甲烷發生取代反應的有關規律
反應條件為光照，反應物為滷素單質。例如甲烷與氯水、溴水不反應，但可與氯氣、溴蒸氣發生取代反應。雖然反應物的比例、反應的時間長短等因素會造成各種產物的比例不同，但甲烷與氯氣反應的產物都是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4四種有機物與氯化氫形成的混合物。CH4與Cl2發生取代反應時，每1 mol H原子被取代，消耗1 mol Cl2分子，同時生成1 mol的HCl分子。(1)有機反應比較複雜，常伴隨很多副反應發生，因此有機反應方程式常用「→」。(3)當n(CH4)∶n(Cl2)=1∶1時，反應並不只發生CH4+Cl2CH3Cl+HCl，其他反應仍發生。取代反應
置換反應
可與化合物發生取代，生成物中不一定有單質
反應物、生成物中一定都有單質
反應能否順利進行受催化劑、溫度、光照等外界條件的影響較大。
在水溶液中進行的置換反應遵循金屬或非金屬活動性順序
分步取代，很多反應是可逆的
反應一般是單向進行
深化理解
1．甲烷的滷代反應的產物是混合物，而不是純淨物。
2．甲烷等有機物與氯氣發生取代反應時，取代的位置和個數是難以控制的，因此製備滷代烴一般不採用取代反應。
典型例題
例1 將1 mol甲烷與一定量的氯氣混合於一量筒中，倒立於盛有飽和食鹽水的水槽(如圖所示)，對於此反應，有關敘述不正確的是( )D．該反應現象有量筒內氣體顏色變淺，器壁上有油狀液滴解析 【分析】CH4與Cl2在光照條件下發生取代反應，該反應的生成物有一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、氯化氫五種產物，據此分析作答。【詳解】A. 將1 mol甲烷與一定量的氯氣混合於一量筒中，甲烷與氯氣發生取代反應，A項正確；C. 該反應的生成物有一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、氯化氫五種產物，C項錯誤；D. 氯氣參與反應，生成了液態有機物二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷，則量筒內氣體顏色變淺，器壁上有油狀液滴，D項正確；例2 （2020·四川省高一期中）若甲烷與氯氣以物質的量之比1：3混合於試管中進行如下實驗（如圖），下列對於試管內發生的反應及現象的說法正確的是（ ）A．反應完全後，向飽和食鹽水中加入紫色石蕊試液無變化B．甲烷和Cl2反應後的產物只有CHCl3和HCl兩種產物C．反應過程中試管內黃綠色逐漸消失，試管壁上有油珠產生D．CH4和Cl2完全反應後液面上升，液體充滿試管解析 甲烷和Cl2在光照條件下發生取代反應，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷和氯化氫，其中一氯甲烷和氯化氫是氣體，二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷是油狀液體。A. 反應生成氯化氫氣體，氯化氫氣體極易溶於水，反應完全後，向飽和食鹽水中加入紫色石蕊試液，溶液會變紅，A錯誤；B. 甲烷和Cl2在光照條件下發生取代反應是連鎖反應，該反應可得到一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷以及氯化氫氣體，B錯誤；C. 生成二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷都是難溶於水的油狀液體，因此反應過程中試管內黃綠色逐漸消失，試管壁上有油珠產生，C正確；D. 反應生成的一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷都難溶於水，一氯甲烷呈氣態，二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷是油狀液體，氯化氫極易溶於水，因此完全反應後液面上升，液體不會充滿試管，D錯誤；故答案為：C。【點睛】高中化學常用的酸鹼指示劑有甲基橙、石蕊和酚酞：①甲基橙的變色範圍為3.1～4.4，小於3.1為紅色，在3.1～4.4之間為橙色，大於4.4為黃色；②石蕊溶液變色範圍為5.0～8.0，小於5.0為紅色，在5.0～8.0之間為紫色，大於8.0為藍色；③酚酞試液變色範圍為8.2～10.0，小於8.2為無色，在8.2～10.0之間為淺紅色，大於10.0為紅色。變式強化
（2020·宜賓市敘州區第一中學校高一月考）利用甲烷與氯氣發生取代反應製取副產品鹽酸的設想在工業上已成為現實．某化學興趣小組通過在實驗室中模擬上述過程，其設計的模擬裝置如下：(1)裝置有三種功能：①控制氣流速度；②均勻混合氣體；③_____________________________ 。(2)設，若理論上欲獲得最多的氯化氫，則 ____________________ 。(3)裝置的石棉中均勻混有粉末，其作用是_________________________________。(4)寫出裝置中CH4與Cl2生成一氯代物的化學反應方程式：__________________________________.。(5)①裝置中除鹽酸外，還含有有機物，從中分離出鹽酸的最佳方法為______。．分液法 ．蒸餾法 ．萃取分液法 ．結晶法②該裝置還有缺陷，原因是沒有進行尾氣處理，其尾氣主要成分為_______。． ． ． ．解析 【分析】在加熱條件下，實驗室用濃鹽酸和二氧化錳反應製取氯氣，在光照條件下，甲烷和氯氣發生取代反應生成氯代烴和氯化氫，生成的黑色小顆粒為碳單質，氯氣具有強氧化性，能將碘離子氧化生成碘單質，最後生成的氯化氫溶於水得到鹽酸，互不相溶的液體採用分液的方法分離，一氯甲烷是氣體，還可能有過量的甲烷，據此答題。【詳解】在加熱條件下，實驗室用濃鹽酸和二氧化錳反應製取氯氣，在光照條件下，甲烷和氯氣發生取代反應生成氯代烴和氯化氫，生成的黑色小顆粒為碳單質，氯氣具有強氧化性，能將碘離子氧化生成碘單質，最後生成的氯化氫溶於水得到鹽酸，互不相溶的液體採用分液的方法分離，一氯甲烷是氣體，還可能有過量的甲烷；(1)在加熱條件下，二氧化錳和濃鹽酸反應生成氯氣，同時生成的氯氣中還含有水分，濃硫酸具有吸水性、脫水性和強氧化性，所以B裝置除了控制氣流速度、均勻混合氣體外，還有乾燥作用；(2)氯氣與甲烷發生取代反應，反應特點是1mol氯氣可取代1molH原子生成1molHCl，設V(Cl2)/V(CH4)=x，若理論上欲獲得最多的氯化氫，則應保證甲烷被完全取代，x應大於或等於4；(3)氯氣具有強氧化性，能將碘離子氧化生成碘單質，所以D裝置的石棉中均勻混有KI粉末，其作用是吸收過量的氯氣；(4)甲烷和氯氣在光照條件下生成一氯甲烷和氯化氫，發生反應的化學方程式為CH4+Cl2CH3Cl+HCl；(5)①鹽酸和有機物不能互溶，所以可以採用水洗分液的方法分離，故選A；②反應生成的二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳均是油狀的液體，只有一氯甲烷是氣體，即尾氣中含有一氯甲烷，故答案為B。
專業、有「鈹」氣的化學公眾號
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