7.1.1 甲烷-2023-2024学年度高一化学同步精品讲义（沪科版必修第二册）

7.1 饱和烃
7.1.1 天然气 甲烷的分子结构和性质

学习聚焦



知识精讲

知识点01 天然气
1．天然气是一种高效、清洁的气体燃料，主要成分是 甲烷 。
2．组成有机物的元素主要有 碳 、 氢 、 氧 ，还有氮、硫、卤素、磷等，其中仅含有碳、氢两种元素的有机物称为 碳氢化合物 ，简称 烃 。
3．烃类中分子组成最简单的物质是 甲烷 。
4．有机化合物是指除一氧化碳、二氧化碳、碳酸及碳酸盐等化合物以外的其他含 碳 化合物。
【即学即练1】下列关于有机物的说法正确的是
A．有机物只能从动植物的有机体中提取
B．有机物中一定含有碳、氢、氧三种元素
C．所有的有机物都易燃烧
D．含碳的化合物不一定是有机物，但有机物都含碳元素
【答案】D
知识点02 甲烷的分子结构
1．甲烷的分子式 CH4 ，电子式 ，结构式 ，立体结构为 正四面体 。
2．甲烷是一种 无 色、 无 味的气体， 难 溶于水。在通常情况下，甲烷与强酸、强碱、强氧化剂等均 不 （填“能”或“不”）发生反应。
【即学即练2】下列关于甲烷的说法正确的是
A．甲烷分子具有正四面体结构
B．甲烷溶于水
C．甲烷不能发生取代反应
D．甲烷性质稳定，不与任何物质反应
【答案】A
知识点03 甲烷的性质
1．甲烷具有可燃性，燃烧的化学方程式为 CH4+2O2CO2+2H2O 。
2．甲烷能与氯气发生 取代 反应，反应的化学方程式依次为：
（1） CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl 。
（2） CH3Cl＋Cl2CH2Cl2＋HCl 。
（3） CH2Cl2＋Cl2CHCl3＋HCl 。
（4） CHCl3＋Cl2CCl4＋HCl 。
3．把甲烷隔绝空气加热到1000℃以上，可以分解成 炭黑 和 氢气 。
【即学即练3】我国“西气东输”输送的气体是天然气，主要成分就是甲烷。下列叙述中错误的是
A．天然气是一种良好的燃料，也是重要的化工原料
B．甲烷分子是一种呈正四面体形的分子
C．甲烷与氯气发生取代反应后，生成的油状液滴成分可能是CH2Cl2、CHCl3、CCl4
D．家用天然气一旦泄漏便有难闻的气味，所以天然气是有气味的气体
【答案】D
【解析】选项A，天然气具有可燃性，也是合成氨等化学工业的原料，A说法正确。选项B的说法也正确。选项C，甲烷与氯气发生取代反应，产物中CH2Cl2、CHCl3、CCl4在常温常压下为液态，C说法正确。选项D，天然气是无色、无味的气体，为了使它在泄露时更容易被发现，往往会在天然气中加上难闻的硫醇或是四氢噻吩，这样一旦有了泄露的情况就能及时的发现，从而避免对人体造成伤害，所以难闻气味并不是天然气的气味，D说法错误。答案为D。

常见考法
常见考法一 有机物的基本概念
【例1】下述关于烃的说法中，正确的是
A．烃是指分子里含碳元素的化合物
B．烃是指燃烧反应后生成二氧化碳和水的有机物
C．烃是指含有碳和氢元素的化合物
D．烃是指仅含有碳和氢两种元素的有机物
【答案】D
必杀技
1．有机物的定义：含碳元素的化合物叫有机化合物，简称有机物。个别含碳的化合物如CO、CO2及碳酸和碳酸盐等结构与性质跟无机物相似，故仍属无机物。
2．烃的定义：仅由碳和氢两种元素组成的有机物称为烃，也叫碳氢化合物。最简单的烃是甲烷。
【同步练习1】下面列举了一些化合物的组成或性质，以此能够说明该化合物肯定属于有机物的是
A．仅由碳、氢两种元素组成
B．仅由碳、氢、氧三种元素组成
C．在氧气中能燃烧，且只生成二氧化碳
D．熔点低，且不溶于水
【答案】A
【解析】选项A，仅由碳、氢两种元素组成的物质是烃，属于有机物，A正确。选项B，H2CO3属于无机物，B错。选项C，CO在氧气中燃烧也生成二氧化碳，但CO属于无机物，C错。选项D，许多无机物的熔点低，不溶于水，D错。答案为A。

常见考法二 甲烷的分子结构
【例2】如图所示均能表示甲烷的分子结构，下列说法错误的是

A．Ⅰ将各原子看成了质点，为立体结构示意图
B．Ⅱ为电子式，表示甲烷分子中有8个电子
C．Ⅲ为球棍模型，棍代表甲烷分子内含有的共价键
D．Ⅳ为比例模型，能表示出甲烷的空间构型及各原子的相对大小
【答案】B
【解析】选项A，体现了甲烷的正四面体结构，A说法正确。选项B，甲烷分子中有10个电子，B说法错误，是答案。选项C和D的说法都正确。答案为B。
必杀技
1．在甲烷分子里，1个碳原子与4个氢原子形成4个C—H共价键。甲烷分子是正四面体型，C原子居于正四面体的中心，4个H原子位于4个顶点。
2．能够证明甲烷是正四面体结构，而不是平面结构的事实是：甲烷的二元取代物只有一种结构。
【同步练习2】已知CCl2F2是甲烷中的4个氢原子分别被2个氯原子和2个氟原子取代后的生成物。下列关于CH4和CCl2F2（商品名称为氟利昂­12）的叙述正确的是
A．CH4和CCl2 F2都是正四面体结构的分子
B．CH4为正四面体结构，CCl2F2为平面形结构
C．CH4和CCl2F2都只有一种结构
D．CH4和CCl2F2都是易燃易爆物质
【答案】C
【解析】选项A和B，CCl2 F2是四面体结构的分子，但空间不对称，A和B都错。选项C是正确的。选项D，CCl2F2不能燃烧，D错。答案为C。

常见考法三 甲烷的燃烧
【例3】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，则气体X可能是________。
【答案】（1）H2　（2）CO　（3）CH4（或H2、CO的混合物，或H2、CH4的混合物，或CO、CH4的混合物，或H2、CO、CH4的混合物）。
【解析】A瓶用于吸水，增加的质量为生成的H2O的质量，可用于推测H元素。B瓶用于吸收并检验CO2，增加的质量为生成的CO2的质量，可用于推测C元素。
必杀技
1．甲烷具有可燃性，燃烧时发出蓝色火焰。
2．甲烷在点燃前必须验纯。如果点燃甲烷和氧气或空气的混合物，可能发生爆炸。
3．天然气、沼气、煤坑气（俗称瓦斯）的主要成分都是甲烷。
【同步练习3】为验证烷烃分子中含有碳、氢两种元素，可将其燃烧产物通过：a．浓硫酸　b．澄清石灰水　c．无水硫酸铜，正确的通过顺序是
A．abc B．bc C．bca D．cb
【答案】D
【解析】应该先检验H2O，再检验CO2。无水硫酸铜由白色变为蓝色，可证明有H2O生成，澄清石灰水变浑浊，可证明有CO2生成。答案为D。

常见考法四 甲烷的取代反应
【例4】若甲烷与氯气以物质的量之比1﹕1混合，在光照下得到的有机取代产物是①CH3Cl、②CH2C12、③CHCl3、④CCl4
A．只有① B．只有③ C．①②③的混合物 D．①②③④的混合物
【答案】D
【解析】甲烷与氯气在光照条件下，同时发生着4个取代反应，所以四种有机产物都存在。答案为D。
必杀技
1．取代反应：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取代反应。
2．甲烷在光照条件下可与氯气发生取代反应，生成不溶于水的有机物，同时生成HCl。

甲烷与氯气反应的化学方程式：
CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl； CH3Cl＋Cl2CH2Cl2＋HCl；
CH2Cl2＋Cl2CHCl3＋HCl； CHCl3＋Cl2CCl4＋HCl
【同步练习4】下列有关甲烷的取代反应的叙述正确的是
A．甲烷与氧气在光照的条件下能发生取代反应
B．甲烷与氯水在光照的条件下能发生取代反应
C．甲烷与氯气的取代反应，生成的产物中HCl最多
D．1 mol甲烷生成CCl4需消耗2 mol氯气
【答案】C
【解析】选项A，甲烷与氧气反应的条件是点燃，A错。选项B，甲烷与氯水是不反应的，B错。选项C，甲烷与氯气的4个取代反应中，每个都产生HCl，所以HCl最多，C正确。选项D，1 mol甲烷生成CCl4需消耗4 mol氯气，D错。答案为C。

分层提分


题组A 基础过关练
1．下列叙述与甲烷无关的是
A．天然气的主要成分
B．造成“光化学烟雾”的气体
C．“西气东输”工程运输气体的主要成分
D．煤矿中瓦斯爆炸
【答案】B
【解析】光化学烟雾主要是碳氢化合物和氮氧化物（NOₓ）等，在阳光作用下发生光化学反应生成的有毒物质，与甲烷无关。答案为B。
2．下列事实能证明甲烷分子是以碳原子为中心的正四面体结构的是
A．CH2Cl2只有一种空间结构
B．CH4的一氯代物只有一种
C．在常温常压下，CH2Cl2为液体
D．四个C—H键完全相同
【答案】A
3．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
【答案】B
【解析】选项A的Cl2和选项D的SO2都不能用碱石灰干燥，选项C的NH3不能用浓硫酸干燥，答案要B。
4．下列物质在光照条件下，可以跟甲烷发生化学反应的是
A．稀盐酸 B．烧碱 C．氯气 D．高锰酸钾溶液
【答案】C
5．将秸秆、粪便等转化为沼气，既可获得清洁能源又可改善环境质量。沼气的主要成分是
A．CO B．CH4 C．H2 D．H2S
【答案】B
6．下列有机物不属于烃类的是
A．HCHO B．C2H6 C．C6H6 D．C4H10
【答案】A
【解析】烃类只含C、H两种元素，但选项A中还含有O。答案为A。
7．下列各图均能表示甲烷的分子结构，其中能反映其真实存在状况的是

【答案】D
【解析】选项D的空间填充模型就是比例模型，它既体现了甲烷的正四面体结构，也体现了C、H原子的相对大小。
8．下列反应属于取代反应的是
A．CH4C＋2H2 B．2HI＋Cl2=2HCl＋I2
C．CH4＋2O2CO2＋2H2O D．CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl
【答案】D
【解析】选项A是分解反应，选项B是置换反应，选项C是燃烧，只有选项D属于取代反应。答案为D。
9．化学与生活密切相关，下列有关物质用途的说法错误的是
A．明矾可用于净水
B．沼气可用作生活燃料
C．四氧化三铁可用作红色涂料
D．纯碱溶液可用于去除油污
【答案】C
【解析】用作红色涂料的是Fe2O3。
10．下列各图均能表示甲烷的分子结构，按要求回答下列问题。

（1）甲烷的比例模型是________，甲烷的电子式为________(填序号)。
（2）甲烷的分子式是________，其结构式是________。
（3）甲烷属于烃吗？________(填“是”或“否”)。
（4）上述哪一种更能反映其真实存在状况________(填字母,下同) 
a．Ⅰ　　 b．Ⅱ　　 c．Ⅲ　 　d．Ⅳ
（5）下列物质的主要成分不是甲烷的是______ 
a．天然气 b．沼气
c．煤坑气 d．水煤气
（6）甲烷是最简单的有机物，预测甲烷可能的性质有________。
a．甲烷难溶于水
b．甲烷易燃烧
c．甲烷参与的反应，一般比较简单，反应速率较快
d．甲烷是非电解质
（7）烃分子中的碳原子与氢原子结合的方式是________
a．形成4对共用电子对　　 b．通过1个共价键
c．通过2个共价键　　　 d．通过离子键和共价键
【答案】（1）D B （2）CH4 （3）是 （4）d （5）b （6）abd （7）b

题组B 能力提升练
11．CH4和H2混合气体10 mL，完全燃烧后生成6 mL CO2气体(气体的体积在相同状况下测定)，则混合气体中CH4和H2的体积之比为
A．2∶3 B．3∶2 C．2∶1 D．1∶2
【答案】B
【解析】要生成6 mLCO2，需甲烷6 mL，则氢气为4 mL。答案为B。
12. 在光照条件下，将1 mol CH4与Cl2反应，得到等物质的量的4种取代物，则消耗Cl2物质的量为
A. 1 mol B. 2 mol C. 2.5 mol D. 10 mol
【答案】C
【解析】由于CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl、CH4＋2Cl2CH2Cl2＋2HCl、CH4＋3Cl2CHCl3＋3HCl、CH4＋4Cl2CCl4＋4HCl。1 mol CH4生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4各为0.25 mol，则消耗Cl2为(0.25＋0.25×2＋0.25×3＋0.25×4)mol＝2.5 mol。
13. 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
【答案】C
【解析】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。
14. 鉴别甲烷、一氧化碳和氢气3种无色气体的方法，是将它们
A. 先后通入溴水和澄清石灰水
B. 点燃后罩上涂有澄清石灰水的烧杯
C. 点燃，先后罩上干燥的冷烧杯和涂有澄清石灰水的烧杯
D. 点燃后罩上涂有澄清石灰水的烧杯，通入溴水
【答案】C
【解析】 CH4、CO和H2与溴水、澄清石灰水都不反应，A项不可选。 CH4和CO燃烧都生成CO2，B、D项不可选。干燥的冷烧杯可检验燃烧产物中是否有水生成，涂有澄清石灰水的烧杯可检验燃烧产物中是否有CO2生成。答案为C。
15．目前我国大部分城市居民所使用的燃料主要是管道煤气，管道煤气的主要成分是CO、H2和少量烃类，天然气的主要成分是CH4。它们的燃烧反应如下：
2CO＋O22CO2　
2H2＋O22H2O　
CH4＋2O2CO2＋2H2O
根据以上化学方程式判断：燃烧相同体积的管道煤气和天然气，消耗空气体积较大的是________。因此燃烧管道煤气的灶具如要改烧天然气，灶具的改进方法是________(填“增大”或“减小”)进风口，如不改进可能产生的不良结果是_____________________。
【答案】天然气　增大　CH4燃烧不充分造成浪费，生成有毒气体CO
16．如图是某同学利用注射器设计的简易实验装置。甲中注入10 mLCH4同温同压下乙中注入50 mLCl2将乙中气体推入甲中，用日光照射一段时间，气体在甲中反应。

（1）下列是某同学预测的实验现象：
①气体最终变为红色；②实验过程中，甲中活塞向内移动；③甲中内壁有油珠；④产生火花。其中正确的是_______(填序号)。
（2）甲管中发生的化学反应类型为_______。
（3）反应后，甲中剩余气体最宜选用下列哪种试剂吸收_______(填字母)。。
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，若将甲中的物质推入盛有适量AgNO3溶液的小试管中会观察到_______。
【答案】（1）②③ （2）取代反应 （3）B （4）液体分为两层，产生白色沉淀
【解析】（1）理论上，CH4与Cl2体积比为1:4时二者恰好完全反应，而甲中Cl2与CH4体积比为5:1，Cl2过量，最终气体中仍有Cl2。反应进行过程中不会产生火花。产物中只有HCl和CH3Cl为气体，所以气体的总物质的量减小，内部压强减小，甲中活塞向内移动。产物中除HCl和CH3Cl为气体外，其它均为油状液体，因此能观察到甲中内壁有油珠；故答案为：②③；
（2）甲中发生的是甲烷与氯气的取代反应，故答案为：取代反应；
（3）剩余气体中含有Cl2和HCl，可用NaOH溶液吸收剩余气体，故答案为：B；
（4）生成的HCl会与AgNO3反应生成AgCl白色沉淀；同时因CH2Cl2、CHCl3、CCl4，均难溶于水而可看到液体分层；故答案为：液体分为两层，产生白色沉淀；
17．已知某种气态化石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分数，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，得到如表所列的实验数据(U形管中干燥剂只吸收水蒸气且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
101.1 g
102.9 g
（石灰水+广口瓶）的质量
312.0 g
314.2 g
根据实验数据求：
（1）实验完毕后，生成物中水的质量为　　　 g。
假设广口瓶里生成一种正盐，其质量为　　　 g。 
（2）生成的水中氢元素的质量为　　　 g。 
（3）生成的CO2中碳元素的质量为　　　 g。 
（4）该气态化石燃料中碳元素与氢元素的质量比为　　　。 
【答案】（1）1.8 5 （2）0.2 （3）0.6 （4）3∶1
【解析】U型管的增重是水的质量，为102.9 g-101.1 g=1.8 g，澄清石灰水吸收的是CO2，其质量为314.2 g-312.0 g=2.2 g。

题组C 培优拔尖练
18．防止煤矿矿井内“瓦斯”爆炸，除进行通风、严禁烟火外，还要随时检查矿井内瓦斯的体积分数。如果空气中含甲烷5%～15%，遇到明火会发生爆炸。发生最强烈爆炸时空气中甲烷所占的体积分数是
A．5% B．9.1% C．10.5% D．15%
【答案】B
【解析】当甲烷和氧气恰好反应时，爆炸最剧烈，则根据反应式CH4+2O2→CO2+2H2O可知，当甲烷与氧气体积之比为1：2时，发生强烈爆炸，令甲烷的体积为1体积，发生爆炸最强烈时空气中甲烷所占的体积分数是1/(1+10)×100%=9.1%，B正确；正确选项为B。
19．一定量的CH4燃烧后得到的产物是CO、CO2、H2O(g)，此混合物的质量为49.6 g，当其缓缓通过足量的无水CaCl2时气体质量减少25.2 g，则混合气中CO的质量为
A. 24.4 g B. 13.2 g C. 12.5 g D. 11.2 g
【答案】D
【解析】设产物中CO的物质的量为x，CO2的物质的量为y。由碳原子守恒可得CH4的物质的量为(x＋y)，又由氢原子守恒可得生成H2O的物质的量为2(x＋y)，即可得：44 g·mol－1·y＋28 g·mol－1·x＋2(x＋y)×18 g·mol－1＝49.6 g,2(x＋y)×18 g·mol－1＝25.2 g。则解得x＝0.4 mol，y＝0.3 mol，m(CO)＝0.4 mol×28 g·mol－1＝11.2 g。答案为D。
20. 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值应为____________。
（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________(填序号)。
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，还含有油状有机物，从E中分离出油状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________(填序号)。
a.CH4 b.CH3Cl c.CH2Cl2 d.CHCl3 e.CCl4
【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 ab
【解析】（1）B装置的三个作用：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）当发生反应：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）根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。