Question

10．已知碳化鋁（Al₄C₃）與水反應生成氫氧化鋁和甲烷．為了探究甲烷性質，某同學設計如下兩組實驗方案：甲方案探究甲烷與氧化劑反應（如圖1所示）；乙方案探究甲烷與氯氣反應的條件（如圖2所示）．

甲方案實驗現(xiàn)象：溴水無顏色變化，無水硫酸銅變藍色，澄清石灰水變渾濁．
乙方案實驗操作過程：通過排飽和食鹽水的方法收集兩瓶甲烷與氯氣（體積比為1：4）的混合氣體，I瓶放在光亮處，II瓶用預先準備好的黑色紙?zhí)滋咨�，按圖2安裝好裝置，并加緊彈簧夾a和b．
（1）碳化鋁與稀硫酸反應的化學方程式為Al₄C₃+6H₂SO₄=2Al₂（SO₄）₃+3CH₄↑．
（2）寫出甲方案實驗中硬質試管里可能發(fā)生的化學方程式2CH₄+7CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$7Cu+CO₂+CO+4H₂O，（實驗測得消耗甲烷與氧化銅物質的量之比2：7）
（3）實驗甲中濃硫酸的作用是干燥甲烷，集氣瓶中收集到的氣體不能（填“能”或“不能”）直接排入空氣中？
（4）下列對甲方案實驗中的有關現(xiàn)象與結論的敘述都正確的是A
A．酸性高錳酸鉀溶液不褪色，結論是通常條件下，甲烷不能與強氧化劑反應
B．硬質試管里黑色粉末變紅色，說明氧化銅發(fā)生了氧化反應
C．硬質試管里黑色粉末變紅色，推斷氧化銅與甲烷反應只生成水和二氧化碳
D．甲烷不能與溴水反應，推知甲烷不能與鹵素單質反應
（5）乙方案中燒杯里放入足量的水，打開彈簧夾a、b，一段時間后，觀察到有水倒吸到I瓶中，但水并不能充滿I瓶，請寫出該實驗現(xiàn)象所涉及的一個化學方程式CH₄+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CH₃Cl+HCl．除了上述現(xiàn)象外，該實驗中還可能觀察到的現(xiàn)象有ABC（填序號）．
A．I瓶中氣體顏色變淺             B．I瓶中出現(xiàn)白霧
C．I瓶瓶內壁出現(xiàn)油狀物質         D．II瓶中與I瓶現(xiàn)象相同．

Answer 1

分析 （1）碳化鋁（Al₄C₃）與水反應生成氫氧化鋁和甲烷，碳化鋁與硫酸反應生成硫酸鋁和甲烷；
（2）甲烷與氧化銅反應，碳元素化合價升高，銅元素化合價降低結合甲烷與氧化銅物質的量之比2：7書寫；
（3）根據(jù)實驗甲的實驗目的和甲烷的性質進行解答，若集氣瓶中收集到的氣體屬于有毒氣體，則不能排放到空氣中，反之能；
（4）A．若甲烷能與強氧化劑反應，酸性高錳酸鉀溶液褪色；
B．硬質試管里黑色粉末變紅色，可能為銅，氧化銅發(fā)生了還原反應；
C．氧化銅與甲烷反應生成水和二氧化碳、一氧化碳，硬質試管里黑色粉末也能變紅色；
D．甲烷能與鹵素單質發(fā)生取代反應；
（5）甲烷和氯氣在光照條件下發(fā)生反應，生成有機物有CH₃Cl、CH₂Cl₂、CHCl₃、CCl₄，還有無機物氯化氫，根據(jù)它們的性質解答．

解答 解：（1）碳化鋁（Al₄C₃）與水反應生成氫氧化鋁和甲烷，碳化鋁與硫酸反應可理解為碳化鋁（Al₄C₃）與水反應，產物再和硫酸反應，所以產物為硫酸鋁和甲烷，反應方程式為：Al₄C₃+6H₂SO₄=2Al₂（SO₄）₃+3CH₄↑，
故答案為：Al₄C₃+6H₂SO₄=2Al₂（SO₄）₃+3CH₄↑；
（2）甲烷中碳元素化合價為-4價，甲烷與氧化銅反應，碳元素化合價升高，甲烷與氧化銅物質的量之比2：7，先根據(jù)氫守恒確定水前系數(shù)，再根據(jù)碳、氧守恒得硬質試管里可能發(fā)生的化學方程式為：2CH₄+7CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$7Cu+CO+CO₂+4H₂O，
故答案為：2CH₄+7CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$7Cu+CO+CO₂+4H₂O；
（3）碳化鋁與硫酸反應生成硫酸鋁和甲烷，甲方案探究甲烷與氧化劑反應，盛放濃硫酸的裝置放置在氧化劑氧化銅之前，所以實驗甲中濃硫酸的作用是干燥CH₄，甲烷和氧化銅反應，碳元素化合價升高，生成碳的氧化物，產物中可能有一氧化碳生成，所以集氣瓶中收集到的氣體不能直接排放到空氣中，
故答案為：干燥甲烷；不能；
（4）A．甲烷不能與強氧化劑反應，若能反應，則酸性高錳酸鉀溶液在甲烷的作用下會褪色，現(xiàn)不褪色，結論是通常條件下，甲烷不能與強氧化劑反應，故A正確；
B．硬質試管里黑色粉末變紅色，可能為銅，即黑色的氧化銅被還原為銅單質，氧化銅中銅元素化合價降低，表現(xiàn)氧化性，發(fā)生還原反應，故B錯誤；
C．氧化銅與甲烷反應生成水和二氧化碳、一氧化碳，硬質試管里黑色粉末也能變紅色，故C錯誤；
D．甲烷不能與溴水反應，但甲烷能與鹵素單質發(fā)生取代反應，故D錯誤；
故選A；
（5）乙方案中燒杯里放入足量的水，甲烷和氯氣在光照條件下發(fā)生取代反應，CH₄+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CH₃Cl+HCl，CH₃Cl+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CH₂Cl₂+HCl，CH₂Cl₂+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CHCl₃+HCl，CHCl₃+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CCl₄+HCl，生成物中CH₃Cl（氣體）、CH₂Cl₂（油狀液體）、CHCl₃（油狀液體）、CCl₄（油狀液體）、HCl（極易溶于水），打開彈簧夾a、b，一段時間后，觀察到有水倒吸到I瓶中，但CH₃Cl（氣體）難溶于水，所以水并不能充滿I瓶，氯氣為黃綠色氣體、反應后I瓶中氣體顏色變淺，HCl（極易溶于水），I瓶中出現(xiàn)白霧，CH₂Cl₂（油狀液體）、CHCl₃（油狀液體）、CCl₄（油狀液體）、I瓶瓶內壁出現(xiàn)油狀物質，Ⅱ瓶中無現(xiàn)象，II瓶中與I瓶現(xiàn)象不相同，所以ABC符合．
故答案為：CH₄+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CH₃Cl+HCl；ABC．

點評 本題是關于甲烷的還原性的實驗探究，考查了元素守恒定律的運用及實驗的步驟、物質的性質等，掌握實驗室制取氯氣的反應原理，明確甲烷的取代反應原理、反應條件是解答關鍵，試題培養(yǎng)了學生靈活應用所學知識的能力，題目難度中等．