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烃 第一节 甲烷

2008-7-16

第五章       第一节 甲烷

命题趋势:

化学高考题有一个显著特点,就是在试题里承载了许多现实生活中或科技领域里的知识,但解决问题还是要落实到中学已学习过的知识上来。而本节所学的有机物,特别是烃的基础知识更是高考的考查重点。应着重掌握甲烷的结构、性质以及结构与性质间的关系。先立足于掌握基础知识,再着眼于解决高考中的实际问题。有关甲烷的性质,高考中主要以选择题的形式出现。

教学目的

1、  理解有机物的概念和有机物的特点

2、  掌握烃的概念、甲烷的组成和分子结构

3、  掌握甲烷的物理性质和化学性质

4、  掌握取代反应的概念

教材分析:

1.在进入本节教学内容之前,教材在章节引言中对有机物做了概述,由于学生对物质结构的知识了解比较少,因此,教材使用的都是学生可以接受的浅显的语言,以利于学生的理解和记忆。

2.在初中以介绍的甲烷燃烧反应和一些用途的基础上,本节的教学内容将进一步介绍甲烷的分子结构、主要化学性质包括;氧化反应、取代反应、受热分解等。

教学重点

        甲烷的化学性质,取代反应。

教学难点

        甲烷的分子结构,甲烷的取代反应。

重点、难点突破:

1.介绍甲烷的结构时,可从用电子式表示甲烷的形成过程引入,然后再利用球棍模型和比例模型介绍甲烷的立体结构。

2.甲烷分子中的碳原子与氢原子之间能形成牢固的共价键为依据,介绍甲烷的化学性质,常温下很稳定。将甲烷在空气中的燃烧和甲烷与酸性高锰酸钾溶液的反应对比,说明甲烷不能与酸性高锰酸钾溶液的反应,得出结论甲烷的化学性质在通常情况下是稳定的,在一定条件下也可与某些氧化剂发生反应。

3.甲烷的取代反应是烷烃的特征反应,是本节的重点和难点之一。在实验的基础上有一个甲烷分子中的氢原子能被取代的印象,然后再通过甲烷与氯气反应的几步方程式,向学生说明甲烷分子中的氢原子不仅一个被取代,而且全部可以被取代,进而讲清取代反应的确切涵义,并指出有机化学的取代反应与无机化学中置换反应的不同。

学情分析:

          竞赛班:增加甲烷的制法。

重点班:课外辅导甲烷的制法。

          普通班:不增加甲烷制法的内容。

          三个层次的班级根据不同情况选择习题。

实验准备:

         药品:无水醋酸钠(CH3COONa)、碱石灰、酸性高锰酸钾溶液、高锰酸钾(固体)、浓盐酸饱和食盐水

         仪器:铁架台(带铁夹)、橡胶塞(带导管)、量筒、水槽、大量筒、试管、酒精灯、大试管、

教学用具:投影仪、甲烷分子的球棍模型、比例模型

课时安排:1课时

复习预习指导:

            复习:初中甲烷的物理性质、燃烧反应和一些用途;摩尔质量的概念及计算。

            预习:有机物的概念;甲烷的化学性质。

教学过程:

引言:从今天起,我们将学习有机化合物的知识。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。有机化学是一门非常重要的科学,它和人类生活有着极密切的关系。人体本身的变化就是一连串非常复杂、彼此制约、彼此协调的有机物质的变化过程。从这一章我们开始学习有机化学。在有机化学中我们将学习烃、烃的衍生物、糖类、油脂、蛋白质及合成材料等。最早,人类只能从动植物体中取得一些有机物。后来,人类能通过非动植物体制取有机物。如今,人类不但可以合成自然界里已有的许多有机物,而且还能合成出自然界里原来没有的多种多样性能良好的有机物。

设疑:1.什么是有机物?

2.有机物种类繁多的主要原因是什么?

学生活动:自学、阅读教材的章引言部分,思考、讨论后回答:

回答:1世界上绝大多数的含碳化合物叫做有机化合物,简称有机物。

2有机物种类之所以繁多主要有以下几个原因:①碳原子最外电子层上有4个电子,可形成4个共价键;②在有机化合物中,碳原子不仅可以与其他原子成键,而且碳碳原子之间也可以成键;③碳与碳原子之间结合方式多种多样,可形成单键、双键或叁键,可以形成链状化合物,也可形成环状化合物;④相同组成的分子,结构可能多种多样。

评价:肯定学生的回答,并作补充说明,定义中之所以说绝大多数的含碳化合物是有机物,是因为有些物质如CO、CO2、Na2CO3等物质虽然含碳,但性质和组成与无机物很相近,所以把它们看作为无机物。那么究竟哪些物质是有机物,哪些物质是无机物,有什么判断依据呢?我们可以通过有机物与无机物的主要区别加以判断。

投影显示:有机物与无机物的主要区别

性质和反应

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,反应速率较慢

一般比较简单,副反应少,反应速率较快

讲述:当然有机物和含碳化合物的正确关系应该是:有机物一定含碳元素,但含碳元素的物质不一定是有机物。刚才同学们关于有机物种类繁多的原因总结的基本完整,据统计,目前已知的有机物已超过二千万种,而且每年新合成的化合物中,90%的是有机物。

结构图5—1:据4个碳原子相互结合的几种方式进一步理解有机物种类繁多的原因。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

设疑:有机物的基本成分包括哪些元素?什么叫烃?

思考后回答:有机物中除含碳元素外,通常还含有氢、氧、氮、硫、卤素、磷等。只含有碳和氢两种元素的有机化合物叫烃。

评价:肯定学生的回答,补充说明:在一种具体的有机物中不一定全包括上述所有的元素。

板书:有机物:绝大多数的含碳化合物

烃:只含有碳、氢两种元素的有机物

过渡:本章我们主要学习和讨论有关几种代表性的烃的基本性质,同时还将介绍一些石油和

煤的有关知识。在烃的家族中最简单的要数甲烷了,所以我们就先从甲烷开始学起。

      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。

目前,人类从自然界发现和人工合成的有机物已经超过二千万种,这个数字已远远超过无机化合物。有机化合物种类和数目繁多的主要原因是碳原子的结构所决定的。

板书: §5-1 甲烷

一、甲烷的结构

  通过全体学生的探究练习引入甲烷的结构。

课堂探究练习1:碳原子和氢原子的结构示意图。

答案:

  

课堂探究练习2: 已知甲烷仅由碳、氢两种元素组成,其中质量分数C%=75%,H%=25%。请同学们推出甲烷的化学式。

解题过程:

       因为C摩尔质量是12g/mol,H摩尔质量是1g/mol。

       设取甲烷100g,则C的质量是100×75%=75g,H的质量是100×25%=25g

       所以

       又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:CH4

课堂探究练习3:已知甲烷的分子式为CH4,①写出甲烷的电子式;②经实验测定它是非极性分子。讨论分子里各原子在空间的分布情况?

           ①甲烷的电子式:

                                                        

           ②讨论结果:可能有两种结构——平面正方形结构和正四面体结构,如图

                                

[总结]甲烷分子的比例模型:

                                       

     甲烷分子的球棍模型

                        

    经过科学实验证明甲烷分子的结构是正四面体结构,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(键角是109°28/)。

二、甲烷的性质

  物理性质:甲烷是无色、无臭的气体,密度是0.717g/L(标准状况),极难溶于水。

资料:甲烷是池沼底部产生的沼气和煤矿的坑道所产生的气体的主要成分。这些甲烷都是在

隔绝空气的情况下,由植物残体经过微生物发酵的作用而生成的。

                                  

  有些地方的地下深处蕴藏着大量叫做天然气的可燃气体,它的主要成分也是甲烷,按体积计算,天然气中一般约含有甲烷80%——97%。

  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。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。

板书:1.甲烷的氧化反应

实验:点燃甲烷,燃烧,火焰呈淡蓝色。分别用干燥的小烧杯和沾有澄清石灰水的小烧杯罩在火焰上,可以发现干燥的小烧杯内有无色液体生成,沾有澄清石灰水的小烧杯罩石灰水变浑浊。

CH4+2O2 CO2+2H2O

实验:把甲烷通入盛有酸性高锰酸钾溶液中,观察紫色的高锰酸钾溶液是否褪色?

                              

   从实验中可知溶液颜色没有变化,说明甲烷与高锰酸钾不发生反应。

   2.甲烷的取代反应

实验:取一个100mL的量筒,用排饱和食盐水的方法收集20mLCH4和Cl2,放在光亮的地方,日光不要直射,等待片刻,观察发生的现象。由现象讨论后得出结论。

 

                      

现象:量筒壁上出现油滴,量筒内的液面上升,气体颜色略微变浅。

结论:(学生观看甲烷与氯气发生取代反应的教学软件)

讲述:在反应中CH4分子里的1个H原子被Cl2分子里的1个Cl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(又叫氯仿)和四氯甲烷(又叫四氯化碳),反应如下:

    (CH3Cl分子里1个氢原子被Cl2分子里1个Cl原子所代替)

    (CH2Cl2分子里1个H原子被Cl2分子里1个Cl原子所代替)

    (CHCl3分子里的1个氢原子被Cl2分子里1个Cl原子所代替)   

讲述:甲烷分子里的氢原子是被氯原子逐步取代的,共生成五种物质,四种取代产物。

板书: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代替的反应叫做取代反应

             

讲述:在常温下,一氯甲烷是气体,二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷是液体,其中四氯甲烷又叫四氯化碳,三氯甲烷又叫氯仿,三氯甲烷和四氯甲烷是工业上重要的溶剂。

思考:取代反应与置换反应的区别

投影:  

类别

区别

取代反应

置换反应

CH4+Cl2 CH3Cl+HCl

Zn+H2SO4====ZnSO4+H2

定义

有机物分子里的原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应

一种单质跟一种化合物反应,生成另一种单质和另一种化合物的反应

反应物

一种化合物和另一种化合物或单质反应

一种单质和另一种化合物反应

生成物

一般生成两种化合物

生成一种化合物和另一种单质

反应中电子得失

不一定发生电子偏移,因此不一定是氧化还原反应

一定发生电子转移,一定是氧化还原反应

反应是否可逆

很多反应是可逆的

反应一般是不可逆的

 

板书:3.甲烷的受热分解

   在隔绝空气的情况下,加热至10000C,甲烷分解生成炭黑和氢气。

          CH4  C + 2H2

讲述:氢气是合成氨和合成汽油等工业的原料;炭黑是橡胶和染料的工业原料。

【总结】本节课的主要知识点

【作业】——教材114页:一、二、三题

板书设计:

一、甲烷的结构

二、甲烷的性质

  物理性质:甲烷是无色、无臭的气体,密度是0.717g/L(标准状况),极难溶于水。

  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。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.  甲烷的氧化反应

  

  2.甲烷的取代反应

  

  3.甲烷的受热分解

参考资料:《数理报》15期——1、浅谈甲烷 2、巧解“甲烷”习题  4、甲烷的考查方式

参考练习

1.在集气瓶中使甲烷与氧气混合,点燃进行爆炸性实验,下列甲烷与氧气的体积比(同温、同压)中爆炸响声最大的是(    )

A.1∶1              B.1∶2                        C.1∶3                         D.3∶1

解析:爆炸响声最大的必要条件之一:气体恰好完全反应,使单位体积的气体反应放出的热量最多。甲烷与氧气在点燃条件发生完全反应的化学方程式为:

CH4+2O2 CO2+2H2O

由上可知,答案应为B。

答案:B

2.将1 mol CH4和一定物质的量的Cl2混合均匀,以漫散光照射使CH4与Cl2发生取代反应。反应后CH4与Cl2均无剩余,且生成了等物质的量的四种卤代烃。参加反应的Cl2物质的量为(    )

A.1.5 mol                    B.2 mol                           C.2.5 mol                            D.4 mol

解析:根据生成的四种卤代烃物质的量相等和化学反应中质量守恒定律判断,CH4与Cl2反应的化学方程式为:    4CH4+10Cl2 CH3Cl+CH2Cl2+CHCl3+CCl4+10HCl

由化学方程式可知应为2.5 mol,应选C。

答案:C

3.解释:(1)CCl4能从碘的水溶液中萃取出碘:________________________________。

(2)衣服上沾上了油渍可以用汽油洗去 ___________________________________________。

4.(竞赛、重点)已知某种气态矿物燃料含有碳和氢两种元素。为了测定这种燃料中碳和氢两种元素的质量比,可将气态燃料放入足量的氧气中燃烧,并使产生的气体全部通入如图所示的装置中,得到如下表所列的实验结果(假设产生的气体完全被吸收)。

 

实验前

实验后

(干燥剂+U形管)的质量

101.1g

102.9g

(石灰水+广口瓶)的质量

312.0g

314.2g


根据实验据回答下列问题:

    (1)实验完毕后,生成水的质量为________g,假设广口瓶里盛有足量的澄清石灰水,则生成的CO2质量为________g.

(2)气态矿物燃料中碳元素与氢元素的质量比为____________.物质的量比__________

5.(竞赛、重点班选用)为了测定一种气态烃A的化学式,取一定量的A置于密闭容器中燃烧,定性实验表明产物是CO2、CO和水蒸气,学生甲、乙设计了如下两个方案,均认为根据自己的方案能求出A的最简式。他们测得的有关数据如下(图中的箭头表示气体的流向,实验前系统内的空气已排尽):

甲方案:燃烧产物  H2SO4    增重   碱石灰     增重      点燃    生成CO2

                          2.52g         1.32g            1.76g

乙方案:燃烧产物     碱石灰    增重  灼热Cu2O    减轻     石灰水    增重

                          5.60g          0.64g           4g

试回答:(1)根据两方案,你认为哪一种方案能求出A的最简式?________,A的最简式为_________。(2)若要确定A的化学式,是否还需要测定其它数据?_________如果需要,该测定哪些数据?______________________。

6、在t℃(t>100℃),某气态烃与过量氧气的混合气体aL,引燃后再恢复到原来条件,体积仍为aL,然后通过浓硫酸,体积减少bL,再通过碱石灰,气体体积又减少bL,求该气态烃的化学式。

7、甲、乙两学生用加热无水醋酸钠和碱石灰的混合物制取甲烷,甲取了一定量的无水醋酸钠和5g 碱石灰(其中含NaOH的质量分数为60%),经混合装入试管内加热,待收集到所需的甲烷时,停止加热,试管冷却后,乙称得甲留下的反应混合物的质量为8.7g,并将它继续加热到醋酸钠完全反应,收集到甲烷560mL(标准状况),求甲在标准状况下收集到甲烷的体积?

参考练习答案:3、(1)CCl4不溶于水,且碘在CCl4中溶解性比在水中要大;

              (2)油脂易溶于汽油中。

4、(1)1.8g, 2.2g;  (2)3:1,1:4

5、(1)甲,CH4; (2)不需要,该化学式就是最简式。

6、C2H4

7、560mL

课件设计: HXZ/XY/新文件夹/第一节  甲烷/甲烷.ppt

课后小记:本章是学习有机物的开始,俗话说:万事开头难。因此在教学中注重了以周围熟悉的有机物引入有机物的概念,从有机物的重要用途来激发学生学习有机物的兴趣。为了让学生对甲烷的分子结构有一个正确的认识,采用了模型展示的方法;通过实验演示甲烷的取代反应和不能被酸性高锰酸钾溶液氧化的事实以及投影分析取代反应的过程,不仅提高了广大学生的分析思考问题、动手的能力,同时还帮助学生树立科学的学习和分析方法。

 

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