高一化学人教版创新作业3.1 最简单的有机化合物——甲烷（含答案与解析）

第三章
有机化合物
知识归纳
一、甲烷
1．分子组成与结构
（1）分子式：CH4
（2）电子式：
（3）结构式：
（4）空间构型：
甲烷空间结构的描述：甲烷是空间正四面体结构，碳原子位于正四面体的中心，顶点都是氢原子。
物理性质：
甲烷是无色、无臭的气体，比空气轻，极难溶于水，但溶于CCl4。一般情况下，性质很稳定，跟强酸、强碱或强氧化剂等不反应。
3．化学性质：
（1）氧化反应：CH4+2O2CO2+2H2O
（2）取代反应：
CH4+Cl2CH3Cl+HCl
(CH3Cl一氯甲烷，不溶于水的气体)；
CH3Cl+Cl2CH2Cl2+HCl
(CH2Cl2二氯甲烷，不溶于水)；
CH2Cl2+Cl2
CHCl3+HCl
(CHCl3三氯甲烷，俗名氯仿，不溶于水，有机溶剂)；
CHCl3+Cl2
CCl4+HCl
(CCl4四氯甲烷，又叫四氯化碳，不溶于水，有机溶剂)。
（1）反应条件和反应物
反应条件为光照，反应物为卤素单质。例如甲烷与氯水、溴水不反应，但可以与氯气，溴蒸气发生取代反应。
（2）反应产物
虽然反应物的比例、反应的时间长短等因素会造成各种产物的比例不同，反应的产物都是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4四种有机物与氯化氢形成的混合物。
（3）物质的量的关系
CH4与Cl2发生取代反应时，每1
mol
H原子被取代，消耗1
mol
Cl2分子，同时生成1
mol的HCl分子。
（4）注意：
①有机反应比较复杂，常伴随很多副反应发生，因此有机反应方程式常用“→”。
②CH4与Cl2的反应逐步进行，应分步书写。
③当n(CH4)∶n(Cl2)＝1∶1时，反应并不只发生CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl，其他反应仍发生。
二、烷烃
1．定义：碳原子跟碳原子都以单键结合成链状，碳原子剩余的价键全部跟氢原子相结合。这样的结合使得每个碳原子的化合价都已充分利用，都已达到“饱和”，这种结合的链烃叫做饱和链烃，或称烷烃。
2．通式：CnH2n+2（n≥1）
3．物理性质：
名称
结构简式
常温时的状态
熔点/℃
沸点/℃
相对密度
甲烷
CH4
气
－182
－164
0.466
乙烷
CH3CH3
气
－183.3
－88.6
0.572
丙烷
CH3CH2CH3
气
－189.7
－42.1
0.5853
丁烷
CH3(CH2)2CH3
气
－138.4
－0.5
0.5788
戊烷
CH3(CH2)3CH3
液
－130
36.1
0.6262
癸烷
CH3(CH2)8CH3
液
－29.7
174.1
0.7300
十六烷
CH3(CH2)14CH3
液
18.2
287
0.7733
十七烷
CH3(CH2)15CH3
固
22
301.8
0.7780
（1）状态：一般情况下，1~4个碳原子烷烃为气态，5~16个碳原子为液态，16个碳原子以上为固态。
（2）溶解性：烷烃不溶于水，易溶于有机溶剂。
（3）熔沸点：随着碳原子数的递增，熔沸点逐渐升高。
（4）密度：随着碳原子数的递增，密度逐渐增加。
4．化学性质
（1）氧化反应：CnH2n+2＋
O2
nCO2＋
(n＋1)H2O。
（2）取代反应：在光照条件下能跟卤素发生取代反应。
CH3CH3＋Cl2CH3CH2Cl＋HCl
（3）分解反应：在高温下，烷烃能分解成小分子。
5．烃基：烃分子失去一个或几个氢原子后剩余部分。用“R-”来表示。
6．烷基通式：-CnH2n+1（n≥1）
甲基：－CH3
亚甲基：－CH2
－
次甲基：－CH
－
乙基：－CH2CH3
丙基：－CH2CH2CH3
7．同分异构现象和同分异构体
（1）同分异构现象：化合物具有相同的分子式，但具有不同结构的现象。
（2）同分异构体：具有同分异构现象的化合物互称为同分异构体。
8．烷烃的命名――系统命名法
（1）选定分子中最长的碳链为主链，并按主链上碳原子的数目称为“某烷”。
（2）把主链中离支链最近的一端为起点，用阿拉伯数字给主链上的各个碳原子依次编号
定位，以确定支链的位置。
（3）把支链作为取代基，把取代基名称写在烷烃名称的前面，在取代基的前面用阿拉伯数字注明它在烷烃直链上所处的位置，并在数字与取代基名称之间用一短线隔开。
素养整合
一、单选题：
1．下列数值都是烃的相对分子质量值，其对应的烃一定为烷烃的是
(　　)
A．44
B．42
C．54
D．128
2．在常温和光照条件下，可与甲烷发生反应的是
(　　)
A．氧气
B．氯气
C．酸性高锰酸钾溶液
D．浓硫酸
3．下列物质分子中，属于正四面体结构的是
(　　)
A．CCl4
B．CHCl3
C．CH2Cl2
D．CH3Cl
4．某有机物在氧气中充分燃烧，生成的水蒸气和二氧化碳的物质的量之比为1∶1，由此可以得出的结论是
(　　)
A．该有机物分子中C、H、O的原子个数比为1∶2∶3
B．该有机物分子中C、H的原子个数比为2∶1
C．该有机物中必定含有氧元素
D．无法判断该有机物中是否含有氧元素
5．下列属于烷烃特有性质的是
(　　)
A．在空气中完全燃烧的产物为二氧化碳和水
B．它们几乎不溶于水
C．可与氯气在光照下发生取代反应
D．可与溴水中的溴发生取代反应；可使酸性高锰酸钾溶液褪色
6．下列气体既可以用碱石灰干燥又可以用浓硫酸干燥的是
(　　)
A．Cl2
B．CH4
C．NH3
D．SO2
7．下列物质在一定条件下可与乙烷发生化学反应的是
(　　)
A．氯气
B．溴水
C．氯水
D．酸性高锰酸钾溶液
8．对的叙述正确的是
(　　)
A．有两种结构
B．只有一种结构
C．含有非极性键
D．有四种结构
9．在常温下，把一个盛有一定量甲烷和氯气的密闭玻璃容器放在光亮的地方，两种气体发生反应，下列叙述中不正确的是
(　　)
A．容器内原子总数不变
B．容器内分子总数不变
C．容器内压强不变
D．发生的反应属于取代反应
10．下列反应中，属于取代反应的是
(　　)
A．CH4C＋2H2
B．2HI＋Cl2===2HCl＋I2
C．CH4＋2O2CO2＋2H2O
D．C2H6＋Cl2C2H5Cl＋HCl
11．一定量的甲烷在O2不足的情况下燃烧，得到CO、CO2和H2O的总质量为14.4
g，若其中水的质量为7.2
g，则CO的质量是
(　　)
A．2.8
g
B．4.4
g
C．5.6
g
D．在2.8
g～5.6
g之间
12．下列烷烃，常温下呈气态的是
(　　)
A．戊烷
B．丁烷
C．庚烷
D．十二烷
13．下列关于同系物的说法中，错误的是
(　　)
A．同系物具有相同的最简式
B．同系物能符合同一通式
C．同系物中，相邻的同系物彼此在组成上相差一个CH2原子团
D．同系物的化学性质基本相似，物理性质随碳原子数增加而呈规律性变化
14．有A、B两种烃，含碳的质量分数相等。关于A和B的下列叙述正确的是
(　　)
A．A和B一定是同分异构体
B．A和B不可能是同系物
C．A和B的最简式相同
D．A和B各1
mol完全燃烧后生成CO2的质量一定相等
15．下列物质在一定条件下可与乙烷发生化学反应的是
(　　)
A．氯气
B．溴水
C．氯水
D．酸性高锰酸钾溶液
16．在常温、常压下，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．C3H8
C．C4H10
D．C2H6
17．在下列5种物质沸点的排列顺序中，正确的是
(　　)
①正丁烷　②2 甲基丙烷(CH3CH(CH3)CH3)　③戊烷　④2 甲基丁烷　⑤2，2 二甲基丙烷[C(CH3)4]
A．①＞②＞③＞④＞⑤
B．⑤＞④＞③＞②＞①
C．③＞④＞⑤＞①＞②
D．②＞①＞⑤＞④＞③
18．下列烷烃在光照条件下与氯气反应，只生成一种一氯代烃的是
(　　)
A．CH3CH2CH2CH3
B．CH3CH(CH3)CH3
C．C(CH3)4
D．CH3CH(CH3)CH2CH3
19．1
mol丙烷在光照条件下，最多可以与多少摩尔Cl2发生取代反应
(　　)
A．4
mol
B．8
mol
C．2
mol
D．6
mol
20．下列说法中错误的是
(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　
①化学性质相似的有机物是同系物
②分子组成相差一个或几个CH2原子团的有机物是同系物
③若烃中碳、氢元素的质量分数相同，它们必定是同系物
④互为同分异构体的两种有机物的物理性质有差别，但化学性质必定相似
A．①②③④
B．只有②③
C．只有③④
D．只有①②③
二、填空题
21．如图，某气体X可能由H2、CO、CH4中的一种或几种组成。将X气体燃烧，把燃烧后生成的气体通过A、B两个洗气瓶。
试回答下列问题：
（1）若A洗气瓶的质量增加，B洗气瓶的质量不变，则气体X是
。
（2）若A洗气瓶的质量不变，B洗气瓶的质量增加，则气体X是
。
（3）若A、B两个洗气瓶的质量都增加，试推测X可能有几种组合，填写下表。(有多少种写多少种，可不必填满)
组合
①
②
③
④
⑤
⑥
X
22．（1）请写出烷烃CnH2n＋2(n≥1)在足量的氧气中充分燃烧的化学方程式：
。
有①甲烷，②乙烷，③丙烷，④丁烷4种烷烃，试回答(2)～(4)题(填序号)：
（2）相同状况下，等体积的上述气态烃充分燃烧，消耗O2的量最多的是
。
（3）等质量的上述气态烃，在充分燃烧时，消耗O2的量最多的是
。
（4）10
mL某气态烃，在50
mL
O2中充分燃烧，得到液态水，以及体积为35
mL的混合气体(所有气体体积均在同温、同压下测定)。该气态烃是
。
知识拓展
常见有机物结构的表示方法
表示方法
含义
分子式：CH4
用元素符号表示物质分子组成的式子，可反映一个分子中原子的种类和数目
最简式(实验式)：CH4
表示物质组成的各元素原子最简整数比的式子
电子式：
用小黑点等符号代替电子，表示原子最外层电子成键情况的式子
结构式：
①具有化学式所能表示的意义，能反映物质的结构；
②表示分子中原子的结合或排列顺序的式子，但不表示空间构型
球棍模型：
小球表示原子，短棍表示价键(单键、双键或三键)
比例模型：
用不同体积的小球表示不同大小的原子
实验拓展
例．利用甲烷与氯气发生取代反应制取副产品盐酸的设想在工业上已成为现实。某化学兴趣小组通过在实验室中模拟上述过程，其设计的模拟装置如下：
根据设计要求回答：
（1）B装置有三种功能：①控制气流速度；②均匀混合气体；③
。
（2）设V(Cl2)/V(CH4)＝x，若理论上欲获得最多的氯化氢，则x值应
。
（3）D装置的石棉中均匀混有KI粉末，其作用是
。
（4）E装置的作用是
(填编号)。
A．收集气体
B．吸收氯气
C．防止倒吸
D．吸收氯化氢
（5）在C装置中，经过一段时间的强光照射，发现硬质玻璃管内壁有黑色小颗粒产生，写出置换出黑色小颗粒的化学方程式________________________________________________________________。
（6）E装置除生成盐酸外，还含有有机物，从E中分离出有机物的最佳方法为________。该装置还有缺陷，原因是没有进行尾气处理，其尾气主要成分为________(填编号)。
a．CH4　
b．CH3Cl　
c．CH2Cl2　
d．CHCl3　
e．CCl4
第一节
最简单的有机化合物——甲烷参考答案与解析
素养整合
题序
答案
解析
1
A
用CnH2n＋2的Mr＝14n＋2进行判断，44对应的烃是C3H8，42对应的烃是C3H6，54对应的烃是C4H6，128对应的烃是C9H20。由于1个C原子与12个H原子的式量之和相等，所以C9H20与C10H8的相对分子质量相等，则128对应的烃不一定是烷烃。
2
B
常温下甲烷性质稳定，与浓硫酸、酸性高锰酸钾溶液不发生反应。在常温和光照条件下，氧气不能与甲烷发生反应，但氯气能与甲烷发生取代反应。
3
A
只有CCl4是正四面体，另外三种物质都只是四面体，但不是正四面体。
4
D
根据已知条件只能判断出C、H个数比为1∶2。
5
C
烃类化合物完全燃烧的产物均为二氧化碳和水，因此A不是烷烃的特有性质；烃类化合物几乎都不溶于水，所以B也不正确；烷烃与溴水、酸性高锰酸钾均不反应，故D不正确。
6
B
Cl2能与碱石灰反应，NH3能与浓H2SO4反应，SO2能与碱石灰反应。
7
A
类比甲烷的化学性质，乙烷与氯气在光照条件下发生取代反应，和溴水、氯水、酸性高锰酸钾溶液不反应。
8
B
甲烷分子的空间结构是正四面体。若氢原子分别被两个氯原子、两个氟原子代替，其结构变为四面体，碳原子位于四面体的中心位置，两个氯原子、两个氟原子不管从哪个方向与碳原子相连，它们都分别处在相邻的位置。故只有一种结构，如图所示。C—Cl、C—F均为极性键。若换成结构式仍为一种而不是两种。CH2Cl2只有一种结构，可证明CH4是正四面体结构，而不是平面正方形结构。
9
C
由质量守恒定律知，A正确；甲烷与氯气的反应中，由碳原子守恒知生成的有机物的分子个数等于甲烷的分子个数，再由每取代1个H原子，消耗一分子氯气，生成一分子HCl，故反应前后分子总数不变，B正确；由于有机产物中只有CH3Cl为气体，故反应后气体的物质的量减少，容器内压强减小，C错误；甲烷与氯气的反应属于取代反应，D正确。
10
D
依据取代反应的概念判断。
11
A
甲烷燃烧时，当O2少量时生成CO和H2O，当O2足量时生成CO2和H2O；所以在不足量的O2中燃烧生成CO、CO2和H2O。由氢原子守恒知CH4的物质的量为0.2
mol。设CO和CO2的质量分别为x，y。则解得x＝2.8
g。
12
B
烷烃的熔沸点随碳原子的增加逐渐升高，故状态变化为：气态 液态 固态，常温下碳原子个数小于或等于4的烷烃呈气态。
13
A
结构相似，必属同一类物质，因此有同一通式，但不一定有相同的最简式，A选项错误，B选项正确；相邻同系物组成上相差一个CH2原子团，C选项正确；因结构相似，所以化学性质基本相似，但组成上的差异使得物理性质随碳原子数增加而呈规律性变化，D选项正确。
14
C
因为A、B都是烃，碳的质量分数相同，则氢的质量分数一定也相同，则C、H的个数比相同，即最简式相同，可能是同系物，例如C2H4和C3H6，但分子式不一定相同。
15
A
类比甲烷的化学性质，乙烷与氯气在光照条件下发生取代反应，和溴水、氯水、酸性高锰酸钾溶液不反应。
16
C
设此气态烃的分子式为CxHy，其完全燃烧的化学方程式为CxHy＋O2xCO2＋H2O，则1
mol该烃完全燃烧时耗氧量为mol，上述选项分别代入mol，比较可知C4H10耗氧量最多。
17
C
根据烃类的熔沸点大小判断规律：在有机物同系物中，随着碳原子数的增加，相对分子质量的增大，分子间作用力增大，熔沸点逐渐升高；分子式相同的烃，支链越多，熔沸点越低。分析各选项，①②均只有4个C原子，③④⑤均只有5个碳原子，故①②的沸点小于③④⑤的沸点；②有1个支链，而①无，故①>②；③无支链，④只有1个支链，⑤有2个支链，故③>④>⑤；综上所述：③>④>⑤>①>②。
18
C
A选项有两种同分异构体，B选项也有两种同分异构体，C选项只有一种同分异构体，D选项有四种同分异构体。
19
B
烷烃的取代反应中，被取代的氢原子与参加反应的氯气之间的物质的量之比为1∶1。1
mol丙烷中含有8
mol氢原子，故最多可以与8
mol
Cl2发生取代反应。
20
A
结构相似、分子组成上相差一个或几个CH2原子团的有机物是同系物。
21
（1）H2（2）CO（3）①CH4　②CH4与H2　③CH4与CO　④H2与CO　⑤CH4、H2和CO
H2、CO、CH4燃烧的产物分别是H2O(g)、CO2(g)、CO2(g)和H2O(g)。H2O(g)可被浓硫酸吸收，CO2可被澄清石灰水吸收。根据洗气瓶质量的变化，可判定生成的产物。
22
（1）CnH2n＋2＋O2nCO2＋(n＋1)H2O（2）④（3）①（4）②
（1）烷烃CnH2n＋2燃烧的化学方程式为CnH2n＋2＋O2nCO2＋(n＋1)H2O；（2）相同状况下，等体积即物质的量相同，消耗O2的量取决于，即丁烷消耗O2的量最多；（3）等质量时耗O2量取决于氢的含量，即甲烷耗O2量最多；（4）反应前后体积之差为25
mL，根据燃烧化学方程式可知该烃为乙烷。
实验拓展
例．
答案：
（1）干燥混合气体　
（2）大于或等于4
（3)吸收过量的氯气　
（4）CD
（5）CH4＋2Cl2C＋4HCl
（6）分液　
a
b
解析：
（1）B装置的三个作用为：①控制气流速度从而达到合适的反应比例；②均匀混合气体，便于后续实验；③干燥混合气体。
（2）当反应：CH4＋4Cl2CCl4＋4HCl时生成HCl气体最多，所以要保证＝x≥4。
（3）KI能吸收多余的Cl2，反应的化学方程式为Cl2＋2KI=2KCl＋I2。
（4）E装置既吸收反应生成的HCl气体，同时还防止倒吸。
（5）据信息知黑色小颗粒应为碳粉，根据原子守恒应为：CH4＋2Cl2C＋4HCl。
（6）分离难溶于水的油状液体可用分液法。