第一单元 化石燃料与有机化合物教学设计(第二课时)

第一单元

化石燃料与有机化合物

第1课时

天然气的利用

甲烷

导

学

过

程

课堂引入

案例1 近年来,世界天然气探明的储量快速增长,2003年天然气探明储量已达172万亿立方米,天然气的探明储量和待发现资源均超过石油,随着储量的增长,天然气的产量和消费量也大幅上升,预计2030年前后可能超过石油,21世纪将是天然气的时代是个不争的事实。

我国的天然气资源也比较丰富,天然气的勘探在塔里木、鄂尔多斯和四川盆地等地区取得大的突破,发现了克拉2、苏里格和罗家寨等大型气田,目前已输送到我国东部地区。这项具有划时代意义的“西气东输”(西起新疆,东至上海)工程已于2003年10月完工。天然气的主要成分是什么?它有哪些主要性质和应用?今天我们来学习甲烷。

案例2 在全球石油储量仅够再用50年的今天,一种可以取代石油的天然能源——“可燃冰”进入了人们的视野。“可燃冰”是天然气的水合物,它易燃烧,外形似冰。早些时候,广州海洋地质调查局宣布中国南海海域“可燃冰”调查获得重大进展,并有望在2020年进行商业开采。近年来,我国已经在南海北部陆坡、南沙海槽和东海陆坡等3处发现“可燃冰”。科学家们称,青藏高原羌塘盆地多年冻土区也可能蕴藏着大量的“可燃冰”。中国南海海域的“可燃冰”能源总量相当于中国陆地石油天然气资源的一半。迄今为止,世界上已探明“可燃冰”所含有的有机碳总资源量相当于全球已知煤、石油和天然气的两倍以上,可满足人类未来1000年的能源需求。天然气的主要成分是什么?它有哪些主要性质和应用?今天我们来学习甲烷。

知识建构(见学生用书课堂本第28~29页)

甲烷分子组成与结构的探究

●例1

测定有机化合物中碳和氢的质量分数的常用方法是燃烧分析法。把已知量的样品放在氧气流中,用氧化铜为催化剂,在750℃左右使样品全部氧化为CO2和H2O,分别用高氯酸镁[Mg(ClO4)2]或氯化钙吸收H2O,用碱石灰吸收CO2。已知在标准状况下, 4.48L甲烷的质量为3.2g,与氧气混合,通入电炉中完全燃烧后,高氯酸镁[Mg(ClO4)2]增重7.2g,碱石灰增重8.8g,试确定甲烷的分子式。

解析

n(甲烷)==0.2mol, n(C)=n(CO2)==0.2mol, N(C)==1, n(H)=2(H2O)=2×=0.8mol,N(H)==4,

m(O)=3.2g-0.2mol×12g·mol-1-0.8mol×1g·mol-1=0, 甲烷的分子式为CH4。

●例2

下列事实能说明甲烷分子的结构是正四面体而不是平面结构的是

A. CH4分子中4个碳氢键完全相同

B. CH3Cl只有一种结构

C. CH2Cl2只有一种结构

D. CHCl3只有一种结构

解析

正四面体和平面结构中,4个碳氢键都是完全相同,而平面结构中,氢原子之间存在相邻和相间的关系,其一氯代物和三氯代物只有一种,但二氯代物却有两种结构。

重难点突破

从碳原子的核外电子排布和共价键的知识逐步得出甲烷分子的结构式,再利用分子的球棍模型和比例模型或多媒体演示得出甲烷分子的空间结构,通过甲烷分子的组成和结构的探究,让学生认识研究有机物的一般方法。

甲烷的化学性质实验探究

【实验探究1】

把甲烷分别通入酸性高锰酸钾溶液和滴加紫色石蕊试剂的盐酸、NaOH溶液中。

现象: 溶液颜色

均不变

。 结论: 一般情况下,甲烷的化学性质

稳定

,与强酸、强碱、强氧化剂(如KMnO4)

均不反应

。 【实验探究2】

如何区别甲烷、一氧化碳、氢气这三种气体? 甲烷在空气中燃烧的现象:

淡蓝色火焰,没有黑烟

。

化学方程式:

CH4+2O2CO2+2H2O 。 (C)

【实验探究3】

取一个100mL的量筒,用排饱和食盐水的方法收集20mL CH4和80mL Cl2(见右图),用灯光照射混合气体,观察发生的现象。

现象:

黄绿色逐渐消失,液面上升,量筒内壁有油状物质生成

。 化学方程式:

CH4+Cl2CH3Cl+Cl2CH2Cl2+Cl2CHCl3+Cl2CH3Cl+HCl; CH2Cl2+HCl; CHCl3+HCl; CCl4+HCl 。 产物特点:

常温下CH3Cl是气体,CH2Cl2、CHCl3、CCl4都是不溶于水的液体

。 取代反应: 有机物分子里的某些

原子或原子团

被其他

原子或原子团

所取代的反应。 【讨论】

取代反应与置换反应的区别有哪些?

取

代

反

应

可与化合物发生取代,生成物中不一定有单质

反应能否进行受催化剂、温度、光照等外界条件的影响较大

分步取代,很多反应是可逆的

置

换

反

应

反应物、生成物中一定有单质

在水溶液中进行的置换反应遵循金属或非金属的活动性顺序

反应一般单向进行

重难点突破

在实验探究过程中引导学生全面观察实验现象,利用多媒体演示呈现甲烷和氯气发生取代反应的断键和成键的过程,使学生了解甲烷分子中的氢原子不仅能被取代1个,而且可被全部取代,进而讲清取代反应的含义。了解甲烷和氯气取代产物的特点,在此基础上,引导学生讨论取代反应和置换反应的区别,加深对取代反应本质的认识。

指导阅读,归纳甲烷的利用

1. 由甲烷可制得致冷剂——氟利昂:

CH4

CHCl3

CHFCl2

2. 以甲烷为原料,可制得甲醇(CH3OH):

CH4

CO、H2

CH3OH 3. 甲烷在1500℃以上高温时分解:

CH4

C+2H2

(制取

炭黑

)

烃、烷烃与同系物的概念

试根据甲烷结构式的特点,写出乙烷、丙烷、正丁烷的结构式和结构简式,并归纳烷烃分子组成的通式。

结构式:

结构简式: CH3CH3

CH3CH2CH3

CH3CH2CH2CH3或CH3(CH2)2CH3

烷烃分子组成的通式: Cn(n≥1) 同系物: 结构

相似

,分子组成上相差1个或若干个“

CH2

”原子团的有机物互称为同系物。 ●例3

下列各组物质中,互为同系物的是

(C) A. 12C和13C

B. 正丁烷和异丁烷

C. CH4和C3H8 D. O2和O3

解析

A中互为同位素,B中互为同分异构体,D中互为同素异形体。

重难点突破

从甲烷的结构式入手,结合碳原子的核外电子排布,理解碳原子的成键特点,进而写出乙烷、丙烷、正丁烷的结构式,通过对比使学生认识烷烃中,碳原子间以单键相连形成链状结构(包括支链),碳原子剩余的价键全部

与氢原子结合,使碳原子的化合价都得到饱和。通过让学生分析上述烷烃的结构简式和分子式,引导学生总结归纳出烷烃通式,理解同系物的概念,同时注意同系物与同位素、同素异形体、同分异构体等概念的对比。

学

以

致

用

(见学生用书课堂本第29页) 1. 验证某有机物属于烃,应完成的实验内容是

A. 只测定它的C、H比

B. 只要证明它完全燃烧后的产物中只有H2O和CO2

C. 只测定其燃烧产物中H2O与CO2的物质的量的比值

D. 测定该试样的质量及试样完全燃烧后生成的CO2和H2O的质量

解析

A、B、C项都不能说明该有机物中是否还含有其他元素,D项中根据CO2和H2O的质量分别算出碳元素和氢元素的质量,再结合试样的质量,可以确定是否含有氧元素。

2. 1mol CH4与Cl2发生取代反应,测得四种有机取代产物的物质的量相等,则消耗的Cl2为

(C) A. 0.5mol

B. 2mol

C. 2.5mol

D. 4mol

解析

每种取代物的物质的量为=0.25mol,根据取代反应特点,甲烷分子中每1个氢原子发生取代时均耗1个氯气分子,则需要氯气的物质的量为0.25mol×(1+2+3+4)=2.5mol。

3. 某烷烃分子中含有200个氢原子,那么该烃的分子式为

C99H200

;相对分子质量为212的烷烃的分子式为

C15H32

。

解析

根据烷烃分子组成的通式Cn(n≥1)即可得出。

4. 将一定量的甲烷燃烧后得到CO、CO2和水蒸气,混合气体的质量是49.6g,通过无水氯化钙后,无水氯化钙增重25.2g,则CO2的质量是

13.2 g。

解析

n(H2O)==1.4mol, 则n(H)=2.8mol。由H元素守恒,得n(CH4)=0.7mol。设n(CO)=x,n(CO2)=y;由碳元素守恒得x+y=0.7mol,另28g·mol-1·x+44g·mol-1·y=49.6g-25.2g,解得

x=0.4mol,y=0.3mol。所以

(D) m(CO2)=13.2g。

趁热打铁,事半功倍,请同学们及时完成学生用书练习本第37~38页的练习。