知识必备|高中化学知识点之天然气的利用及甲烷，含例题解析

知识点1：

（一）有机物概述1. 有机物的含义：绝大多数含碳的化合物，都是有机化合物（简称有机物）。CO、CO2、碳酸及其盐等由于其结构和性质类似于无机物，所以属于无机物的范畴。

2. 有机物和无机物在性质上的区别

3. 有机物的种类繁多，达千万种，无机物只有十来万种。碳元素位于元素周期表的IVA族，所以构成人类已知化合物种类最多的元素位于周期表的IVA族。

（二）甲烷有机物里，有一大类仅是由碳和氢两种元素组成，叫做碳氢化合物，简称烃。该类物质中组成最简单的是CH4。1. 分子结构甲烷分子式为CH4，电子式为

，结构式为

。科学实验证明，甲烷分子里的一个碳原子与四个氢原子不在同一平面上，而是形成一个对称的正四面体的立体结构（碳原子位于正四面体的中心，4个H原子分别位于正四面体的4个顶点）。分子中的C—H键为极性键。

2. 物理性质通常甲烷是一类没有颜色，没有气味的气体。比空气轻，极难溶于水。天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分都是甲烷。甲烷又名沼气或坑气。

3. 化学性质（1）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。甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，也不能使溴的四氯化碳溶液褪色。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。

（2）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代替的反应叫做取代反应。在日光照射下，CH4和Cl2发生反应可生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3（俗名氯仿）、CCl4四种卤代烃和氯化氢。

室温中，甲烷和氯气的混合气体无光照时，不发生化学反应。有光照时，瓶内气体的黄绿色逐渐变浅，瓶壁出现油状液滴，瓶中有少量白雾。

特别提示：

①反应物状态：纯卤素，例如甲烷不跟溴水起反应，与溴蒸气见光起取代反应；反应条件：光照。

②由于有机反应的副反应较多，所以有机化学方程式中，“生成”多用“”而不用“＝”表示。

③CH4与Cl2的取代反应的特点是逐步取代的连锁反应，反应得到的是各种取代产物的混合物，其中HCl的物质的量为最多。

④要注意取代1个H原子需要l个Cl2而不是1个Cl，1 mol有机物CxHy与Cl2发生完全取代反应时，消耗Cl2的最大物质的量为y mol。

⑤与Cl2相似，其他卤素单质在光照条件下，也能与CH4发生取代反应。

⑥CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4均为组成和结构相似的物质（除CCl4为正四面体结构外，其余均为四面体结构），因而具有相似的性质：都不溶于水；随相对分子质量的增大，沸点逐渐升高。常温下，只有CH3Cl是气体，其他都是液体。CHCl3、CCl4都是重要的工业溶剂；CCl4中的C元素已达+4价，CCl4不燃烧，也不支持燃烧，常作灭火剂。

（3）氧化反应：CH4可以在空气或氧气中安静地燃烧，产生淡蓝色火焰。化学方程式为：CH4 + 2O2CO2 + 2H2O 。 典型例题

例1. 能够证明甲烷分子的空间结构为正四面体的事实是（ ）A. 甲烷的四个碳氢键的键能相等B. 甲烷的四个碳氢键的键长相等C. 甲烷的一氯代物只有一种D. 甲烷的二氯代物只有一种

解析：D。

点拨：甲烷的结构式为

，其分子空间构型可能有两种：①为平面正方形结构，②为空间正四面体结构。无论是①还是②的空间构型，A、B、C都是成立的，或者说A、B、C成立并不能证明甲烷分子的空间构型是①还是②。若是构型①，则二氯甲烷有两种结构：

。若是构型②，则二氯甲烷只有一种结构。

例2. 在标准状况下，甲烷的密度为H2密度的8倍，32g甲烷完全燃烧，生成CO2 88 g，H2O 72g，求甲烷的分子式。

解析：在标准状况下，甲烷的密度是H2密度的8倍，则甲烷的相对分子质量为16，摩尔质量为16g/mol，32g甲烷的物质的量为2 mol，32g甲烷完全燃烧后生成CO2的物质的量为 = 2mol，生成H2O的物质的量为= 4mol，则l mol甲烷中碳的质量为12g，共1 mol，氢的质量为4g，共4 mo1，碳氢总质量为16g，因此无氧元素，故甲烷的分子式为CH4。

例3. 把1体积CH4和4体积Cl2组成的混合气体充入大试管中，将此试管倒立在盛有饱和食盐水的水槽中，放在光亮处，片刻后发现试管中气体颜色，试管中液面，试管壁上有出现，水槽中观察到。

解析：变浅；上升；黄色油滴；有晶体析出点拨：CH4和Cl2在光照下生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4、HCl等物质，随着反应的进行，Cl2不断消耗，黄绿色逐渐消失。又因为CH3Cl为气体、CH2Cl2、CHCl3、CCl4在常温下均为无色油状液体，Cl2易溶于有机溶剂，所以会使试管壁上有黄色油滴出现。因生成的HCl易溶于水，使溶液中的Cl－浓度增大，有NaCl晶体析出。

例4. 下列反应不属于取代反应的是（ ）

解析：D。点拨：一般地，取代反应过程中的替代关系就是一对一的关系。

例如：

例5. 已知天然气的主要成分CH4是一种能产生温室效应的气体，等物质的量的CH4 和CO2产生的温室效应，前者大。下面是有关天然气的几种叙述：①天然气与煤相比是较清洁的能源；②等质量的CH4和CO2产生的温室效应也是前者大；③燃烧天然气也是酸雨的成因之一。其中正确的是（ ）

A. ①②③B. 只有①C. ①和②D. 只有③

解析：C。点拨：煤燃烧时产生有毒气体SO2，因此①说法正确；等质量的CH4 和CO2相比，CH4的物质的量大，根据题给信息，前者产生的温室效应大，②说法正确；天然气的燃烧产物为CO2和H2O，因此燃烧天然气不是酸雨的成因之一，③说法错误。

例6. 如图所示，在水平部分有一段气柱，其他两段为液柱，已知液体与气体不反应，使CH4与Cl2在稍暗的条件下缓慢反应，则中间气柱的长度如何变化（假设气柱未移出U形管的水平部分（ ）

A. 变长B. 变短C. 不变D. 难以确定

解析：A。点拨：甲烷与氯气发生4个反应，CH4 + Cl2CH3Cl + HClCH3Cl+ Cl2CH2Cl2+ HClCH2Cl2 + Cl2CHCl3 + HClCHCl3+ Cl2CCl4 + HCl从以上反应看，反应过程中，气体体积减小，所以左端液柱上升，右端液柱下降。中间气柱所受压强减小，故变长。

例7. 如果空气中混入甲烷的体积达到总体积的5％—15％这个范围，点燃甲烷时就会发生爆炸。则发生爆炸最剧烈时，CH4在空气中的体积分数约为（ ）。

A. 5％B. 8％C. 9.1％ D. 10.5％

答案： C

解析：设空气中CH4的体积为x，由CH4燃烧的方程式可求出爆炸最剧烈时需O2的体积为2x，此时空气中还含有N2的体积约为8x，则CH4在空气中的体积分数为9.1％。

知识点2：烷烃1. 分子结构特点：碳原子跟碳原子都以单键结合，碳原子剩余的价键全部跟氢原子结合，使每个原子的化合价都达到“饱和”的链烃叫饱和链烃，或称烷烃。烷烃的分子通式为：CnH2n+2。有机物分子组成和结构的表示方法

特别提示：

①烷烃首先是烃，分子里只含C、H两种原子；

②烷烃分子里只有两种键，碳碳单键（这是烷烃的重要结构特点）和碳氢键；

③烷烃是饱和烃。C原子数一定的烷烃分子里，H原子数已达到最多。其他碳数相同的烃分子里的H原子数都不会比烷烃多。具有CnH2n+2这一通式的物质一定是烷烃；

④烷烃分子结合成链状，可以是所谓的“直链”，也可以带有“支链”；

⑤即使不带支链的烷烃，它的碳链也不是直线形的，而是锯齿形的。同样带支链的烷烃也是锯齿形的；

⑥CH4是所有烃类物质中含H的质量分数最大的。在烷烃中，随着碳原子数的增加，烷烃的含H量逐渐降低，含C量逐渐增大。

2. 烷基：烃失去1个氢原子所剩余的原子团叫烃基（－R）。若失去氢原子的烃为烷烃，剩余的原子团叫做烷基。如甲基（－CH3）、乙基（－CH2CH3）等。

3. 同系物

（1）概念：结构相似，分子组成相差1个或若干个“CH2”原子团的有机化合物互称为同系物。

（2）①概念外延所指的物质绝不能是单质，而是可形成一个系列的有机化合物。②结构相似的同系物其化学性质也必然相似；物理性质应随相对分子质量的递变有规则地出现相应的递变（碳原子数越多，熔沸点越高）。③互为同系物的各有机物，其分子组成通式相同，则属同一类别的有机物。④分子组成相差一个或几个“CH2”原子团，其分子式必然不同。

4. 物理性质

（1）烷烃的熔、沸点较低。相对分子质量越大，烷烃的熔、沸点越高；相对分子质量相同时，支链越多，熔、沸点越低。

（2）碳原子数≤4的烷烃在常温常压下是气体，其他烷烃在常温常压下是液体或固体。

（3）烷烃的密度都小于水的密度。

（4）烷烃不溶于水而易溶于有机溶剂。

5. 化学性质：烷烃同系物的化学性质与甲烷类似。

（1）常温下，由于C—H、C—C键键能大，故性质稳定，不与强酸、强碱、强氧化剂反应。

（2）取代反应：CH3CH3 + Cl2CH3CH2Cl + HCl（3）氧化反应：C3H8 + 5O24H2O + 3CO2CnH2n+2 + O2nCO2 +（n+1）H2O

特别提示：

①烷烃不能使酸性KMnO4溶液褪色，也不能使溴的四氯化碳溶液褪色。

②取代反应是烷烃的特征反应。与卤素单质发生取代反应时，要求是纯卤素，烷烃不跟溴水起反应；反应条件是光照。由于是逐步取代的连锁反应，烷烃中H的数越多，反应得到的取代产物就越多。

6. 烷烃的命名分子中含1—10个碳原子的烷烃，按分子中的碳原子数依次命名为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷……癸烷（C10H22），分子中碳原子数超过10个的直接用碳原子数命名为某烷，如十六烷（C16H34）。

典型例题

例1. 下列有关烷烃的叙述中，不正确的是（ ）。

A. 在烷烃分子中，所有的化学键都为单键

B. 所有的烷烃在光照条件下都能与Cl2发生取代反应

C. 烷烃的分子通式为CnH2n+2，符合该通式的烃不一定是烷烃

D. 随着碳原子数的增加，烷烃的熔、沸点逐渐升高

答案：C

解析：烷烃中的碳碳键、碳氢键均为单键；烷烃都能与Cl2发生取代反应，这是烷烃的主要特性之一；随着碳原子数的增加，烷烃的分子间作用力增大，使其熔、沸点逐渐升高；因分子通式CnH2n+2中的氢原子已达饱和，故符合CnH2n+2的有机物只可能是烷烃。

例2. 2007年10月24日18时05分，“嫦娥奔月”，一个流传了千年的神话，在有着“月亮城”之称的高原航天城梦想成真。科学家对中国首颗探月卫星发回的数据进行了分析，发现月球形成时可能存在稀薄的原始大气层，主要由氖、氢、氦、氩等气体组成，不含甲烷等碳氢化合物。下列关于碳氢化合物的叙述正确的是（ ）。

A. 碳氢化合物的通式为CnH2n+2

B. 燃烧产物为二氧化碳和水的化合物一定是碳氢化合物

C. 碳原子间以单键相连的烃是烷烃

D. 由12 6C和1 1H组成的碳氢化合物分子的相对分子质量一定是偶数

答案：D

解析：CnH2n+2是烷烃的通式，A错误；燃烧产物为二氧化碳和水的化合物不一定是碳氢化合物，化学式为CxHyOz的有机物的燃烧产物也是二氧化碳和水，B错误；环烷烃中碳原子间以单键相连，但它不属于烷烃，C错误；因为碳原子的相对原子质量（12）为偶数，烃分子中的氢原子数也为偶数，所以碳氢化合物分子的相对分子质量一定是偶数，D项正确。

例3. 下列各物质是烷烃同系物的是（ ）

解析：D

点拨：烷烃分子里只含有C、H两种元素，且碳原子间全部以碳碳单键结合，A、B、C三项中物质的分子组成均不符合烷烃分子的组成通式CnH2n+2。

例4. 下列说法正确的是（ ）

A. 同系物之间互为同分异构体

B. 两个相邻同系物的相对分子质量之差为14

C. 所有的烷烃都一定互为同系物

D. 同系物具有相似的化学性质

解析：B、D

点拨：同系物之间至少相差一个“CH2”原子团，因而其分子式一定不相同，不可能互为同分异构体，A项错误；两个相邻同系物之间相差一个“CH2”原子团，其相对分子质量相差14，B项正确；分子式相同的不同烷烃互为同分异构体，C项错误；同系物的结构相似，则其化学性质也相似，D项正确。

例5. 某气态烷烃20mL，完全燃烧时，正好消耗同温同压下的氧气100mL，则该烃的化学式是（ ）

A. C2H6 B. C3H8 C. C4H10 D. C5H12

解析：B

点拨：气态烷烃完全燃烧的化学方程式为：

例6. 分子式为CxHy的气态烃完全燃烧，生成物均为气态（100℃以上），试讨论反应前后气体体积的变化规律。

解：

（1）y = 4时，气态烃完全燃烧，气体体积不变（同温同压下）。（2）y < 4时，气态烃完全燃烧，气体体积变小。

（3）y > 4时，气态烃完全燃烧，气体体积增大。

点拨：解此类题应注意审题：①烃的状态；②是否完全燃烧；③反应所处环境温度是否大于100℃；④有无除碳、氢以外的元素参与反应。

例7. 120℃时，一定体积的混合气态烃与足量的O2混合，使其完全燃烧后恢复到原来的温度和压强，气体的体积一定增大的是（ ）

A. C2H4、C3H6 B. C2H2、C3H8C. CH4、C2H2 D. CH4、C2H4

答案：A

解析：120℃时，H2O为气态，若混合气体的总体积增大，则说明混合烃的平均化学式CxHy中的y值一定大于4。A中无论两种气体如何混合，其完全燃烧后气体体积一定增大；B中受气体体积比的影响，其完全燃烧后气体体积可能增大，也可能减小或不变；C中气体完全燃烧后气体体积一定减小；D中气体无论以何种比例混合，其完全燃烧前后气体体积一定相同。

例8. 等质量的下列各烃分别在O2中完全燃烧时，消耗O2最多的是（ ）

A. C3H8 B. C2H4 C. C6H6D. CH4

答案：D

点拨：等质量的烃完全燃烧时，把CxHy变换为，y值越大，H元素质量分数越高，消耗O2越多，故有A：；B：CH2；C：CH；D：CH4，故D中CH4完全燃烧消耗O2最多。

例9. 对甲基（－CH3）的叙述不正确的是（ ）

A. 甲基的电子式为B. 甲基带一个单位电荷C. 乙烷由两个甲基组成D. 甲基显电中性答案：B

解析：甲基由甲烷去掉一个氢原子后形成，由甲烷的电子式可判断其失去一个氢原子后的电子式，并由该电子式知甲基显电中性。

例10. 两种气态烷烃的混合物在标准状况下的密度为1.16g· L－1，则关于此混合物的组成，下列说法正确的是（ ）

A. 一定有甲烷

B. 一定有乙烷

C. 可能是甲烷和戊烷的混合物

D. 可能是乙烷和丙烷的混合物

答案：A

解析：该混合烃的平均摩尔质量为1.16g· L－1 ×22. 4L/mol = 26 g/mol，则该混合烃的平均相对分子质量为26。甲烷的相对分子质量为16，其他烷烃的相对分子质量都大于26，则该混合烷烃中一定有甲烷。而戊烷在标准状况下为液体。点拨：平均值法在计算平均相对分子质量、平均摩尔质量时会经常用到，是中学化学计算或判断常用的方法，应加深理解及熟练应用。