下，只有CH3Cl是 气体 ，其他三种都是 液体 。CHCl3俗称 氯仿 ，CCl4又叫 四氯化碳 ，二者都是重要的有机溶剂，密度比水 大 。 1.有机化学中的取代反应与无机化学中的置换反应的比较null 2.甲烷与Cl2发生取代反应的产物有5种。 3.甲烷是含氢量最高的化合物。 4.含甲基的分子，所有原子不可能在同一平面。 5.能证明甲烷不是平面结构的理由是CH2Cl2不存在同分异构体。 1.若甲烷与氯气以物质的量之比1∶1混合，在光照下得到的取代产物是 （ ） ①CH3Cl ②CH2Cl2 ③CHCl3 ④CCl4 A.只有① B.只有③ C.①②③的混合物 D.①②③④的混合物 null 解析 甲烷和氯气在光照下发生的四步取代反应是连锁反应，反应进行到哪一 步不是由反应物甲烷和氯气的物质的量之比来决定的。即使是甲烷和氯气的物 质的量之比是1∶1的情况，也不会仅发生CH4+Cl2 CH3Cl+HCl这样一种取代 反应，因为一旦生成CH3Cl后，CH3Cl分子中的氢原子又可继续被氯原子取代， 因此其产物不是纯净的CH3Cl，而是四种取代产物的混合物。 答案 D 2.甲烷在不同条件下有两种热解反应： ①CH4（g） C(s)+2H2(g);②2CH4(g) C2H2(g)+3H2(g)。现将两份标准状况下等体积的甲烷分别通入两个容 积可变的密闭容器中，按①式和②式热解，待完全反应后，恢复至标准状况， 则两容器中气体体积关系正确的是 （ ） A.①和②相等 B.①小于② C.①大于② D.无法判断 null 解析 本题是从气体体积变化的角度来考查甲烷的热解反应。反应①生成物C 为固体，所以反应后的气体体积为反应前的2倍，反应②的生成物全为气体， 反应后的气体体积也为反应前的2倍，也就是两个反应前后的气体体积比均为 1∶2，等体积的甲烷发生反应①和反应②后得到的气体体积相等。 答案 A 烷烃 1.烷烃的概念 烃分子中的 碳原子跟碳原子都以单键结合、碳原子剩余的价键全部跟氢原子结合 ，使每个碳原子的化合价都已充分利用，达到“饱和”。这样的烃叫做 饱和链烃 ，也称为烷烃。 2.结构特点 （1）分子里碳原子与碳原子之间都是单键，碳原子剩余的价键全部跟氢结合；null （2）链状（可能有支链）； （3）烷烃分子中，以任意一个碳原子为中心都是四面体结构。所以，烷烃分子中的碳原子并不在一条直线上，而是呈锯齿状排列。 3.烷烃的分子式通式：CnH2n+2(n≥1) 。 4.物理性质 递变规律：随碳原子数的递增，烷烃的熔、沸点 升高 ，密度 增大 ；碳原子数在4个及4个以下为 气 态，5～16个为 液 态，17个以上为 固 态。 5.化学性质 (1)烷烃（CnH2n+2）的燃烧通式为： CnH2n+2+ O2 nCO2+(n+1)H2O 。 （2）取代反应 CH3—CH3+Cl2 CH3CH2Cl+HCl (写一步）。null 1.烷烃还具有裂化断链的性质，在高温或催化剂条件下，烷烃可发生碳链断裂，断裂成两种分子时，有两个特点，一是必须有烯烃和烷烃生成，二是平均式量为原来的一半（完全裂化），但多数情况下，烷烃分子将会进一步断裂，得到多种混合物，使平均式量进一步减小。 2.烷烃通常较稳定，不能被酸性高锰酸钾溶液氧化，也不能与强酸、强碱发生反应。 3.在空气或氧气中点燃，完全燃烧时生成CO2和H2O。在相同情况下，随着烷烃分子里的碳原子数的增加，往往燃烧越来越不充分，燃烧火焰明亮，甚至伴有黑烟。 4.在光照条件下，烷烃与Cl2、Br2等卤素单质的气体发生取代反应，生成种类更多的卤代烃和相应的卤化氢气体。 5.在通常状况下，烷烃与卤素单质的水溶液不发生化学反应，例如甲烷、乙烷等烷烃不能使溴水褪色。这一性质常用于区别烷烃和其他的烃。null 6.烷烃不溶于水，但易溶于有机溶剂。液态烷烃本身就是有机溶剂。 7.相同碳原子数的烷烃，支链数越多，熔沸点越低，相对密度越小。 3.城市居民用的石油气主要成分是丁烷，在使用的过程中，常有一些杂质以液态 沉积于钢瓶中，这些杂质是 （ ） A.丙烷和丁烷 B.乙烷和丙烷 C.乙烷和戊烷 D.戊烷和己烷 解析 烷烃C原子数≤4为气体，而沉积于钢瓶中的杂质为液态，答案应为D。 4.（2008·南宁一模）下列性质中，属于烷烃特征性质的是 （ ） A.燃烧的产物只有二氧化碳和水 B.它们几乎不溶于水 C.它们是非电解质 D.分子式通式为CnH2n+2，与氯气发生取代反应 DDnull 1.直接法 直接求算出1 mol烷烃中各元素原子的物质的量即可推出烷烃的分子式，如给出一定条件下的密度（或相对密度）以及各元素的质量比求算分子式的途径为： 密度（相对密度）→ 摩尔质量 → 1 mol烷烃中C、H元素的原子的物质的量 →分子式。 2.最简式法 根据分子式为最简式的整数倍，因此利用相对分子质量和最简式量可确定其分子式。 即N（C）∶N（H）= ∶ =a∶b（最简整数比）。最简式为CaHb，则分子式为（CaHb)n,n= (M为烷烃的相对分子质量，12a+b为最简式量）。烷烃分子式的确定null 3.商余法 烷烃的通式为CnH2n+2,相对分子质量为14n+2，即用烷烃的相对分子质量除以14，若余数为 2 ，即 =x…2(M为烷烃的相对分子质量），则为含x个碳原子的烷烃（CxH2x+2）。 4.利用燃烧反应方程式，抓住以下关键 （1）气体体积变化； （2）气体压强变化； （3）气体密度变化。 1.利用燃烧的产物确定分子式时，应注意看清是完全燃烧，还是不完全燃烧。氢原子由水求算，碳原子完全燃烧可用CO2求算，不完全燃烧应用CO2和CO求算。 2.如用体积、压强变化计算，要注意反应温度和H2O的状态。100℃以上H2O为气态。100℃以下水的体积不考虑。null5.某有机物2.8 g完全燃烧后生成了8.8 g CO2和3.6 g H2O，已知该有机物在标准 状况下的密度为1.25 g·L-1。通过计算确定该有机物的分子式。 解析答案 C2H4null6.（2008·西昌一模）标准状况下，体积为2 L，碳原子数为x-1和x的两种气态 烷烃的混合物质量为3 g，则x值为____________。 解析答案 3null有机物结构和组成的几种表示方法nullnull7.以下化学用语正确的是 （ ） A.乙烯的结构简式CH2CH2 B.乙酸的分子式C2H4O2 C.明矾的化学式KAlSO4·12H2O D.氯化钠的电子式null 解析 本题主要对常见化学用语（物质的几种表示方式：结构简式、分子式、化学式、电子式）的理解和掌握程度。A项中的“结构简式”没有表示出乙烯的官 能团“ ”；C项中K+、Al3+、 三种离子的数目比为1∶1∶2，而不 是1∶1∶1，其正确的化学式为KAl(SO4)2·12H2O;D项中的氯化钠是离子化合物，其电子式为 。故A、C、D均不正确，应选B。 答案 B null【例1】 把1体积CH4和4体积Cl2组成的混合气体充入大试管中，将此试管倒立在 盛有饱和食盐水的水槽里，放在光亮处，片刻后发现试管中气体颜色______， 试管中的液面____，试管壁上有_______出现，水槽中还观察到_________。 解析 将Cl2与CH4混合光照二者发生逐级取代反应生成气体一氯甲烷和氯化 氢，液体二氯甲烷、三氯甲烷和CCl4，试管压强减小，HCl易溶于水电离出 Cl-，使c(Cl-)增大，使NaCl饱和溶液中的溶解平衡向左移动，析出NaCl晶体。 答案 逐渐变浅 逐渐升高 油状物 有白色晶体生成 甲烷的性质null CH4的取代反应 （1）反应物状态：纯卤素，例如甲烷不跟溴水起反应，与溴蒸气见光起取代反应；反应条件：光照。 （2）由于有机反应副反应较多，所以有机化学方程式中，“生成”多用“→”而不是用“=”表示。 （3）CH4与卤素单质的取代反应的特点是逐步取代的连锁反应，反应得到的是各种取代产物的混合物，其中HCl的物质的量为最多。 【跟踪演练】 1.若要使0.5 mol甲烷完全和氯气发生取代反应，并生成相同物质的量的四种取 代物，则需要氯气的物质的量为 （ ） A.2.5 mol B.2 mol C.1.25 mol D.0.5 mol 解析 每种取代物的物质的量为0.5 mol/4=0.125 mol，根据取代反应特点， 甲烷分子中每1个氢原子发生取代时均耗1个氯气分子，则需要氯气的物质的量为0.125 mol×(1+2+3+4)=1.25 mol。Cnull2.（2007·大庆一模）从石油分馏得到的固体石蜡，用氯气漂白后，燃烧时会产 生含氯元素的气体，这是由于石蜡在漂白时与氯气发生过 （ ） A.加成反应 B.取代反应 C.聚合反应 D.催化裂化反应 解析 本题主要考查石油的分馏产品之一石蜡的成分及其所发生的化学反应 的知识内容。石蜡与石油成分相同，主要为烷烃、环烷烃和芳香烃，因此与 Cl2发生过的反应主要为取代反应，应选B。 Bnull 解析 立方体顶点上的每个碳原子与周围的三个碳原子结合，剩余价键与一个 氢原子结合，所以立方烷的分子式为C8H8。 立方体为一对称结构，其二氯代物的氯原子可以占据同一边上的两个顶点；同 一平面对角线的两个顶点；立方体对角线的两个顶点。共有3种同分异构体。 C8H8的相对分子质量是104，相同相对分子质量的烷烃，根据烷烃的通式，则 有14n+2=104无解。 答案 （1）C8H8 （2）3 （3）不存在 一元取代物和二元取代物种类的判断【例2】 某些有机化合物的结构可用“键线式”表示，如异丁烷的结构简式 。 “立方烷”是一种烃，其分子为立方体结构，如右图所示： (1)写出立方烷的分子式：______________； （2）与氯气发生取代反应生成的二氯代物共有___种同分异构体。 （3）相对分子质量与立方烷相对分子质量相同的烷烃是否存在？null 1.烃分子中的氢原子被其他原子或原子团所代替形成的产物称为取代 产物。如烃分子中的一个氢原子被取代后的产物叫一元取代物，依次类推。 3.“等效氢原子”种类的判断通常有如下三个原则： (1)同一碳原子所连的氢原子是等效的； (2)同一碳原子所连的甲基上的氢原子是等效的； (3)同一分子中处于轴对称或镜面对称，对称（相当于平面镜成像时，物与像的关系）位置上的氢原子是等效的。 2.有机物中位置等同的氢原子叫等效（性）氢原子，烃的一元取代物分子中等效氢原子的种类有多少，则其一元取代物种类就有多少。null【跟踪演练】 3.降冰片键线式的立体结构如右图，其分子中共有 7个碳原子。降冰片的分子式为___________, 当它发生一氯取代时，取代物共有_______种。 解析 结构中有5个CH2原子团，2个CH组成为C7H12，分析结构有三种不同的氢 原子，所以一氯代物有3种。 答案 C7H12 3 null4.乙烷在光照条件下与氯气结合，最多可能产生多少种物质 ( ) A.6种 B.8种 C.9种 D.10种 解析 乙烷的一氯取代物有1种，二氯取代物有2种，三氯取代物有2种，四氯 取代物有2种，五氯取代物有2种，六氯取代物有1种，共9种。 【例3】（2008·泰安模拟）（1）由2个碳原子、1个氮原子、1个氧原子和若干 个氢原子构成的共价化合物，H原子数目最多为_______个。 （2）若某共价化合物分子中只含C、H、N三种元素，且以N(C)、和N(N）分别 表示C和N的原子数目，则H原子数目最多等于_________。 （3）若某共价化合物分子中只含C、N、H、O四种元素，且以N(C)、N(N) 和 N(O）分别表示C、N和O的原子数目，则H原子数目最多等于________。 D有机物分子中C、H、O、N间的关系null 解析 （1）问中H原子数目最多为7个，如NH2CH2CH2OH（无环无不饱和键）。 （2）和（3）问可以这样分析：C原子形成甲基、乙基等，所连接的H原子数目为 2N(C)+1;N原子形成氨基（—NH2），所连接H原子数目为N(N)+1;而O原子形成2 个共价键，因此不影响H原子的数目。故（2）和（3）中H原子数目是相同的， 都为2N(C)+N(N)+2。 答案 (1)7 (2)2N(C)+N(N)+2 (3)2N(C)+N(N)+2 这类试题现在已成为高考中的热点。我们只要搞清楚一些原子的成键情况就可以解答此类问题。如C原子常形成4个共价键，N原子常形成3个共价键，O原子易形成2个共价键，而要符合所连原子数或官能团数最多的条件是分子中不能形成环状结构或不饱和键。 null【跟踪演练】 5.在C3H9N中，N原子以三个单键与其他原子相连接，它具有的同分异构体数目为 （ ） A.1 B.2 C.3 D.4 6.某共价化合物含有碳、氢、氮三种元素，分子中共有四个氮原子，且都位于正 四面体的顶点，每两个氮原子间都有一个碳原子。已知分子内无碳碳单键，也 没有碳碳双键，则该化合物的分子式为 ( ) A.CH8N4 B.C4H8N4 C.C6H10N4 D.C6H12N4 解析 碳氮均以单键与其它原子相连，碳原子必与四个原子相连，而氮必与三 个原子相连。DDnull【例4】室温时20 mL某气态烃与过量氧气混合，完全燃烧后的产物通过浓H2SO4， 再恢复到室温，气体体积减少了50 mL，剩余气体再通过苛性钠溶液，体积又 减少了40 mL。求该气态烃的分子式。 解析 当烃燃烧的产物通过浓H2SO4再冷却至室温，此时的体积差量实为燃烧反 应的体积差量，通过NaOH被吸收的是CO2气体，因此V（CO2）=40 mL 有关烃的计算答案 C2H6null【跟踪演练】 7.某气态烷烃20 mL，完全燃烧时，正好消耗同温同压下的氧气100 mL，该烃的 化学式是 （ ） A.C2H6 B.C3H8 C.C4H10 D.C5H12 B解析8.（2008·佳木斯一模）一定质量的甲烷燃烧后得到的产物为CO、CO2和水蒸 气，此混合气体质量为49.6 g，当其缓慢经过无水CaCl2时，CaCl2增重 25.2 g。原混合气体中CO2的质量为 （ ） A.12.5 g B.13.2 g C.19.7 g D.24.4 g。null解析 CaCl2增重25.2 g为水的质量 n（H2O）= =1.4 mol 根据氢元素守恒得： n（CH4）= =0.7 mol 设CO2、CO的物质的量分别为x、y x+y=0.7 mol 44 g·mol-1·x+28 g·mol-1·y=49.6 g-25.2 g x=0.3 mol y=0.4 mol m（CO2）=0.3 mol×44 g·mol-1=13.2 g 答案 Bnull关于甲烷的性质实验 甲烷作为一个清洁能源，对其性质的研究显得非常重要。有关CH4的制备（以信息题的形式出现）和有关性质实验可能会有所体现。 【实验设计】 随着世界性能源危机和环境污染问题的突出，利用甲烷菌在密闭的条件下分解各种有机物产生沼气，已经成为我国广大农村地区获得新能源和保护环境的重要手段之一。沼气的主要成分是CH4，还有少量CO2、H2S等。 下面是某课外活动小组在实验室模拟沼气池发酵制取沼气，收集较纯净甲烷并测定产生甲烷体积的实验： 如图中甲瓶是产生沼气的发酵瓶，将堆沤过的牛、马粪按比例均匀拌入沼气菌种，放进发酵瓶甲内，并加满水；乙瓶中充满水；丙瓶内盛有X溶液；丁为量筒。null (1)按实验要求，将四个装置a～f各个导管口连接起来，其正确的顺序是：（填接口序号）a→___→___→___→____→f。 （2）丙瓶内盛有的X溶液为__________（填序号）。 A.浓氨水 B.NaOH溶液 C.CuSO4溶液 D.盐酸 （3）若要验证CH4中含有H2S气体，要在甲装置后增加一个洗气瓶装置，该装置中可盛的试剂可能是_________（填序号）。 A.浓氨水 B.NaOH溶液 C.CuSO4溶液 D.盐酸 （4）已知1 000 mL（标准状况）甲烷完全燃烧生成二氧化碳和液态水，放出 39.75 kJ的热量，则1 mol甲烷完全燃烧生成二氧化碳和液态水所放出的能量为________，该反应的热化学方程式为_______________________。null 解析 本题是定量实验题，旨在考查学生的实验能力。（1）（2）从题目所给实验装置看：应用甲装置产生甲烷考虑到CH4中混有CO2、H2S等酸性气体杂质，可先用碱液除杂，然后排水、量水，利用量筒中水的体积计算CH4的体积，由此计算出CH4的体积分数。 （3）要验证CH4中混有H2S气体，要求选取的试剂与CH4不反应，但能和H2S反应，并有明显的实验现象，故选CuSO4溶液。 （4）1 mol CH4完全燃烧生成液态水时放出的热量为： =890.4 kJ, 所以甲烷燃烧的热化学方程式为：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l); ΔH=-890.4 kJ·mol-1 答案 （1）d e c b (2)B (3)C (4)890.4 kJ CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l);ΔH=-890.4 kJ·mol-1null 【实验拓展】 某课外兴趣小组利用如下装置探究甲烷与氯气的反应。 根据题意，回答下列问题： （1）反应前，量筒CH4与Cl2的体积比为___，向100 mL量 筒中充入CH4、Cl2的方法是____________________________。 （2）CH4与Cl2发生反应的条件是____；若用日光直射，可能会引起________。 （3）实验中可观察到的实验现象有：量筒内壁上出现油状液滴，饱和食盐水中有少量固体析出，________，_____________等。 （4）实验中生成的油状液滴的化学式为_________________，其中_____是工业上重要的溶剂。 （5）饱和食盐水中有少量固体析出，其原因是____________________。 （6）用饱和食盐水而不用水的原因是________________________。 答案 （1）1∶4 用排饱和食盐水的方法，先后收集20 mL CH4和80 mL Cl2 （2）光照（或光亮处） 爆炸 （3）量筒内黄绿色气体颜色变浅 量筒内液面上升 （4）CH2Cl2、CHCl3、CCl4 CHCl3、CCl4 （5）反应中有HCl生成，使溶液中的Cl-浓度增大，促使NaCl的溶解平衡向生成NaCl固体的方向移动 （6）降低Cl2在水中的溶解度，抑制Cl2和水的反应null1.D 2.D 3.D 4.B 5.C 6.C 7.A 8.⑤⑧或⑧ ④ ③⑩ ①⑨、②⑦、⑤ 9. (1)6 (2)新戊烷 10.(1)1∶4 (2)CH4(g)+2O2(g) CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-891.45 kJ·mol-1 (3)①0.33 ②b≥ 返回null