化学：3.1.1《天然气的利用 甲烷》学案（苏教版必修2）
文档属性
| 名称 | 化学：3.1.1《天然气的利用 甲烷》学案（苏教版必修2） |  | |
| 格式 | rar | ||
| 文件大小 | 139.8KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 苏教版 | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2009-07-05 09:03:00 | ||
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文档简介
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第一单元 化石燃料与有机化合物
天然气的利用 甲烷
江苏省江阴市祝塘中学 赵忠波
高考资源网【我思我学】21世纪教育网
想一想: 西气东输工程是将中国塔里木和长庆气田的天然气通过管道输往中国上海的输气工程。管道全长4000公里左右﹐设计年输气量120亿立方米。右图为我国西气东输工程示意图,“西气”的主要成分是什么 这项工程对我国有什么重大意义
议一议: 我国的许多煤矿都是瓦斯煤矿,容易发生瓦斯爆炸事故,造成人员伤亡和财产损失。请分析矿井里在什么情况下容易发生瓦斯爆炸 对此应采取哪种安全措施
【同步导学】
一、评价要点
1.了解化石燃料种类与元素的组成。
2. 知道天然气的主要成分（甲烷）的组成、结构、性质与利用，了解取代反应。
3．了解烷烃的组成、结构、通式、名称。
二、方法指引21世纪教育网
1. 有机物分子式的确定
有机物分子式的确定有多种类型 如利用化学方程式计算确定分子式；根据分子的平均组成及分子组成的通式确定分子式等。无论给出的是哪种形式，基本思路是一样的：先求出元素原子个数的比（实验式），再根据其它的有关数据求得；或根据它的相对分子质量、各元素质量分数等直接求出。
2. 甲烷的化学性质
(1)氧化反应：由于甲烷的分子结构稳定，所以通常不与强酸、强碱、强氧化剂（如KMnO4）反应，但能燃烧
(2)高温分解：
（制取炭黑）
（3）取代反应：
定义——有机物分子里的某些原子或原子团被其它原子或原子团所取代的反应叫取代反应。
CH4 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 生成的四种氯的取代物均不溶于水，甲烷中的4个氢原子逐步被氯原子取代,生成一系列甲烷的氯取代物和氯化氢。
取代反应与置换反应的区别
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顺序。
分步取代，很多反应是可逆的 反应一般单向进行
三、典型例题 21世纪教育网
例题1．历史上，科学家们在测定了甲烷的分子组成为CH4后，对甲烷的分子结构曾提出了两种猜想：一种为正四面体型，一种为平面正方形。为解决甲烷分子的空间结构问题，科学家们提出：通过研究是否存在两种结构不同的二氯甲烷来确定。请思考，这一提案的依据是什么？
解析：若甲烷分子呈正四面体型，则二氯代物只可能有一种；若甲烷分子呈平面正方形，则二氯代物可有两种。所以，只要看一下甲烷的二氯代物的种数，即可判断甲烷分子的空间构型。
例题2．已知某种气态矿物燃料含有碳氢两种元素。为了测定这种燃料中碳氢元素的质量比，可将气态燃料放入足量的氧气中燃烧，并使产生的气体依次通入装有干燥剂的U型管和装有石灰水的广口瓶，得到如下表所列的实验结果（假设产生的气体全部被吸收）
实验前 实验后
（干燥剂+U型管）的质量 101.1克 102.9克
（石灰水+广口瓶）的质量 312.0克 314.2克
根据实验数据求：（1）实验完毕后，生成物中水的质量为 克；假设广口瓶里生成一种正盐，其质量为 克；（2）生成的水中氢元素的质量为 克；（3）生成的二氧化碳中碳元素的质量为 克；（4）气态矿物中碳元素与氢元素的质量比为 。
解析：（1）根据（干燥剂+U型管）实验前后的质量变化可知水的质量为1.8g；根据广口瓶中的质量变化可知正盐的质量为2.2g；（2）由水中氢元素的质量分数可求出氢元素质量为0.2g；（3）由碳元素的质量分数可求出碳元素质量为0.6g；（4）气态矿物中碳氢元素的质量比为3：1。
【随堂检学】21世纪教育网
1．下列关于甲烷性质叙述中不正确的是 （ ）
A．是一种无色无味的气体 B．密度比空气的密度小
C．极难溶解于水 D．性质稳定，不和其它物质反应
2．甲烷气体在氧气里燃烧生成二氧化碳和水的实验事实说明（ ）
A．甲烷的分子式为CH4 B．甲烷气体中含有碳元素和氢元素
C．甲烷气体中只含碳元素和氢元素 D．甲烷的化学性质比较稳定
3．下列化学反应中，光照对它几乎没有影响的是（ ）
A．氯气与氢气的反应 B．氯气与甲烷的反应
C．次氯酸的分解反应 D．甲烷的分解反应
4．甲烷和氯气组成的混合气体经光照完全反应后，生成的气态产物的种类有（ ）
A．2种 B．3种 C．4种 D．1种
5．下列烷烃的沸点是：根据以下数据推断丙烷的沸点可能是 （ ）
物质 甲烷 乙烷 丁烷 戊烷
沸点 —162℃ —89℃ —1℃ +36 ℃
A.约—40℃ B.低于—162 ℃ C.低于—89℃ D.高于+36℃
6．某烷烃含有200个氢原子，那么该烃的分子式是 （ ）
A．C97H200 B．C98H200 C．C99H200 D．C100H200
7．在标准状况下将11.2L甲烷和22.4L的氧气混和后点燃，恢复到原来的状态，气体的体积是（ ） 21世纪教育网
A．11.2L B．22.4L C．33.6L D．44.8L
8．将一定量的甲烷燃烧后得到CO、CO2和水蒸气，混和气体的质量是49.6g，通过无水氯化钙时，无水氯化钙增重25.2g，则CO2的质量是 （ ）
A．12. 5g B．13.2g C．19.7g D． 24.4g
9．在煤矿矿井里，必须采取安全措施，如通风、严禁烟火等，而且要随时检测瓦斯的体积分数，已知空气中甲烷的爆炸极限为5%～15%，氢气的爆炸极限为10%～70%。下列说法中不正确的是（ ）21世纪教育网
A．空气中混有可燃性气体遇明火或电火花都有可能引起爆炸
B．空气中混有氢气比混有甲烷的安全隐患更大
C．空气中混有甲烷时，当甲烷与氧气的体积比为1∶2时，爆炸最强烈
D．空气中混有氢气时，当氢气与氧气的体积比为1∶2 时，爆炸最强烈
10． 最近我国开始从新疆开发天然气，贯穿东西引至上海的大工程，关于天然气的下列叙述中不正确的是（ ）
A．天然气和沼气的主要成分都是甲烷
B．改液化石油气（主要成分为C3H8）为天然气做燃料，燃烧时应减小进空气量或增大进天然气量
C．天然气燃烧的废气中SO2等污染物的含量少
D．天然气与空气混合点燃，不会发生爆炸
11．实验室鉴别甲烷、氢气、一氧化碳三种气体时，可根据它们的燃烧产物加以区别。只生成______的是______；只生成_____的是____；既生成_____又生成____的是______。检验燃烧产物的方法是：把干燥的烧杯罩在_______，如果看到______，就证明燃烧产物中______。把烧杯倒转过来，向杯内注入少量的____，振荡，如果看到_____，则证明有______生成。
12. 燃烧法是测定有机化合物化学式的一种重要方法。现在完全燃烧0.1mol某烃，燃烧产物依次通过右图所示的装置，实验结束后，称得甲装置增重10.8g，乙装置增重22g。求该烃的分子式。
21世纪教育网
【活学活用】
1. 第28届国际地质大会提供的资料显示，海底有大量的天然气水合物，可满足人类 1000年的能源需要。天然气水合物是一种晶体，晶体中平均每46个水分子构建成8个笼，每个笼可容纳一个CH4分子或1个游离H2O分子。若晶体中每8个笼只有6个容纳了CH4分子，另外2个笼被游离H2O分子填充，则天然气水合物的平均组成可表示为 （ ）21世纪教育网
A．CH4·14H2O B．CH4·8H2O C．CH4·(23/3)H2O D．CH4·6H2O
2．在常温下，把一个盛有一定量甲烷和氯气的密闭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
3．甲烷分子是以碳原子为中心的正四面体形结构，而不是正方形的平面结构，以下事实可作为论据的是（ ）
A．CH3Cl只有一种结构 B．CH2Cl2只有一种结构
C．CHCl3只有一种结构 D．CH4只有一种结构
4. 1molCH4与Cl2发生取代反应，待反应完成后测得四种取代物物质的量相等，则消耗Cl2为（ ）
A、0.5mol B、2mol C、2.5mol D、4mol
5. 如图所示，U型管的左端被水和胶塞封闭有甲烷和氯气（体积比为1：4）的混和气体，假定氯气在水中溶解度可以忽略。将封闭有甲烷和氯气的混和气体的装置放置在有光亮的地方，让混和气体缓慢的反应一段时间。
（1）假设甲烷与氯气反应充分，且只产生一种有机物，请写出化学方程式。
。
（2）经过几个小时的反应后，U型管右端的玻璃管中水柱变化是 。
A．升高 B．降低 C．不变 D．无法确定
（3）U型管左端的气柱变化是 。
A．体积增大 B．体积减小 C．消失 D．不变
（4）试解释U型管右端的玻璃管中水柱变化的原因。__________________________
6. 将标准状况下甲烷和氧气的混合气体224mL，点燃完全燃烧，将生成的气体通入100mL 0.02mol/L的石灰水中，得到0.1g白色沉淀，求原混合气体中甲烷和氧气的体积比。
21世纪教育网
参考答案
【随堂检学】21世纪教育网
1． D． 2． B． 3． D． 4． A． 5． A. 6． C． 7． A． 8． B． 9． D． 10． D．
11． H2O；H2；CO2；CO；H2O；CO2；CH4。燃烧的火焰上方；很快使烧杯内壁变得模糊，有水蒸气凝结；H2O；澄清的石灰水；石灰水变浑浊；CO2。
12、分子式是C5H12。
【活学活用】
1.B 2．C 3.B 4. C
5．（1）；（2）B；（3）BC（注意：体积消失是体积减小的极限）（4）由上述化学方程式可知，此反应中气体的物质的量减少，且生成的HCl能够溶解于水，所以左侧压强减小至零，故右侧玻璃管中的水柱降低，左侧气柱消失。
6. 解：因一定量CO2通入一定量石灰水，可能生成CaCO3，也可能生成CaCO3与Ca(HCO3)2，则应分二种情况讨论。
(1)设CH4的体积为x，若石灰水过量，有
CH4 － CO2 － CaCO3
22.4L 100g
x×10-3 0.1g 21世纪教育网
x=22.4mL
则氧气的体积为：224 mL－22.4 mL =201.6mL
因此，V(CH4)∶V(O2)=22.4mL∶201.6 mL =1∶9
(2)若CO2过量，设完全沉淀0.02mol/L Ca(OH)2 100mL中Ca2+消耗CO2 体积为a，溶解部分CaCO3 用去CO2 的体积为b，CaCO3最大沉淀质量为c，有
CO2 ＋ Ca(OH)2 = CaCO3↓ + H2O
22.4mL 1mol 100g
a×10-3 0.02×0.1mol c 21世纪教育网
解得a=44.8mL c=0.2g
CO2 ＋ CaCO3 ＋H2O=Ca(HCO3)2
22.4 mL 100g
b×10-3 (0.2mol－0.1mol)
解得b=22.4mL
则V(CH4)=V(CO2)=a＋b=44.8 mL＋22.4 mL =67.2mL
V(O2)=224 mL－67.2 mL =156.8mL
因此，V(CH4)∶V(O2)=67.2 mL∶156.8 mL =3∶7
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第一单元 化石燃料与有机化合物
天然气的利用 甲烷
江苏省江阴市祝塘中学 赵忠波
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想一想: 西气东输工程是将中国塔里木和长庆气田的天然气通过管道输往中国上海的输气工程。管道全长4000公里左右﹐设计年输气量120亿立方米。右图为我国西气东输工程示意图,“西气”的主要成分是什么 这项工程对我国有什么重大意义
议一议: 我国的许多煤矿都是瓦斯煤矿,容易发生瓦斯爆炸事故,造成人员伤亡和财产损失。请分析矿井里在什么情况下容易发生瓦斯爆炸 对此应采取哪种安全措施
【同步导学】
一、评价要点
1.了解化石燃料种类与元素的组成。
2. 知道天然气的主要成分（甲烷）的组成、结构、性质与利用，了解取代反应。
3．了解烷烃的组成、结构、通式、名称。
二、方法指引21世纪教育网
1. 有机物分子式的确定
有机物分子式的确定有多种类型 如利用化学方程式计算确定分子式；根据分子的平均组成及分子组成的通式确定分子式等。无论给出的是哪种形式，基本思路是一样的：先求出元素原子个数的比（实验式），再根据其它的有关数据求得；或根据它的相对分子质量、各元素质量分数等直接求出。
2. 甲烷的化学性质
(1)氧化反应：由于甲烷的分子结构稳定，所以通常不与强酸、强碱、强氧化剂（如KMnO4）反应，但能燃烧
(2)高温分解：
（制取炭黑）
（3）取代反应：
定义——有机物分子里的某些原子或原子团被其它原子或原子团所取代的反应叫取代反应。
CH4 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4 生成的四种氯的取代物均不溶于水，甲烷中的4个氢原子逐步被氯原子取代,生成一系列甲烷的氯取代物和氯化氢。
取代反应与置换反应的区别
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顺序。
分步取代，很多反应是可逆的 反应一般单向进行
三、典型例题 21世纪教育网
例题1．历史上，科学家们在测定了甲烷的分子组成为CH4后，对甲烷的分子结构曾提出了两种猜想：一种为正四面体型，一种为平面正方形。为解决甲烷分子的空间结构问题，科学家们提出：通过研究是否存在两种结构不同的二氯甲烷来确定。请思考，这一提案的依据是什么？
解析：若甲烷分子呈正四面体型，则二氯代物只可能有一种；若甲烷分子呈平面正方形，则二氯代物可有两种。所以，只要看一下甲烷的二氯代物的种数，即可判断甲烷分子的空间构型。
例题2．已知某种气态矿物燃料含有碳氢两种元素。为了测定这种燃料中碳氢元素的质量比，可将气态燃料放入足量的氧气中燃烧，并使产生的气体依次通入装有干燥剂的U型管和装有石灰水的广口瓶，得到如下表所列的实验结果（假设产生的气体全部被吸收）
实验前 实验后
（干燥剂+U型管）的质量 101.1克 102.9克
（石灰水+广口瓶）的质量 312.0克 314.2克
根据实验数据求：（1）实验完毕后，生成物中水的质量为 克；假设广口瓶里生成一种正盐，其质量为 克；（2）生成的水中氢元素的质量为 克；（3）生成的二氧化碳中碳元素的质量为 克；（4）气态矿物中碳元素与氢元素的质量比为 。
解析：（1）根据（干燥剂+U型管）实验前后的质量变化可知水的质量为1.8g；根据广口瓶中的质量变化可知正盐的质量为2.2g；（2）由水中氢元素的质量分数可求出氢元素质量为0.2g；（3）由碳元素的质量分数可求出碳元素质量为0.6g；（4）气态矿物中碳氢元素的质量比为3：1。
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1．下列关于甲烷性质叙述中不正确的是 （ ）
A．是一种无色无味的气体 B．密度比空气的密度小
C．极难溶解于水 D．性质稳定，不和其它物质反应
2．甲烷气体在氧气里燃烧生成二氧化碳和水的实验事实说明（ ）
A．甲烷的分子式为CH4 B．甲烷气体中含有碳元素和氢元素
C．甲烷气体中只含碳元素和氢元素 D．甲烷的化学性质比较稳定
3．下列化学反应中，光照对它几乎没有影响的是（ ）
A．氯气与氢气的反应 B．氯气与甲烷的反应
C．次氯酸的分解反应 D．甲烷的分解反应
4．甲烷和氯气组成的混合气体经光照完全反应后，生成的气态产物的种类有（ ）
A．2种 B．3种 C．4种 D．1种
5．下列烷烃的沸点是：根据以下数据推断丙烷的沸点可能是 （ ）
物质 甲烷 乙烷 丁烷 戊烷
沸点 —162℃ —89℃ —1℃ +36 ℃
A.约—40℃ B.低于—162 ℃ C.低于—89℃ D.高于+36℃
6．某烷烃含有200个氢原子，那么该烃的分子式是 （ ）
A．C97H200 B．C98H200 C．C99H200 D．C100H200
7．在标准状况下将11.2L甲烷和22.4L的氧气混和后点燃，恢复到原来的状态，气体的体积是（ ） 21世纪教育网
A．11.2L B．22.4L C．33.6L D．44.8L
8．将一定量的甲烷燃烧后得到CO、CO2和水蒸气，混和气体的质量是49.6g，通过无水氯化钙时，无水氯化钙增重25.2g，则CO2的质量是 （ ）
A．12. 5g B．13.2g C．19.7g D． 24.4g
9．在煤矿矿井里，必须采取安全措施，如通风、严禁烟火等，而且要随时检测瓦斯的体积分数，已知空气中甲烷的爆炸极限为5%～15%，氢气的爆炸极限为10%～70%。下列说法中不正确的是（ ）21世纪教育网
A．空气中混有可燃性气体遇明火或电火花都有可能引起爆炸
B．空气中混有氢气比混有甲烷的安全隐患更大
C．空气中混有甲烷时，当甲烷与氧气的体积比为1∶2时，爆炸最强烈
D．空气中混有氢气时，当氢气与氧气的体积比为1∶2 时，爆炸最强烈
10． 最近我国开始从新疆开发天然气，贯穿东西引至上海的大工程，关于天然气的下列叙述中不正确的是（ ）
A．天然气和沼气的主要成分都是甲烷
B．改液化石油气（主要成分为C3H8）为天然气做燃料，燃烧时应减小进空气量或增大进天然气量
C．天然气燃烧的废气中SO2等污染物的含量少
D．天然气与空气混合点燃，不会发生爆炸
11．实验室鉴别甲烷、氢气、一氧化碳三种气体时，可根据它们的燃烧产物加以区别。只生成______的是______；只生成_____的是____；既生成_____又生成____的是______。检验燃烧产物的方法是：把干燥的烧杯罩在_______，如果看到______，就证明燃烧产物中______。把烧杯倒转过来，向杯内注入少量的____，振荡，如果看到_____，则证明有______生成。
12. 燃烧法是测定有机化合物化学式的一种重要方法。现在完全燃烧0.1mol某烃，燃烧产物依次通过右图所示的装置，实验结束后，称得甲装置增重10.8g，乙装置增重22g。求该烃的分子式。
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【活学活用】
1. 第28届国际地质大会提供的资料显示，海底有大量的天然气水合物，可满足人类 1000年的能源需要。天然气水合物是一种晶体，晶体中平均每46个水分子构建成8个笼，每个笼可容纳一个CH4分子或1个游离H2O分子。若晶体中每8个笼只有6个容纳了CH4分子，另外2个笼被游离H2O分子填充，则天然气水合物的平均组成可表示为 （ ）21世纪教育网
A．CH4·14H2O B．CH4·8H2O C．CH4·(23/3)H2O D．CH4·6H2O
2．在常温下，把一个盛有一定量甲烷和氯气的密闭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
3．甲烷分子是以碳原子为中心的正四面体形结构，而不是正方形的平面结构，以下事实可作为论据的是（ ）
A．CH3Cl只有一种结构 B．CH2Cl2只有一种结构
C．CHCl3只有一种结构 D．CH4只有一种结构
4. 1molCH4与Cl2发生取代反应，待反应完成后测得四种取代物物质的量相等，则消耗Cl2为（ ）
A、0.5mol B、2mol C、2.5mol D、4mol
5. 如图所示，U型管的左端被水和胶塞封闭有甲烷和氯气（体积比为1：4）的混和气体，假定氯气在水中溶解度可以忽略。将封闭有甲烷和氯气的混和气体的装置放置在有光亮的地方，让混和气体缓慢的反应一段时间。
（1）假设甲烷与氯气反应充分，且只产生一种有机物，请写出化学方程式。
。
（2）经过几个小时的反应后，U型管右端的玻璃管中水柱变化是 。
A．升高 B．降低 C．不变 D．无法确定
（3）U型管左端的气柱变化是 。
A．体积增大 B．体积减小 C．消失 D．不变
（4）试解释U型管右端的玻璃管中水柱变化的原因。__________________________
6. 将标准状况下甲烷和氧气的混合气体224mL，点燃完全燃烧，将生成的气体通入100mL 0.02mol/L的石灰水中，得到0.1g白色沉淀，求原混合气体中甲烷和氧气的体积比。
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参考答案
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1． D． 2． B． 3． D． 4． A． 5． A. 6． C． 7． A． 8． B． 9． D． 10． D．
11． H2O；H2；CO2；CO；H2O；CO2；CH4。燃烧的火焰上方；很快使烧杯内壁变得模糊，有水蒸气凝结；H2O；澄清的石灰水；石灰水变浑浊；CO2。
12、分子式是C5H12。
【活学活用】
1.B 2．C 3.B 4. C
5．（1）；（2）B；（3）BC（注意：体积消失是体积减小的极限）（4）由上述化学方程式可知，此反应中气体的物质的量减少，且生成的HCl能够溶解于水，所以左侧压强减小至零，故右侧玻璃管中的水柱降低，左侧气柱消失。
6. 解：因一定量CO2通入一定量石灰水，可能生成CaCO3，也可能生成CaCO3与Ca(HCO3)2，则应分二种情况讨论。
(1)设CH4的体积为x，若石灰水过量，有
CH4 － CO2 － CaCO3
22.4L 100g
x×10-3 0.1g 21世纪教育网
x=22.4mL
则氧气的体积为：224 mL－22.4 mL =201.6mL
因此，V(CH4)∶V(O2)=22.4mL∶201.6 mL =1∶9
(2)若CO2过量，设完全沉淀0.02mol/L Ca(OH)2 100mL中Ca2+消耗CO2 体积为a，溶解部分CaCO3 用去CO2 的体积为b，CaCO3最大沉淀质量为c，有
CO2 ＋ Ca(OH)2 = CaCO3↓ + H2O
22.4mL 1mol 100g
a×10-3 0.02×0.1mol c 21世纪教育网
解得a=44.8mL c=0.2g
CO2 ＋ CaCO3 ＋H2O=Ca(HCO3)2
22.4 mL 100g
b×10-3 (0.2mol－0.1mol)
解得b=22.4mL
则V(CH4)=V(CO2)=a＋b=44.8 mL＋22.4 mL =67.2mL
V(O2)=224 mL－67.2 mL =156.8mL
因此，V(CH4)∶V(O2)=67.2 mL∶156.8 mL =3∶7
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