高中化学-最简单的有机化合物—甲烷例题与探究解析-新人教版.doc

例题与探究（最简单的有机化合物——甲烷）典题精讲
例1在光照条件下，将等物质的量的甲烷和氯气混合充分反应后，得到产物的物质的量最多的是 ( )
A.CH3Cl B.CHCl3 C.CCl4 D.HCl
思路解析：甲烷分子里的氢原子是逐步被氯原子取代的，虽然为等物质的量的甲烷和氯气混合反应，但发生任何一步反应，即每取代1 mol氢原子都生成1 mol HCl，因此生成HCl的物质的量最多。答案：D
绿色通道：反应产物的判定要根据反应的机理或历程去分析。甲烷和氯气发生的取代反应可生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷，各种反应物以不同的比例混合，反应产物则不同。根据反应的计量关系可得出结论。
变式训练 一氯取代物的同分异构体有2种，二氯取代物的同分异构体有4种的烷烃是( )[
A.乙烷 B.丙烷 C.正丁烷 D.环丁烷
思路解析：丙烷一氯取代物的同分异构体有2种，二氯取代物的同分异构体有4种。
答案：B
例2下列叙述正确的是( )
A.分子式相同，各元素质量分数也相同的物质是同种物质
B.通式相同的不同物质一定属于同系物
C.分子式相同的不同物质一定是同分异构体
D.相对分子质量相同的不同物质一定是同分异构体
思路解析：分子式相同，结构不一定相同，所以不是同种物质；通式相同的不同物质不一定是同系物，也可能是同分异构体或是其他关系；相对分子质量相同，分子式不一定相同，如NO和C2H6等。
答案：C[绿色通道：正确理解同分异构体和同系物的概念是解答本题的关键。互为同分异构体的物质，分子式相同，而结构不相同。所谓分子式相同，必然相对分子质量相同，但相对分子质量相同，分子式不一定相同。同系物指通式相同而分子式不相同。
变式训练 在常温下，取下列四种气态烃各1 mol，分别在足量的氧气中燃烧，消耗氧气最多的是 ( )
A.CH4 B.C2H4 C.C2H6 D.C6H6
思路解析：比较一个分子中C、H耗氧量总和，即可得答案。
答案：D
例3 2001年，发生在山西等地的瓦斯爆炸事故，造成多人伤亡，因此在矿井里，必须采取安全措施，如通风、严禁烟火等，而且要随时检查瓦斯的体积分数。如果空气中含甲烷5%—15%，遇到明火就会发生爆炸。发生最强烈爆炸时空气中甲烷所占的体积分数是( ) A.5% B.9.5% C.10.5% D.15%
思路解析：爆炸极限是指可燃性气体与空气的混合物点燃能发生爆炸的浓度范围。事实上在这个浓度范围内爆炸强弱程度不同，其中有一个爆炸最强点，它所要满足的条件是：在混合气体中，可燃性气体与助燃性气体的体积比恰好是完全反应时的比值。根据反应CH4+2O2CO2+2H2O，恰好完全反应时V(CH4)∶V(O2)=1∶2，空气中氧气所占的体积比约为1/5，甲烷占混合气体的体积分数约为1/(1+10)×100%=9.5%。
答案：B
绿色通道：事故的原因都是由瓦斯爆炸引起的，小煤窑因井下通风设备差，致使甲烷聚集达到爆炸极限而酿成事故。通过对本题的学习，要充分认识到安全重于泰山，要防患于未然。并且本题的设问点很好，有助于培养理解和灵活运用知识的能力。
变式训练 我国已启动的“西气东输”工程是为了________，其中的“气”是指_____________气，其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。最适于表示分子空间构型的模型是_____________，能最真实地反映分子形状的模型是_____________。
思路解析：本题主要联系实际考查了甲烷的性质和结构。
答案：改善我国东部的能源结构 天然 CH4 正四面体 球棍模型 比例模型
例4 在同一系列中，所有同系物都具有( )
A.相同的相对分子质量 B.相同的物理性质
C.相似的化学性质 D.相同的实验式
思路解析：同系物分子组成上相差一个或若干个CH2原子团，因此，同系物的相对分子质量应相差14的整数倍，物理性质随碳原子数的增加呈现规律性的变化；同系物中碳、氢原子个数比不一定相同（若烃分子中碳、氢原子个数比为1∶2，则它的同系物中碳、氢原子个数比一定也是1∶2，若烃分子中碳、氢原子个数比不是1∶2，则它的同系物中碳、氢原子个数比就不可能是1∶2），即同系物的实验式不一定相同；对于同系物的化学性质，由于同系物的结构相似，所以同系物的化学性质相似。
答案：C
绿色通道：掌握化学概念时要注意理解概念的内涵和外延，概念的内涵是一个概念所反映的事物的本质属性的总和，也就是概念的内容，外延是指一个概念所确指的对象的范围。对概念的理解要全面，判断时要注意是“神似”而不是“形似”。
变式训练 下列各组物质① 金刚石和C60 ②H2、D2和T2 ③235U和238U ④ CH3(CH2)2CH3和(CH3)2CHCH3⑤乙烷和己烷 ⑥CH3CH2CH2CH(CH2CH3)CH3和CH3(CH2)2CH(CH3) CH2CH3中，互为同位素的是（填序号，下同）_____________，互为同素异形体的是_____________，互为同系物的是_____________，属于同一物质的是_____________。
思路解析：对概念的理解要全面，判断时要注意是“神似”而不是“形似”。
答案：235U和238U 金刚石和C60 乙烷和己烷 CH3CH2CH2CH(CH2CH3)CH3和CH3(CH2)2CH(CH3)CH2CH3
例5在标准状况下，某气态烃的密度是1.34 g·L-1。将0.1 mol该气体充分燃烧生成8.8 g CO2和5.4 g H2O，试确定该气体的分子式。
思路解析：由密度可求其摩尔质量，再由燃烧产生的CO2和H2O的质量求算出1 mol气体中含C、H元素的物质的量，求出分子式。也可以求出气体中C、H原子的物质的量之比，确定实验式，再由相对分子质量确定分子式。
方法一：气体烃的摩尔质量为1.34 g·L-1×22.4 L·mol-1=30.0 g·mol-1
0.1 mol该气态烃中含碳：8.8 g÷44 g·mol-1=0.2 mol
含氢：5.4 g÷18 g·mol-1×2=0.6 mol
则1 mol该气态烃中含有2 mol C、6 mol H，分子式为C2H6。
方法二：气态烃的摩尔质量为1.34 g·L-1×22.4 L·mol-1=30.0 g·mol-1
气态烃中n(C)∶n(H)=(8.8 g÷44 g·mol-1)∶(5.4 g÷18 g·mol-1×2)=1∶3所以实验式为CH3，其实验式式量为15.0， 30÷15.0=2，所以分子式为C2H6。
答案：C2H6
绿色通道：此类题目的基本解决方法有两种：方法一：气体密度摩尔质量1 mol烃中含C、H原子的物质的量分子式
方法二：

变式训练 某气态烃在标准状况下密度为2.59 g·L-1，其相对分子质量等于_____________，该烃含碳为82.8%，则分子中碳、氢原子个数比是_____________，分子式是_____________，可能的结构简式是__________________。
思路解析：其摩尔质量等于2.59 g·L-1×22.4 L·mol-1=58 g·mol-1,即相对分子质量为58。
答案：58 2∶5 C4H10 CH3CH2CH2CH3
例61 mol CH4与Cl2发生取代反应，待反应完全后，测得四种有机取代物的物质的量相等，则消耗Cl2的物质的量为多少？产物最多的物质是什么？_____________。
A.0.5 mol B.2 mol C.2.5 mol D.4 mol
E.CH3Cl F.CH2Cl2 G.CHCl3 H.CCl4
I.HCl
思路解析：考查知识点：氯气取代反应特点和定量关系。取代反应应是逐步进行的，每摩尔的卤素只能取代一摩尔的氢原子，每一步取代反应中都有HCl，所以每生成一摩尔CH3Cl消耗1摩尔氯气并产生1摩尔HCl，每生成1摩尔 CH2Cl2消耗2摩尔氯气并产生2摩尔HCl，每生成1摩尔CHCl3消耗3摩尔氯气并产生3摩尔HCl，每生成1摩尔CCl4消耗4摩尔氯气并产生4摩尔HCl，因此，生成物中物质的量最多的是HCl。
将1 mol CH4与Cl2发生取代反应，得到四种取代物的物质的量相等,则生成的CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各为0.25 mol，该四种取代物中n(Cl)=0.25 mol×(1+2+3+4)=2.5 mol，根据取代反应的特点知，n(HCl)=2.5 mol，故生成物中含氯原子的物质的量为5 mol，则n(Cl2)=2.5 mol。
答案：C和 I
绿色通道：CH4与Cl2的取代反应有以下特点：①产物为CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4、HCl的混合物；②烃中有几摩尔H原子，则最多能跟与氢原子物质的量相同的Cl2发生取代反应。
变式训练 如右图所示，一端封闭的U形管，封闭着的一端有一段CH4和Cl2的混合气体，在水平部分有一段气柱，其他两端为液柱，已知液体与气体不反应，使甲烷和氯气在稍暗的光线下缓慢反应，则中间气柱的长度如何变化（设中间气体未移出U形管的水平部分）(

A.变大 B.变小 C.不变 D.难以确定
思路解析：CH4与Cl2的取代反应有以下特点：①产物为CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4、HCl的混合物；②烃中有几摩尔H原子，则最多能跟与氢原子物质的量相同的Cl2发生取代反应。因CH2Cl2、CHCl3、CCl4为液体，即反应后气体体积变小，中间气柱所受压强变小，因此，体积变大。
答案：A
问题探究
问题1若甲烷与氯气以物质的量之比1∶3混合，在光照下得到的产物是什么？
导思：该问题主要考查对甲烷取代反应的理解，甲烷发生取代反应时，甲烷分子中的四个氢原子可被氯原子逐一替代，生成四种不同产物，这是指针对某一个甲烷分子而言，并不是所有的甲烷分子都被一个氯原子取代后才能被第二个氯原子取代。
不少同学认为化学反应是完全的、不可逆的，对化学反应的复杂性认识不足。其实化学反应，特别是有机化学反应，往往是不完全的，而且会伴随副反应的发生，这是因为有机物分子中共价键的种类和数目比无机物中要多，化学反应的实质是化学键的断裂与形成，不同位置的化学键断裂导致了有机化学反应的复杂性。
探究:甲烷和氯气在光照下，会发生四步取代反应，而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，即使甲烷和氯气的物质的量之比是1∶1的情况，也不会仅生成CH3Cl，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，直到分子中的氢原子都被取代完，因此其产物不是纯净的CH3Cl。题设甲烷与氯气以物质的量之比1∶3混合，则四步取代反应都可能发生，得到的产物是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4的混合物。
问题2如何通过实验证明甲烷中含碳和氢两种元素？导思：考查确定有机物所含元素的种类，常用的方法有利用燃烧并检验其燃烧产物的方法来证明，但不能确定是否含有氧元素。另外还有其他的一些方法，在后面的学习中需要不断积累。
探究:点燃纯净的甲烷气体，将一个干燥、洁净的小烧杯倒扣在火焰上方约半分钟，停止通入甲烷气体，将烧杯正置于石棉网上稍冷，观察烧杯内壁上的现象，若烧杯内壁有水膜出现，说明甲烷气体中含有氢元素；然后将烧杯迅速倒转过来，向烧杯里注入少量的澄清石灰水，轻轻振荡烧杯，观察烧杯内液体的现象，若石灰水变为白色浑浊状态，说明甲烷气体燃烧生成了二氧化碳气体，甲烷中含有碳元素。