Question

10．已知碳化铝（Al₄C₃）与水反应生成氢氧化铝和甲烷．为了探究甲烷性质，某同学设计如下两组实验方案：甲方案探究甲烷与氧化剂反应（如图1所示）；乙方案探究甲烷与氯气反应的条件（如图2所示）．

甲方案实验现象：溴水无颜色变化，无水硫酸铜变蓝色，澄清石灰水变浑浊．
乙方案实验操作过程：通过排饱和食盐水的方法收集两瓶甲烷与氯气（体积比为1：4）的混合气体，I瓶放在光亮处，II瓶用预先准备好的黑色纸套套上，按图2安装好装置，并加紧弹簧夹a和b．
（1）碳化铝与稀硫酸反应的化学方程式为Al₄C₃+6H₂SO₄=2Al₂（SO₄）₃+3CH₄↑．
（2）写出甲方案实验中硬质试管里可能发生的化学方程式2CH₄+7CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$7Cu+CO₂+CO+4H₂O，（实验测得消耗甲烷与氧化铜物质的量之比2：7）
（3）实验甲中浓硫酸的作用是干燥甲烷，集气瓶中收集到的气体不能（填“能”或“不能”）直接排入空气中？
（4）下列对甲方案实验中的有关现象与结论的叙述都正确的是A
A．酸性高锰酸钾溶液不褪色，结论是通常条件下，甲烷不能与强氧化剂反应
B．硬质试管里黑色粉末变红色，说明氧化铜发生了氧化反应
C．硬质试管里黑色粉末变红色，推断氧化铜与甲烷反应只生成水和二氧化碳
D．甲烷不能与溴水反应，推知甲烷不能与卤素单质反应
（5）乙方案中烧杯里放入足量的水，打开弹簧夹a、b，一段时间后，观察到有水倒吸到I瓶中，但水并不能充满I瓶，请写出该实验现象所涉及的一个化学方程式CH₄+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CH₃Cl+HCl．除了上述现象外，该实验中还可能观察到的现象有ABC（填序号）．
A．I瓶中气体颜色变浅             B．I瓶中出现白雾
C．I瓶瓶内壁出现油状物质         D．II瓶中与I瓶现象相同．

Answer 1

分析 （1）碳化铝（Al₄C₃）与水反应生成氢氧化铝和甲烷，碳化铝与硫酸反应生成硫酸铝和甲烷；
（2）甲烷与氧化铜反应，碳元素化合价升高，铜元素化合价降低结合甲烷与氧化铜物质的量之比2：7书写；
（3）根据实验甲的实验目的和甲烷的性质进行解答，若集气瓶中收集到的气体属于有毒气体，则不能排放到空气中，反之能；
（4）A．若甲烷能与强氧化剂反应，酸性高锰酸钾溶液褪色；
B．硬质试管里黑色粉末变红色，可能为铜，氧化铜发生了还原反应；
C．氧化铜与甲烷反应生成水和二氧化碳、一氧化碳，硬质试管里黑色粉末也能变红色；
D．甲烷能与卤素单质发生取代反应；
（5）甲烷和氯气在光照条件下发生反应，生成有机物有CH₃Cl、CH₂Cl₂、CHCl₃、CCl₄，还有无机物氯化氢，根据它们的性质解答．

解答 解：（1）碳化铝（Al₄C₃）与水反应生成氢氧化铝和甲烷，碳化铝与硫酸反应可理解为碳化铝（Al₄C₃）与水反应，产物再和硫酸反应，所以产物为硫酸铝和甲烷，反应方程式为：Al₄C₃+6H₂SO₄=2Al₂（SO₄）₃+3CH₄↑，
故答案为：Al₄C₃+6H₂SO₄=2Al₂（SO₄）₃+3CH₄↑；
（2）甲烷中碳元素化合价为-4价，甲烷与氧化铜反应，碳元素化合价升高，甲烷与氧化铜物质的量之比2：7，先根据氢守恒确定水前系数，再根据碳、氧守恒得硬质试管里可能发生的化学方程式为：2CH₄+7CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$7Cu+CO+CO₂+4H₂O，
故答案为：2CH₄+7CuO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$7Cu+CO+CO₂+4H₂O；
（3）碳化铝与硫酸反应生成硫酸铝和甲烷，甲方案探究甲烷与氧化剂反应，盛放浓硫酸的装置放置在氧化剂氧化铜之前，所以实验甲中浓硫酸的作用是干燥CH₄，甲烷和氧化铜反应，碳元素化合价升高，生成碳的氧化物，产物中可能有一氧化碳生成，所以集气瓶中收集到的气体不能直接排放到空气中，
故答案为：干燥甲烷；不能；
（4）A．甲烷不能与强氧化剂反应，若能反应，则酸性高锰酸钾溶液在甲烷的作用下会褪色，现不褪色，结论是通常条件下，甲烷不能与强氧化剂反应，故A正确；
B．硬质试管里黑色粉末变红色，可能为铜，即黑色的氧化铜被还原为铜单质，氧化铜中铜元素化合价降低，表现氧化性，发生还原反应，故B错误；
C．氧化铜与甲烷反应生成水和二氧化碳、一氧化碳，硬质试管里黑色粉末也能变红色，故C错误；
D．甲烷不能与溴水反应，但甲烷能与卤素单质发生取代反应，故D错误；
故选A；
（5）乙方案中烧杯里放入足量的水，甲烷和氯气在光照条件下发生取代反应，CH₄+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CH₃Cl+HCl，CH₃Cl+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CH₂Cl₂+HCl，CH₂Cl₂+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CHCl₃+HCl，CHCl₃+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CCl₄+HCl，生成物中CH₃Cl（气体）、CH₂Cl₂（油状液体）、CHCl₃（油状液体）、CCl₄（油状液体）、HCl（极易溶于水），打开弹簧夹a、b，一段时间后，观察到有水倒吸到I瓶中，但CH₃Cl（气体）难溶于水，所以水并不能充满I瓶，氯气为黄绿色气体、反应后I瓶中气体颜色变浅，HCl（极易溶于水），I瓶中出现白雾，CH₂Cl₂（油状液体）、CHCl₃（油状液体）、CCl₄（油状液体）、I瓶瓶内壁出现油状物质，Ⅱ瓶中无现象，II瓶中与I瓶现象不相同，所以ABC符合．
故答案为：CH₄+Cl₂$\stackrel{光照}{→}$CH₃Cl+HCl；ABC．

点评 本题是关于甲烷的还原性的实验探究，考查了元素守恒定律的运用及实验的步骤、物质的性质等，掌握实验室制取氯气的反应原理，明确甲烷的取代反应原理、反应条件是解答关键，试题培养了学生灵活应用所学知识的能力，题目难度中等．