资源描述
甲烷的性质
[基础巩固]
1．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．只有纯净甲烷才能在空气中安静燃烧
C．甲烷能与溴水发生取代反应
D．甲烷在空气中燃烧只生成二氧化碳和水
解析：选A。甲烷极难溶于水，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；甲烷与气态卤素单质在光照条件下发生取代反应，甲烷不能与溴水反应，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。
2．(2018·高考全国卷Ⅱ)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( )
解析：选D。甲烷和氯气在光照条件下反应，生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4和HCl，试管内压强减小，外压大于内压，试管内液面升高，且试管内出现白雾和油状液滴，综合上述分析，D项正确。
3.
如图所示的装置是某次实验最初的情况(夹持装置省略)，烧瓶内盛有等体积的甲烷和Cl2，用光照射烧瓶一段时间，下列说法正确的是( )
A．只能生成CH3Cl一种有机物
B．烧瓶内液面不可能上升
C．大试管内的液体可能会分层
D．向水中加入石蕊试液后变蓝
解析：选C。甲烷和Cl2反应生成四种氯代有机物，故A错误；甲烷和Cl2反应生成的一氯甲烷和HCl是气体，其余都是液体，且HCl易溶于水，烧瓶内压强减小，则液面上升，故B错误；反应生成的二氯甲烷等有机物为油状液体，在水的上层，故C正确；反应生成的HCl溶于水，形成盐酸，显酸性，加入石蕊试液后变红，故D错误。
4．“可燃冰”是海底蕴藏的资源之一，其主要成分是甲烷。以下是甲烷在空气中燃烧的微观过程模拟图，符合该反应微观过程先后顺序的选项是( )
A．②③① B．①③②
C．③②① D．②①③
解析：选D。甲烷和氧气反应生成二氧化碳和水，该过程首先是分子状态的甲烷和氧气(图②)，然后化学键断裂形成原子(图①)，最后原子重新组合得到二氧化碳和水(图③)。
5．有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应叫取代反应。下列化学反应中不属于取代反应的是( )
A．CH2Cl2＋Br2CHBrCl2＋HBr
B．CH3OH＋HClCH3Cl＋H2O
C．2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑
D．CH3—CH2—Br＋H2OCH3—CH2—OH＋HBr
解析：选C。C项中的反应为置换反应，不是有机反应，更不是取代反应。
6．验证某有机物属于烃，应完成的实验内容是( )
A．只测定它的碳、氢原子个数比
B．只要证明它完全燃烧后的产物只有H2O和CO2
C．只测定其完全燃烧产物中H2O和CO2的物质的量的比值
D．测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成H2O和CO2的质量
解析：选D。烃仅含碳和氢两种元素，完全燃烧的产物为CO2和H2O，但完全燃烧产物只有CO2和H2O的有机物不一定是烃，它可能含有碳、氢、氧三种元素。
7．鉴别CH4、CO、H2三种无色气体的方法是( )
A．点燃——通入澄清石灰水——加入溴的四氯化碳溶液
B．点燃——罩上干燥的小烧杯——加入澄清石灰水
C．点燃——通入澄清石灰水
D．点燃——通入酸性KMnO4溶液
解析：选B。根据燃烧后的产物来判断，甲烷燃烧后生成CO2和H2O，H2燃烧后生成H2O，CO燃烧后生成CO2。在火焰的上方罩一个干燥的小烧杯，烧杯内壁出现水珠的是甲烷和H2，没有水珠的是CO；然后在有水珠的两个小烧杯里加入澄清石灰水，出现浑浊的是甲烷，无现象的是H2。
8．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＋2O2CO2＋2H2O，因此，标准状况下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。
9．天然气作为清洁能源，在助力节能减排的同时，也带来“气荒”等问题，于是出现了“油改气”或“煤改气”。
(1)天然气主要成分的分子式是________，电子式为____________，结构式为____________；分子里各原子的空间分布呈________结构。
(2)天然气主要成分在空气中燃烧的实验现象是______________________________，反应的化学方程式为__________________________________________________。
(3)天然气主要成分与Cl2在光照条件下反应生成一氯甲烷的化学方程式为________________________________________________________________________。
解析：(1)天然气的主要成分是甲烷，甲烷的分子式、电子式、结构式分别为，甲烷分子是正四面体结构。
答案：(1)CH4 正四面体
(2)产生淡蓝色火焰 CH4＋2O2CO2＋2H2O
(3)CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl
10．如图是某同学利用日常用品注射器设计的简易实验装置。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，针管放在光亮处一段时间。
(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)甲管中发生化学反应的类型为________。
(3)反应后，能用于吸收甲管中剩余气体的是________。
A．水 B．NaOH溶液
C．AgNO3溶液 D．饱和食盐水
(4)反应后，若将甲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：在光照条件下，甲烷与氯气发生反应：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，而甲中氯气与甲烷体积比为5∶1＞4∶1，说明氯气过量，反应后仍有氯气剩余。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。
(4)生成的HCl会与AgNO3溶液反应生成AgCl白色沉淀，同时因CH2Cl2、CHCl3、CCl4难溶于水而看到液体分为两层，因Cl2有剩余，若加入几滴石蕊试液，溶液会先变红后褪色。
答案：(1)②③ (2)取代反应 (3)B (4)液体分为两层，产生白色沉淀 溶液先变红后褪色
[能力提升]
11．为验证甲烷分子中含有C、H两种元素，可将其完全燃烧产物通过①浓硫酸；②澄清石灰水；③无水硫酸铜。正确的顺序是( )
A．①②③ B．②③
C．②③① D．③②
解析：选D。要证明CH4中含有C、H两种元素，可通过其完全燃烧产物为CO2和H2O来证明，选②③，检验时应先检验H2O后检验CO2，故顺序为③②。
12．(2019·宜宾高一期末)取一支硬质大试管，通过排饱和食盐水的方法先后收集半试管甲烷和半试管氯气(如图)，下列对于试管内发生的反应及现象的说法正确的是 ( )
A．反应过程中试管内黄绿色逐渐变浅，试管壁上有油珠产生
B．甲烷和Cl2反应后的产物有4种
C．盛放饱和食盐水的水槽底部不会有晶体析出
D．CH4和Cl2完全反应后液面上升，液体充满试管
解析：选A。Cl2被消耗，黄绿色逐渐变浅，生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4均为油状液体，所以试管壁上有油珠产生，A项正确；CH4与Cl2反应生成4种有机物和1种无机物，共有5种产物，B项错误；CH4与Cl2反应后最多的产物是HCl，HCl溶于饱和食盐水会有NaCl晶体析出，C项错误；取代产物中的CH2Cl2、CHCl3、CCl4是油状液体，而CH3Cl是气体，不溶于饱和食盐水，故液体不会充满试管，D项错误。
13．已知正四面体形分子E和单质分子G反应，生成四面体形分子L和分子M(组成E分子的元素的原子序数小于10，组成G分子的元素为第三周期的元素)，如图所示，则下列判断中不正确的是( )
A．常温常压下，E、L均为气态有机物
B．E是一种含有10个电子的分子
C．上述反应的类型是置换反应
D．上述4种物质中有3种为共价化合物
解析：选C。由题意可知，E为正四面体形分子，组成E分子的元素的原子序数都小于10，由题图可知，E由两种元素组成，灰色球只形成一个共价键，所以是H，黑色球表示C，所以E是甲烷；G为直线形分子，组成G分子的元素为第三周期的元素，且G是双原子分子，所以G是Cl2，该反应是甲烷和氯气发生取代反应生成一氯甲烷和氯化氢，即L是一氯甲烷，M是氯化氢。常温常压下，甲烷、一氯甲烷均是气体，A项正确；E是甲烷分子，含有10个电子，B项正确；甲烷中的氢原子被氯原子取代生成一氯甲烷，属于取代反应，生成物中没有单质，不是置换反应，C项错误；四种物质中甲烷、一氯甲烷和HCl属于共价化合物，所以4种物质中有3种为共价化合物，D项正确。
14．三个装有CH4和Cl2混合气体的集气瓶，用玻璃片盖好瓶口后，分别做如下处理，各有怎样的现象发生？
(1)①置于黑暗中： ________________________________________________________________________；
②将点燃的镁条靠近集气瓶外壁： ________________________________________________________________________；
③放在有光线的房子里：________________________________________________________________________。
(2)若要使0.5 mol CH4完全和Cl2发生取代反应，并生成相同物质的量的四种取代产物，则生成HCl的物质的量为________。
A．2.5 mol B．2 mol
C．1.25 mol D．0.5 mol
解析：对于有机反应，反应条件非常重要，通过控制反应条件，可使CH4和Cl2的取代反应发生的现象不同。0.5 mol CH4生成等物质的量的4种取代产物，即0.125 mol CH3Cl、0.125 mol CH2Cl2、0.125 mol CHCl3、0.125 mol CCl4，生成HCl的物质的量为n(HCl)＝0.125 mol×1＋0.125 mol×2＋0.125 mol×3＋0.125 mol×4＝1.25 mol，故选C项。
答案：(1)①无明显现象 ②爆炸 ③黄绿色逐渐变浅，有油状液滴生成 (2)C
15．如图所示，U形管的左端被水和胶塞封闭，装有甲烷和氯气(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。常温下，将封闭有甲烷和氯气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，请写出反应的化学方程式：________________________________________________________________________。
(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，U形管右端水柱的变化是________。
A．升高 B．降低
C．不变 D．无法确定
(4)若水中含有Na2SiO3，则在U形管左端会观察到的现象是________________________________________________________________________。
(5)右端玻璃管的作用是________________________________________________________________________。
解析：(1)因Cl2足量，若充分反应且只产生一种有机物，则CH4中的4个H原子可完全被取代，生成CCl4和HCl，CH4＋4Cl2CCl4＋4HCl。
(2)甲烷与氯气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，因此四步反应均发生，故得到4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，该条件下除CH3Cl外其他3种氯代物均为液体，气体压强减小，U形管右侧液面降低，左侧液面升高。
(4)因左侧生成的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。
(5)右端玻璃管的作用是平衡气压。
答案：(1)CH4＋4Cl2CCl4＋4HCl (2)D (3)B (4)有白色胶状沉淀生成 (5)平衡气压
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