高中化学 第3章 第1节 最简单的有机化合物-甲烷（第1课时）学案 新人教版必修21

最简单的有机化合物-甲烷（第1课时）【学习目标】1.了解有机化合物的概念。2.掌握甲烷的分子结构,了解甲烷的物理性质及存在、用途。3掌握甲烷的化学性质，认识取代反应的特点。【学习过程】有机化合物与人类的生活有密切的关系，在衣、食、住、行、医疗、能源、材料、科学技术及工农业生产等领域中都起着重要作用，迄令为止已经超过2000万种。有机物不仅数量很多，而且分布极广。例如常见燃料汽油、煤油、柴油；建材中的木材、黏合剂、涂料、油漆；日用品中的塑料、橡胶、纤维、清洁剂；食物中的糖类、油脂、蛋白质等都是有机化合物。1.有机化合物和烃（1）有机化合物：绝大多数含碳的化合物都是有机化合物。有机物与无机物的主要区别如下：性质有机物无机物溶解性多数不溶于水，易溶于有机溶剂部分溶于水而不溶于有机溶剂耐热性多数不耐热，熔点较低，一般在400以下多数耐热，难熔化，熔点一般比较高可燃性多数可以燃烧多数不能燃烧电离性多数是非电解质多数是电解质化学反应一般比较复杂，副反应多，反应速率慢一般比较简单，副反应少，反应速率较快温馨提示：因二氧化碳、一氧化碳、碳酸盐及碳酸氢盐等具有无机化合物的性质，除二氧化碳、一氧化碳、碳酸盐及碳酸氢盐外，绝大多数含碳的化合物都是有机化合物。有机物和含碳化合物的正确关系是：有机物一定含碳元素，但含碳元素的物质不一定是有机物。（2）烃：仅含碳和氢两种元素的有机物称为烃。人们熟悉的甲烷就是最简单的烃，也是最简单的有机物。2.甲烷的物理性质：甲烷存在于天然气田、煤矿坑道、池沼等，甲烷是一种无色、无味的气体，密度比空气小，极难溶于水。3.甲烷的结构：因为碳原子有四个价电子，欲形成八个电子的稳定结构，需要形成四对共用电子对才能达到八个电子的稳定结构；氢原子核外有一个电子，欲形成两个电子的稳定结构，需要形成一对共用电子对才能达到两个电子的稳定结构。所以甲烷的化学式为：CH4。经过科学实验证明甲烷分子的结构是对称的正四面体结构，碳原子位于正四面体的中心，4个氢原子分别位于正四面体的4个顶点上，四个CH键强度相同。电子式： 结构式： 比例模型： 球棍模型：在甲烷分子里，虽然CH键都是极性键，但CH4分子是一种高度对称的正四面体结构，四个CH键的极性相互抵消，整个分子没有极性，所以甲烷是非极性分子。4.甲烷的化学性质：通常情况下，甲烷稳定，如与强酸、强碱和强氧化剂等一般不发生化学反应。但任何物质的稳定性都是相对的，而它的变化是绝对的，内因是变化的根据，外因是变化的条件，一旦外部条件发生变化，甲烷也能发生反应比如在特定条件下甲烷能与某些物质发生化学反应，如可以燃烧和发生取代反应等。(1)氧化反应：甲烷在空气中燃烧发出淡蓝色火焰，同时放出大量的热，化学方程式为CH4(g)2O2(g) CO2(g)2H2O(l)。温馨提示：点燃甲烷前应该验纯，燃烧产物是二氧化碳和水，可以通过将干燥烧杯罩在甲烷的火焰上，之后倒转烧杯迅速倒入澄清石灰水来检验。甲烷是一种很好的气体燃料。但是必须注意，如点燃甲烷跟氧气或空气的混合物，会立即发生爆炸。在煤矿的矿井里，如果空气中甲烷的含量达到一定比例时，遇到火花就会发生爆炸，所以必须采取安全措施，如严禁烟火、注意通风等，以防止爆炸事故发生。通常情况下，甲烷很稳定，不能使KMnO4溶液和溴水褪色。即不能与强氧化剂反应，而且也不能与强酸或强碱反应。(2)取代反应：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代替的反应叫取代反应。实验探究： 实验现象：原理探究：光是反应发生的主要原因；黄绿色逐渐褪去，瓶壁出现油状液滴，说明产生了不溶于水的物质；瓶口有白雾，使试纸变红，推断有氯化氢生成。化学反应过程：在反应中CH4分子里的一个H原子被氯气分子里的1个氯原子所代替，但是反应并没有停止，生成的一氯甲烷仍继续跟氯气作用，依次生成二氯甲烷、三氯甲烷(氯仿)、和四氯甲烷。在这些反应里甲烷分子中的H原子逐步被Cl原子所代替生成了四种取代物，像这种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代替的反应叫取代反应。取代反应是烷烃的特征反应，但反应物必须是纯卤素，条件也较特别。 CH4Cl2CH3ClHCl（CH3Cl，一氯甲烷，无色易液化的气体，有乙醚的气味和甜味，无腐蚀性。主要用作致冷剂、在医药上作麻醉剂）CH3ClCl2CH2Cl2HCl（CH2Cl2，二氯甲烷，无色透明、有刺激芳香气味、易挥发的液体。吸入有毒！脂肪和油的萃取剂、牙科局部麻醉剂、冷冻剂和灭火剂）CH2Cl2Cl2CHCl3HCl（CHCl3，三氯甲烷、氯仿。无色透明易挥发液体，稍有甜味。有机溶剂。在医药上用作麻醉剂、防腐剂）CHCl3Cl2CCl4HCl（CCl4，四氯甲烷、四氯化碳。无色液体，有愉快的气味，有毒！用作溶剂、有机物的氯化剂、香料的浸出剂、纤维的脱脂剂、灭火剂、分析试剂，并用于制氯仿和药物等）取代反应与置换反应的比较：取代反应置换反应可与化合物发生取代，生成物中不一定有单质反应物、生成物中一定有单质反应能否顺利进行受催化剂、温度、光照等外界条件的影响较大。在水溶液中进行的置换反应遵循金属或非金属活动性顺序分步取代，很多反应是可逆的反应一般是单向进行。【归纳总结】（1）CH4与Cl2的四个反应同时进行，五种产物同时存在，1 mol H被取代需要1 mol 氯气；（2）反应条件：光照(在室温暗处不发生反应，但不能用强光直接照射，否则会发生爆炸)反应物：纯卤素；（3）由于CH4是正四面体结构，C到H的距离相同，CH键相同，说明四个H等效。氯取代等效H中的任意一个几率相同，无顺序可言。CH2Cl2无同份异构体(立体异构)可从实验事实角度证明，CH4是正四面体结构；（4）烃中的H原子被卤素所取代的产物叫卤代烃，用RX表示，是一种烃的衍生物；（5）书写方程式时不用等号，用箭头，不用分子式用结构式或结构简式。【当堂检测】1. 下列叙述中正确的是()A甲烷分子中碳、氢原子间是离子键 B甲烷分子的空间结构是正方体C甲烷的结构式为CH4 D甲烷的取代产物CCl4分子中4个碳氯键完全相同2.下列有关甲烷性质的叙述中正确的是()A甲烷是一种无色、有臭味的气体 B甲烷易溶于水C甲烷与高锰酸钾等强氧化剂不反应 D甲烷是一种混合物3.下列各图均能表示甲烷的分子结构，哪一种更能反映其真实存在状况() AB C D4. 下图是CH4、CCl4、CH3Cl的分子球棍模型图。下列说法正确的是()ACH4、CCl4和CH3Cl都是正四面体结构 BCH4、CCl4都是正四面体结构CCH4和CCl4中的化学键完全相同 DCH4、CCl4的结构相同，性质也相同5. 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，针管用日光照射一段时间。 (1)下列是某同学预测的实验现象：气体最终变为无色；实验过程中，甲管活塞向内移动；甲管内壁有油珠；产生火花。其中正确的是_。(2)甲管中发生的化学反应类型为_。(3)反应后，甲管中剩余气体能用下列试剂吸收的是_。A水B氢氧化钠溶液 C硝酸银溶液 D饱和食盐水(4)反应后，若将甲管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_。(5)如果甲烷分子是平面形，则CH2Cl2应该有_种结构，实际CH2Cl2有_种结构，证明甲烷不是平面形，而是_结构，下列图示_更能反映其真实存在状况。 题号答案解析1D非金属元素之间形成共价键，甲烷分子中碳、氢原子间是共价键，A错误；甲烷分子的空间结构是正四面体，而不是正方体，B错误；甲烷的结构式为，CH4为其分子式，C错误；CCl4分子同CH4结构相似，4个碳氯键完全相同，D正确2C甲烷是一种无色、无味的气体，难溶于水，属于纯净物，A、B、D错误；甲烷性质稳定，与高锰酸钾等强氧化剂不反应，C正确3D 这几种形式都可表示甲烷这种物质，其中分子结构示意图、球棍模型及比例模型均能反映甲烷分子的空间构型，但其中比例模型更能形象地表达出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4BCH4、CCl4中各自的键的长度、键的强度相等，故为正四面体结构；CH3Cl中含CH和CCl两种不同的化学键，不是正四面体结构5(1)(2)取代反应(3)B(4)液体分为两层，产生白色沉淀溶液变红(5)21正四面体D在光照下，甲烷与氯气发生连锁反应：CH4Cl2CH3ClHCl，CH3ClCl2CH2Cl2HCl，CH2Cl2Cl2CHCl3HCl，CHCl3Cl2CCl4HCl。(1)理论上，甲烷与氯气体积比为14时二者恰好完全反应，而该针管里氯气与甲烷体积比为5141，说明氯气过量，最终气体中仍有氯气。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4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，若加入几滴石蕊，溶液会变红。(5)甲烷的结构式为，其分子空间构型若为平面正方形结构，则二氯甲烷有2种结构：、；实际上甲烷为正四面体结构，所以二氯甲烷只有1种结构