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第1课时 天然气的利用 甲烷
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知识点一：甲烷的结构和性质
1．下列叙述错误的是( )
A．甲烷化学性质比较稳定，不能被任何氧化剂氧化
B．在通常情况下，甲烷跟强酸、强碱、强氧化剂都不反应
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．甲烷的四种有机取代物都不溶于水
解析：甲烷化学性质比较稳定，但能在氧气中燃烧，故A错误；甲烷化学性质比较稳定，常温下，甲烷跟强酸、强碱、强氧化剂都不反应，故B正确；甲烷跟氯气在光照条件下，发生取代反应可生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4，故C正确；CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4均不溶于水，故D正确。答案为A。
答案：A
2．天然气是一种很重要的清洁能源，其主要成分为CH4，下列说法正确的是( )
A．常温常压下CH4是液体
B．一氯甲烷分子式为CH4Cl
C．CH4与Cl2可以发生加成反应
D．CH4完全燃烧生成CO2和H2O
解析：甲烷常温下为气体，故A错误；一氯甲烷中含有1个C,3个H,1个Cl，分子式为CH3Cl，故B错误；甲烷与Cl2可以发生取代反应，故C错误；甲烷中含有碳氢两种元素，完全燃烧生成二氧化碳和水，故D正确。故选D。
答案：D
3．下列有关甲烷的说法正确的是( )
A．易溶于水
B．是最简单的有机化合物
C．与氯气发生加成反应
D．与乙烷互为同分异构体
解析：甲烷难溶于水，故A错误；甲烷是最简单的有机化合物，故B正确；在光照条件下，甲烷与氯气发生取代反应，故C错误；甲烷与乙烷互为同系物，故D错误。答案为B。
答案：B
4．下列关于甲烷的说法正确的是( )
A．实验室可用向上排空气法收集甲烷
B．甲烷点燃之前需要验纯
C．甲烷可以与溴水发生取代反应
D．甲烷在空气中燃烧只可能生成CO2和H2O
解析：甲烷的密度小于空气，实验室可用向下排空气法收集甲烷，A错误；甲烷是可燃性气体，甲烷点燃之前需要验纯，B正确；甲烷与溴水不反应，C错误；甲烷在空气中如果燃烧不完全，可能生成CO和H2O，D错误。答案选B。
答案：B
5．在光照条件下，将2 mol CH4与足量的Cl2反应，得到等物质的量的四种取代物，则消耗Cl2物质的量为( )
A．4 mol B．5 mol
C．8 mol D．10 mol
解析：反应完全后，得四种有机物物质的量相等，根据碳原子守恒知，CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4的物质的量都是0.5 mol，CH4与Cl2发生取代反应：1个氯原子替换出1个氢原子，另一个氯原子则与氢原子结合生成HCl，可得关系式Cl2～CH3Cl,2Cl2～CH2Cl2,3Cl2～CHCl3,4Cl2～CCl4，生成0.5 mol CH3Cl需要Cl2的物质的量为0.5 mol，生成0.5 mol CH2Cl2需要Cl2的物质的量为0.5 mol×2＝1 mol，生成0.5 mol CHCl3需要Cl2的物质的量为0.5 mol×3＝1.5 mol，生成0.5 mol CCl4需要Cl2的物质的量为0.5 mol×4＝2 mol，所以总共消耗的氯气的物质的量n(Cl2)＝5 mol。答案选B。
答案：B
6．在光照的条件下，将1 mol甲烷与一定量的氯气充分混合，经过一段时间，甲烷和氯气均无剩余，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳和氯化氢。
(1)若已知生成的二氯甲烷，三氯甲烷，四氯化碳的物质的量分别为a mol、b mol、c mol，生成的混合物经水洗后所得气体在标准状况下的体积为________。
(2)该反应中消耗的氯气的物质的量是________。
(3)下列叙述中，能证明甲烷分子是以碳原子为中心的正四面体结构而非平面正方形结构的________。
A．CH3Cl不存在同分异构体
B．CH2Cl2不存在同分异构体
C．CHCl3不存在同分异构体
D．CH4不存在同分异构体
解析：(1)甲烷与一定量的氯气充分混合，生成的混合物经水洗后所得气体是一氯甲烷，根据元素守恒计算体积。(2)烷烃分子中几个氢原子被代替就消耗几个氯分子。(3)如果甲烷是平面正方形的结构，则CH2Cl2有两种结构：相邻或者对角线上的氢被Cl取代，而实际上，其二氯取代物只有一种结构。
答案：(1)22.4(1－a－b－c)L (2)(1＋a＋2b＋3c)mol (3)B
知识点二：烷烃和同系物
7．下列有关烷烃的叙述中，不正确的是( )
A．在烷烃分子中，所有的化学键都是单键
B．烷烃在光照条件下能与Cl2发生取代反应
C．烷烃的分子通式为CnH2n＋2，符合该通式的烃不一定是烷烃
D．随着碳原子数的增加，烷烃的熔、沸点逐渐升高
解析：烷烃中的碳碳键、碳氢键均为单键，A正确；烷烃都能与Cl2在光照条件下发生取代反应，B正确；分子通式CnH2n＋2中的氢原子已达到饱和，故符合CnH2n＋2的有机物只能是烷烃，C错；随着碳原子数的增加，烷烃的分子间作用力增大，使其熔、沸点逐渐升高，D正确。
答案：C
8．如图中的小球代表碳原子，棍代表碳碳单键，每个碳原子的剩余价键全部跟氢原子结合，则两分子的关系为( )
A．同系物 B．同分异构体
C．同位素 D．同素异形体
解析：由图示可知，二者的分子式均为C4H10，但结构不同，故互为同分异构体；而同系物的分子式必然不同，同位素的研究对象是核素，同素异形体的研究对象为单质。
答案：B
9．下列各图均能表示甲烷的分子结构，按要求回答下列问题。
(1)甲烷的球棍模型是________，甲烷的电子式是________(填序号)。
(2)写出甲烷与氯气发生反应的化学方程式________________________________(只写第一步)，该反应的反应类型是________。
(3)相对分子质量为72的烷烃的分子式是________。
(4)甲烷与丙烷互为( )
A．同位素 B．同素异形体
C．同系物 D．同分异构体
解析：(1)A为甲烷分子结构示意图，B为电子式，C为球棍模型，D为分子比例模型。
(2)甲烷与氯气光照下发生取代反应生成一氯甲烷和HCl，反应为CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl。
(3)根据商余法，72÷12＝5余12，因此相对分子质量为72的烷烃的分子式为C5H12。
(4)甲烷与丙烷满足烷烃的通式，结构相似，属于同系物，故选C。
答案：(1)C B (2)CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl 取代反应 (3)C5H12 (4)C
10．如图是几种烷烃的球棍模型，试回答下列问题：
(1)A、B、C三者的关系是________。
(2)A的分子式为________，C的名称为________。
(3)写出C的同分异构体的结构简式________。
(4)若1 mol B气体完全燃烧，生成CO2气体和液态水，放出2 217.8 kJ热量，则其燃烧的热化学方程式为________________________________。
解析：据球棍模型知结构简式分别为A.CH3CH3，B.CH3CH2CH3，C.CH3CH2CH2CH3，名称分别为乙烷、丙烷、丁烷，它们分子组成上依次相差一个“CH2”，互为同系物。
答案：(1)同系物
(2)C2H6 丁烷
(4)C3H8(g)＋5O2(g)―→3CO2(g)＋4H2O(l)
ΔH＝－2 217.8 kJ·mol－1
能力提升·速达标
1．燃烧0.2 mol某有机物，得到0.4 mol CO2和0.6 mol H2O，由此可得出的结论是( )
A．该有机物只含有2个碳原子和6个氢原子
B．该有机物中含有2个CO2和3个H2O
C．该有机物中碳元素和氢元素的质量比为1∶3
D．该有机物1个分子里含有2个碳原子和6个氢原子，还可能有氧原子
解析：由题干信息知，1 mol该有机物中含碳原子2 mol，氢原子6 mol，因为该有机物不一定是烃，故而不能确定是否含氧原子，A错，D正确；该有机物中不可能含CO2和H2O分子，B错；该有机物中m(C)∶m(H)＝24∶6＝4∶1，C错。
答案：D
2．一定量CH4恰好与一定量的O2完全反应得CO2、CO、H2O(g)，产物总质量为49.6 g，将其通过足量的浓H2SO4后，洗气瓶增重25.2 g，则CH4完全燃烧还需O2的体积(标准状况)为( )
A．8.96 L B．2.24 L
C．4.48 L D．6.72 L
解析：浓硫酸洗去的为水，故水的质量为25.2 g，根据氢原子守恒，水的物质的量为1.4 mol，所以得到甲烷为0.7 mol，则一氧化碳和二氧化碳的物质的量的和是0.7 mol，再根据两者的总质量是49.6 g－25.2 g＝24.4 g，减去碳的质量，就求出与碳结合的氧的质量，同理可以求出与氢结合的氧的质量，利用氧原子守恒就可以求出不完全燃烧需氧气的物质的量为1.2 mol。完全燃烧0.7 mol CH4需1.4 mol O2，故CH4完全燃烧还需O2的体积为(1.4 mol－1.2 mol)×22.4 L·mol－1＝4.48 L。
答案：C
3．已知某种气态矿物燃料含有碳和氢两种元素。为了测定这种燃料中碳和氢两种元素的质量，可将气态燃料通入足量的氧气中燃烧，并使产生的气体全部通入如图所示的装置，得到如下表所列的实验数据(假设产生的气体完全被吸收)。
实验前
实验后
(干燥剂＋U形管)的质量/g
101.1
102.9
(石灰水＋广口瓶)的质量/g
312.0
314.2
根据实验数据回答：
(1)实验完毕后，生成物中水的质量为________g，假设广口瓶里只生成一种正盐，其质量为________g。
(2)生成的水中氢元素的质量为________g。
(3)生成的CO2中碳元素的质量为________g。
(4)气态矿物燃料中碳元素与氢元素的质量比为________。
解析：(1)干燥管吸水的质量m(H2O)＝102.9 g－101.1 g＝1.8 g，广口瓶吸收CO2的质量m(CO2)＝314.2 g－312.0 g＝2.2 g，生成正盐CaCO3的化学方程式为Ca(OH)2＋CO2===CaCO3↓＋H2O，m(CaCO3)＝n(CaCO3)×100 g·mol－1＝n(CO2)×100 g·mol－1＝×100 g·mol－1＝5 g。
(2)n(H)＝2n(H2O)，
m(H)＝2n(H2O)×1 g·mol－1＝2××1 g·mol－1＝0.2 g。
(3)m(C)＝×12 g·mol－1＝0.6 g。
(4)m(C)∶m(H)＝0.6 g∶0.2 g＝3∶1。
答案：(1)1.8 5 (2)0.2 (3)0.6 (4)3∶1
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