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構，而不是平面正方形的結構，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
C．CH₂Cl₂只代表一種物質              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生取代反應，其中生成氣態有機產物的化學方程式為CH₄+Cl₂$\stackrel{光}{→}$CH₃Cl+HCl．四種有機產物中分子空間結構為正四面體、可用作高效滅火劑的是CCl₄；
（3）在一定條件下，下列物質可與甲烷發生反應的是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，即可構成甲烷燃料電池，其中負極的電極反應式為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，正極的電極反應式為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．

Answer 1

分析 （1）如果甲烷是正方形的平面結構，而CH₂Cl₂有兩種結構：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構，因此只有正四面體結構才符合；
（2）甲烷和氯氣在光照條件下發生取代反應生成氣體有機產物一氯甲烷；可用作滅火劑的是四氯化碳；
（3）甲烷是正四面體結構，甲烷分子中每個原子都達到穩定結構，所以甲烷性質穩定，不與強酸、強堿、強氧化劑反應，能夠與氯氣在光照條件下發生取代反應，據此解答；
（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，據此寫出電極反應式．

解答 解：（1）A、甲烷無論是正四面體結構，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構，還是正方形結構，CH₃Cl均只有一種結構，故CH₃Cl只有一種結構，不能說明甲烷的空間構型，故B錯誤；
C、甲烷是正方形的平面結構，而CH₂Cl₂有兩種結構：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構，因此只有正四面體結構才符合，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構，還是平面正方形結構，CHCl₃都不存在同分異構體，故D錯誤；
故選C．
（2）甲烷和氯氣在光照條件下發生取代反應生成氣體有機產物一氯甲烷，故反應為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．甲烷性質穩定與濃硫酸不反應，故B錯誤；
C．甲烷性質穩定不能與氫氧化鈉溶液反應，故C錯誤；
D．甲烷和溴蒸汽在光照條件下發生取代反應，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，發生氧化反應，電極反應式為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，通入氧氣的一極為原電池的正極，發生還原反應，電極反應式為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式的書寫，正確判斷兩極的化學反應，在學習中注意積累電子、電流、離子的流向．