第一节 最简单的有机化合物——甲烷
第1课时 甲烷的性质
[学习目标定位]1.会写甲烷的分子式、结构式、电子式，知道甲烷的结构特点。2.知道甲烷能发生氧化反应和取代反应，会写化学方程式。3.知道取代反应的概念和甲烷发生取代反应时的断键和成键情况。
一 甲烷的存在、用途及结构
1．甲烷的存在与用途 (1)甲烷的存在
甲烷是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分。我国的天然气主要分布在中西部地区及海底。 (2)甲烷的主要用途
甲烷易燃烧，完全燃烧生成CO2、H2O并放出大量的热量，因此甲烷可用作燃料。天然气和沼气都是理想的清洁能源。甲烷还可用作化工原料。 2．甲烷的组成与结构
分子式 电子式 结构式 空间构型 甲烷的分子模型 正四面体结构，C原子位于正CH4 四面体中心，H原子位于四个顶点上 归纳总结 1．结构式：用短线来表示一对共用电子的图式叫做结构式。
2．一个碳原子以4个单键与其他原子相结合时，无论这4个原子是否相同，都分别在四面体的顶点上，但不一定为正四面体，也不可能在同一平面上，并且最多有3个原子共面。
1．以下关于甲烷的说法中错误的是() A．甲烷分子是由极性键构成的分子 B．甲烷分子具有正四面体结构
C．甲烷分子中四个C—H键是完全等价的键 D．甲烷分子中具有非极性键 答案 D
2．下列各图均能表示甲烷的分子结构，其中更能反映其真实存在状况的是()
答案 D
解析 在这几种形式中，分子结构示意图、球棍模型及比例模型均能反映甲烷分子的空间构型，但比例模型更能形象的表达出H、C的位置及所占比例；电子式只反映原子的最外层电子的成键情况。
二 甲烷的性质
1．甲烷的物理性质
甲烷是一种无色、无味、极难溶于水、密度比空气小的气体。 2．甲烷的化学性质 (1)甲烷的氧化反应
将甲烷在空气中点燃观察现象： 燃烧现象 检验产物 方法 在火焰上方罩一个干淡蓝色火焰 燥的烧杯 在火焰上方罩一个涂有澄清石灰水的烧杯 ①甲烷燃烧的化学方程式为CH4＋2O2――→CO2＋2H2O。
甲烷是优良的气体燃料，通常状况下，1 mol甲烷在空气中完全燃烧，生成二氧化碳和水，放出890 kJ热量。因此以甲烷为主要成分的天然气、沼气是理想的清洁能源。
特别提醒 点燃甲烷前必须检验纯度。空气中的甲烷含量在5%～15.4%(体积)范围内时，遇火花将发生爆炸；煤矿中的瓦斯爆炸多数是甲烷气体爆炸引发的。 ②将CH4通入酸性KMnO4溶液中，观察现象，试解释其原因。 答案 现象：酸性KMnO4溶液的颜色不发生变化；
原因：CH4分子为正四面体结构，结构对称，通常情况下化学性质比较稳定。 (2)甲烷的取代反应
按要求完成下列实验，并填写下表：
点燃
现象 烧杯内壁有水珠产生 结论 生成了水 烧杯内壁变浑浊 生成了二氧化碳 实验操作 A装置：①试管内气体颜色逐渐变浅，②试管内壁有油状液滴出现，实验现象 ③试管中有少量白雾生成，④试管内液面上升，⑤水槽中有固体析出；B装置：无明显现象 实验结论 ①上述实验A中发生反应的化学方程式为
CH4与Cl2在光照时才能发生化学反应 CH4＋Cl2――→CH3Cl＋HCl； CH3Cl＋Cl2――→CH2Cl2＋HCl； CH2Cl2＋Cl2――→CHCl3＋HCl； CHCl3＋Cl2――→CCl4＋HCl。
②取代反应是指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。CH4和Cl2反应的四种取代产物都不溶于水，除一氯甲烷常温下是气体外，其他三种都是油状液体。 ③问题讨论
a．若把甲烷分子中的一个氢原子换成氯原子变成一氯甲烷，还是正四面体结构吗？ 答案 因C—H键与C—Cl键的长度不同，故CH3Cl是四面体结构，但不是正四面体结构。 b．CH4与Cl2发生取代反应时，有机取代产物的总物质的量与CH4的物质的量有何关系？ 答案 根据碳元素守恒，四种有机取代产物的总物质的量等于反应物CH4的物质的量。 c．CH3Cl、CCl4只有一种结构，能说明CH4分子是以碳原子为中心的正四面体结构而不是正方形的平面结构吗？
答案 不能。因为不论CH4分子是以碳原子为中心的正四面体结构，还是正方形的平面结构，CH3Cl、CCl4均只有一种结构。 归纳总结
光光光
光
3．下列叙述中错误的是() A．点燃甲烷前不必进行验纯
B．甲烷燃烧放出大量的热，所以是一种很好的气体燃料 C．煤矿的矿井要注意通风并严禁烟火，以防爆炸事故的发生 D．点燃甲烷不一定会爆炸 答案 A
解析 甲烷与氧气混合达到一定比例范围时，点燃会发生爆炸，因此，甲烷点燃前要进行验纯。
4．将1 mol甲烷和适量的Cl2混合后光照，充分反应后生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4四种有机产物的物质的量依次增大0.1 mol，则参加反应的Cl2的物质的量为()
A．1.5 mol B．3 mol C．4.5 mol D．6 mol 答案 B
解析 解答此题宜用原子守恒法。CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4中的碳原子都是从CH4中来的，故这四种取代物共1 mol，设CH3Cl物质的量为x，则x＋(x＋0.1 mol)＋(x＋0.2 mol)＋(x＋0.3 mol)＝1 mol，得x＝0.1 mol，即CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4四种有机产物的物质的量依次为0.1 mol、0.2 mol、0.3 mol、0.4 mol，含Cl原子的物质的量共为0.1 mol×1＋0.2 mol×2＋0.3 mol×3＋0.4 mol×4＝3 mol，而一个Cl2分子中只有一个Cl原子参加取代反应，因此消耗的Cl2也为3 mol。
1．把1 mol甲烷和4 mol 氯气组成的混合气体充入到大试管中，将此试管倒立在盛有饱和食盐水的水槽里，放在光亮处，一段时间后，推测可能观察到的现象是()
①黄绿色逐渐消失 ②试管壁上有油珠 ③试管内水面上升 ④水槽内有少量晶体析出 A．只有①③B．只有①②③ C．只有①③④D．①②③④ 答案 D
解析 氯气被消耗后，黄绿色消失；生成的CH2Cl2、CHCl3、CCl4均为油状液体，又因为氯气被消耗，气体的体积减小，试管内水面上升。生成的HCl溶于水降低了NaCl的溶解度，有NaCl析出。
2．已知正四面体形分子E和直线形分子 G 反应，生成四面体形分子 L 和直线形分子 M(组成 E 分子的元素原子序数小于10，组成 G 分子的元素为第三周期的元素)。如下图所示，则下列判断中正确的是()