《特级教师辅导》天然气的利用甲烷[下学期]

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苏教版《天然气的利用 甲烷》解析
江苏省徐州高级中学特级教师 姚斌（221009）
E-mail:yao64@ tel:0516-82310208
一、教材分析
初中化学中已学习过化石燃料，知道甲烷是天然气的主要成分，已学习甲烷气体的燃烧反应和甲烷的重要用途（燃料和重要化工原料），并且知道甲烷是最简单的有机物；在能量转换形式中已涉及到农村的沼气工程。
基于课程标准规定的学习目标，本专题不要求学生系统地学习有机化学知识，不强调按官能团分类学习有机化合物的知识。因此教学中要联系实际，注意从学生已有的经验和知识出发，让学生从身边及生活中“常见的有机物”入手学习最基本的有机化学知识，了解它的学习价值。
由于甲烷是高中系统学习有机物的第一种有机物，通过本节课的教学，必须让学生了解有机化学的最基本的知识和学习方法，理解有机物组成和结构决定性质、性质决定用途，同时用途反映性质、性质反映结构的学习思路，掌握实用的理解、计算、记忆等基本技能，感受到学习有机化学“有趣、有用”，为其它有机物的学习及选修模块《有机化学基础》学习打好基础。
另外，我国西气东输工程和环保中对防治酸雨的要求，改善我国能源结构，教育学生要有能源意识和节约意识。
本节课主要是探究甲烷分子组成的推断、结构特点及其主要的化学性质(氧化反应、取代反应、受热分解)。要从学生已有的知识出发，充分利用“交流与讨论”、“观察与思考”等栏目，对学生进行学习方法的指导，引导学生思考、分析、讨论，通过对比和分析认识甲烷的性质和结构，在理解的基础上掌握。
1．教材编写特点
本节课的教材以化石燃料——甲烷的存在、性质和加工、利用为线索，进行编排，重视甲烷性质探究和加工利用。
教材从学生已知的知识-化石燃料入手，简要叙述学生已知的重点知识，通过拓展视野栏目介绍我国的石油与天然气资源分布情况，介绍最新发现——可燃冰。
在引入课题后，首先要求学生通过所给的相关数据来确定甲烷的质量比、原子数比和分子式，通过已学的原子结构知识确定其分子结构特点，要求完成甲烷燃烧的热化学方程式。需要重点学习有机物分子式确定和空间结构，需要教师引导学生总结思路。
在观察与思考栏目中，要求学生认真观察甲烷的燃烧与取代反应实验，要求认真分析实现现象，导出反应的实质，学习新的有机反应类型——取代反应。
在资料卡中给出了甲烷的用途，了解甲烷除作为燃料外还可以作为重要的化工原料。
最后教材通过信息提示栏目，要求学生观察为些烷烃的组成元素、分子结构特点，推导出烷烃通式，学会烷烃的简单命名，初步了解同系物的概念。
2、教学目标确定
知识与技能：①认识化石燃料与有机物的关系；②了解综合利用化石燃料在充分利用自然资源、防止污染、保障国民经济可持续发展等方面的意义；③了解甲烷的主要性质和应用，了解取代反应；④掌握通过测定相关的数据资料确定有机物的分子式技能，理解有机物空间结构确定的一些方法。
过程与方法：①运用实验探究法学习甲烷的取代反应；②联系生活实际学习甲烷的利用；
情感、态度与价值观：引导学生关注人类面临的与化学相关的社会问题，如能源短缺、环境保护，培养学生的社会责任感和参与意识。
二、教学设计和建议
1．导入课题
通过展示化石燃料的数据或图片，培养学生应当树立能源危机意识和节约能源的意识，同时引入甲烷及可燃冰知识。教师可以通过拓展视野中的相关数据和图片，让学生知道我国现在的能源状况，了解西气东输工程投资规模高达1200亿元、全长4200公里、年输天然气１２０亿立方米，每年可替代１６００万吨标准煤，减少排放２７万吨粉尘，使我国一次能源结构中天然气消耗增幅达５０％，节约能源４３７万吨标准煤。且天然气通过管道运输，安全快捷，有利环保，具有明显的社会效益。
2、探究甲烷分子组成和结构
对于甲烷组成元素的确定，可让学生设计实验，知道测定有机物分子组成时常用燃烧法（如图）。
通过实验测定确定参与反应的甲烷的体积、生成二氧化碳和水的质量，从而可以确定甲烷只有碳、氢元素组成，且质量比为3：1。
学生通过交流与讨论栏目确定其分子式时，可由两种思考解决问题的方式：一是从相对质量分数→实验式→测定密度确定相对分子质量→分子式；二是从密度确定相对分子质量→摩尔质量→根据元素质量分数确定分子内各原子的数目。这两种方式相比较而言，第一种较为普遍而第二种方法学生更易理解、运用。
通过对碳、氢原子结构示意图要求推导其电子式、结构式，学生基本能够完成。但这时要求学生想像，甲烷分子的原子在空间是什么形状（有两个可能性，一是平面，二是正四面体）？事实结果是测定CH2Cl2只有一种熔沸点，确定甲烷为空间正四面体结构。这时应训练学生的逻辑推理能力：通过各种方法制备CH2Cl2，“若CH2Cl2只有一种熔沸点，则其结构只有一种，则甲烷为空间正四面体结构；若CH2Cl2只有二种熔沸点，则其结构只有二种，则甲烷为平时结构。”这是一个倒推得出的结论，是逻辑推理能力的训练和培养，不应忽视。
在教师给出甲烷的燃烧热值（1g甲烷完成燃烧生成二氧化碳和水，放热55.6kJ mol-1），让学生写出热化学方程式，起到巩固练习书写热化学方程式基本技能的作用。
3．探究甲烷的物理性质
初中化学中已接触过甲烷的物理性质，出示样品，让学生观察得到结论。通过其相对分子质量只有16，得到密度比空气小，同时强调甲烷为最简的有机物，若两种有机物的平均相对分子质量低于26，则肯定含有甲烷，这是一种平均值思想的训练，在以后解决有机物混合题时经常遇到并且运用。
4．探究甲烷的化学性质
对于甲烷的燃烧反应，教师可从西气东输引入，讲解它是一种安全、洁净的能源，可以演示并检验生成物的方法，由于实验较为简单，可过渡煤矿听瓦斯爆炸问题，教师可给出一些数据和实例，强调其危害，指出其爆炸极限为5%—15.4%（体积），及防止爆炸事故的发生，必须采取通风，严禁烟火等措施的原因。
虽然教师没有要求甲烷与酸性高锰酸钾和溴水反应实验，但教师必须分别增加甲烷与溴水和酸性高锰酸钾的反应的实验，明确甲烷等烷烃不会与两者反应，为学习好后面的烃打下伏笔。
对于甲烷典型的取代反应，这是学生接触的第一种重要的有机反应，虽然实验操作难度较大、成功机会不会达到100%，但教师必须演示，并且在实验进行过程中，要提醒学生观察实验现象，分析其原因，指出其反应的原理（从化学键的断裂与形成位置），强调其取代反应是不易控制反应程度、易发生连续取代的问题，得到取代反应的定义。教学过程中教师可以借助多媒体动画，提示取代反应的实质，同时介绍四种甲烷取代物的状态、俗名、用途等。注意从甲烷与氯气反应的现象（液面上升、颜色变化、油滴等）和甲烷的组成、结构在反应中发生的变化，分析取代反应的特点。
在甲烷利用的资料卡中还涉及到甲烷分解反应，这是工业上生成炭黑的主要途径。同时也可让学生分析制氟里昴时反应也是取代反应，要求学生指出取代原子。
为了巩固、扩大学生对取代反应的认识，可设计利用液态已烷燃烧、与液溴混合（把2 mL己烷分别倒入两支试管内，并分别滴入2滴液溴，用铝箔包住其中一支试管，避免光线照射，把两支试管并排放在试管架上，置于强光下5～6 min，观察并记录两支试管内液体颜色的变化）的探究活动，让学生认识取代反应发生的条件。
5、探究甲烷用途
根据结构决定性质、性质决定用途的思路，总结甲烷的用途。
6．探究烷烃教学
有信息提示中，分别给出三种烷烃的结构，应要求学生观察这些烷烃的结构特点（碳原子间以单键相连、其余被氢原子饱和）、分析通式得出的途径（观察法和等差推导法），知道烷烃的简单命名和同系物的概念。
由于取代反应及同系物概念是学生刚涉及，不必在本课中强化。同时由于取代反应是学生学到的第一种有机反应类型，可以给学生与无机化学中的置换反应进行对比。
7．小结本课、布置作业。
由于是新授课，众多的有机概念是学生第一次涉及，需要一节习题课进行补充，可以列举一些典型的习题，组成学生分析、讨论、解决，切实掌握各项基本技能。
三、实验探究
甲烷与氯气的取代反应较为难做，笔者参与多次实验摸索，总结实验成功的几个要素如下，供参考（每次液面上升约85-90 mL）。
1．氯气最好是新制的，并且用高锰酸钾与浓盐酸反应来制取，可能由于含有微量的ClO2，使反应成功机率大大增加；
2．甲烷制取时应将无水醋酸钠炒一下，按无水醋酸钠：氢氧化钠：氧化铁质量比为5：3：2配制，产生甲烷速率快且气流稳定；
3．应用40℃的饱和食盐水，这样液体温度较高，速率较快。
4．在100mL的量筒中先通75mL氯气、再通25mL甲烷，即甲烷与氯气的体积比为1：3；
5．用高压汞灯照射时，注意防止链式反应而爆炸；高压汞灯也可以用投影机中的灯源代替。
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