Question

3．甲烷是天然氣、沼氣、油田氣、煤礦坑道氣的主要成分，是一種清潔能源和重要的化工原料．
（1）甲烷分子是以碳原子為中心的空間正四面體結(jié)構(gòu)，而不是平面正方形的結(jié)構(gòu)，理由是C；
A．CH₄分子中4個共價鍵的鍵長相等  B．CH₃Cl只代表一種物質(zhì)
C．CH₂Cl₂只代表一種物質(zhì)              D．CHCl₃分子中有2種共價鍵
（2）甲烷與氯氣在光照條件下可發(fā)生取代反應(yīng)，其中生成氣態(tài)有機產(chǎn)物的化學方程式為CH₄+Cl₂$\stackrel{光}{→}$CH₃Cl+HCl．四種有機產(chǎn)物中分子空間結(jié)構(gòu)為正四面體、可用作高效滅火劑的是CCl₄；
（3）在一定條件下，下列物質(zhì)可與甲烷發(fā)生反應(yīng)的是D；
A．KMnO₄酸性溶液     B．濃硫酸     C．NaOH溶液      D．Br₂
（4）將兩個鉑電極放置在KOH溶液中，然后分別向兩極通入CH₄和O₂，即可構(gòu)成甲烷燃料電池，其中負極的電極反應(yīng)式為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，正極的電極反應(yīng)式為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．

Answer 1

分析 （1）如果甲烷是正方形的平面結(jié)構(gòu)，而CH₂Cl₂有兩種結(jié)構(gòu)：相鄰或者對角線上的氫被Cl取代，而實際上，其二氯取代物只有一種結(jié)構(gòu)，因此只有正四面體結(jié)構(gòu)才符合；
（2）甲烷和氯氣在光照條件下發(fā)生取代反應(yīng)生成氣體有機產(chǎn)物一氯甲烷；可用作滅火劑的是四氯化碳；
（3）甲烷是正四面體結(jié)構(gòu)，甲烷分子中每個原子都達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以甲烷性質(zhì)穩(wěn)定，不與強酸、強堿、強氧化劑反應(yīng)，能夠與氯氣在光照條件下發(fā)生取代反應(yīng)，據(jù)此解答；
（4）堿性燃料電池中，負極上甲烷放電生成碳酸根，正極上氧氣放電生成氫氧根，據(jù)此寫出電極反應(yīng)式．

解答 解：（1）A、甲烷無論是正四面體結(jié)構(gòu)，還是正方形，四個鍵的鍵長都相等，故A錯誤；
B、甲烷無論是正四面體結(jié)構(gòu)，還是正方形結(jié)構(gòu)，CH₃Cl均只有一種結(jié)構(gòu)，故CH₃Cl只有一種結(jié)構(gòu)，不能說明甲烷的空間構(gòu)型，故B錯誤；
C、甲烷是正方形的平面結(jié)構(gòu)，而CH₂Cl₂有兩種結(jié)構(gòu)：相鄰或者對角線上的氫被Cl取代，而實際上，其二氯取代物只有一種結(jié)構(gòu)，因此只有正四面體結(jié)構(gòu)才符合，故C正確；
D、無論甲烷分子是以碳原子為中心的正四面體結(jié)構(gòu)，還是平面正方形結(jié)構(gòu)，CHCl₃都不存在同分異構(gòu)體，故D錯誤；
故選C．
（2）甲烷和氯氣在光照條件下發(fā)生取代反應(yīng)生成氣體有機產(chǎn)物一氯甲烷，故反應(yīng)為CH₄+Cl₂ $\stackrel{光}{→}$ CH₃Cl+HCl；可用作滅火劑的是四氯化碳，化學式為 CCl₄
，故答案為：CH₄+Cl₂ $\stackrel{光}{→}$ CH₃Cl+HCl； CCl₄；
（3）A．甲烷不能被酸性高錳酸鉀氧化，故A錯誤．
B．甲烷性質(zhì)穩(wěn)定與濃硫酸不反應(yīng)，故B錯誤；
C．甲烷性質(zhì)穩(wěn)定不能與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，故C錯誤；
D．甲烷和溴蒸汽在光照條件下發(fā)生取代反應(yīng)，故D正確．
故選D．
（4）堿性甲烷燃料電池，具有還原性的甲烷為原電池的負極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，通入氧氣的一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，故答案為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；

點評 本題考查有機反應(yīng)的書寫和堿性甲烷電池的工作原理，題目難度不大，本題中注意把握電極反應(yīng)式的書寫，正確判斷兩極的化學反應(yīng)，在學習中注意積累電子、電流、離子的流向．