化学实验平台 - 实验十三

实验目的

探究甲烷的燃烧反应，观察火焰特征
了解甲烷与氯气的取代反应，理解连锁取代的特点
认识烷烃的结构特征和饱和烃的化学性质

实验器材

甲烷气体（可模拟使用）
集气瓶（250 mL）2 个
酒精灯、火柴
氯气（可模拟使用）
干燥的集气瓶、玻璃片
火柴梗、坩埚钳

实验原理

甲烷（CH₄）是最简单的烷烃，分子中碳原子为 sp³ 杂化，呈正四面体结构。甲烷在点燃条件下能与氧气发生氧化反应（燃烧），火焰呈淡蓝色；在光照条件下能与氯气发生取代反应，甲烷中的氢原子逐步被氯原子取代，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）和四氯化碳四种氯代产物。由于甲烷是饱和烃，不能使酸性高锰酸钾溶液褪色。

① 燃烧反应（氧化反应）
CH₄ + 2O₂ ——(点燃)——→ CO₂ + 2H₂O  （淡蓝色火焰）

② 取代反应（光照条件）
CH₄ + Cl₂ ——(光照)——→ CH₃Cl + HCl  （一氯甲烷）
CH₃Cl + Cl₂ ——(光照)——→ CH₂Cl₂ + HCl  （二氯甲烷）
CH₂Cl₂ + Cl₂ ——(光照)——→ CHCl₃ + HCl  （三氯甲烷/氯仿）
CHCl₃ + Cl₂ ——(光照)——→ CCl₄ + HCl  （四氯化碳）

甲烷不能使酸性 KMnO₄ 褪色
（饱和烷烃的共性——不易被强氧化剂氧化）

实验步骤

一、甲烷的燃烧

用排水集气法收集一瓶纯净的甲烷气体（或使用甲烷气体储气袋通入）。
点燃酒精灯，将集气瓶口靠近火焰，使甲烷气体燃烧。
观察火焰颜色（淡蓝色），注意火焰特征。
用干燥的烧杯罩在火焰上方，观察烧杯内壁是否有水珠生成（证明 H₂O 的生成）。
将烧杯倒转，倒入少量澄清石灰水，振荡，观察石灰水是否变浑浊（证明 CO₂ 的生成）。

二、甲烷与氯气的取代反应（模拟）

取一个干燥的集气瓶，用向上排空气法收集一瓶 Cl₂（黄绿色）。
将集气瓶中的 Cl₂ 与等体积的 CH₄ 混合（注意安全比例，氯气不宜过多）。
用玻璃片盖住瓶口，将混合物放在光照条件下（阳光直射或紫外灯照射），观察现象。
观察：黄绿色逐渐褪去，瓶壁出现油状液滴（氯代产物），用湿润的蓝色石蕊试纸检验产生的 HCl 气体。

三、甲烷与酸性 KMnO₄ 的反应

取少量酸性 KMnO₄ 溶液于试管中。
向试管中通入甲烷气体（或将甲烷气体通入溶液中片刻）。
观察溶液颜色是否变化（酸性 KMnO₄ 溶液应不褪色）。

数据记录

实验名称	反应条件	现象	结论
甲烷燃烧	点燃
甲烷 + 氯气	光照
甲烷 + 酸性 KMnO₄	常温

交流与评价

甲烷燃烧的火焰颜色与氢气燃烧的火焰颜色有什么不同？为什么？
取代反应与置换反应有什么区别？请从反应特点和反应类型两方面加以比较。
甲烷与氯气的取代反应中，产物一共有几种？各自的状态和用途是什么？
为什么甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色？乙烯却可以？由此能得出什么结论？
生活中，天然气的主要成分就是甲烷。天然气泄漏时应该注意什么？

注意事项

点燃甲烷前必须检验纯度（与可燃性气体的操作要求一致），防止爆炸。
甲烷与氯气混合光照时，注意控制气体比例（CH₄ : Cl₂ 不宜接近 1:1），混合气体在光照条件下可能发生爆炸。
甲烷与氯气反应应在通风良好的环境中进行，产物 HCl 和氯代产物均有刺激性。
燃烧产物检验时注意安全，用坩埚钳夹持烧杯，不要被火焰烫伤。

安全警示

甲烷易燃易爆：与空气混合后遇明火可能发生爆炸，实验前必须检验纯度。
氯气有毒：氯气为有毒气体，操作必须在通风橱内进行，避免吸入。
CH₄ 与 Cl₂ 混合光照可能发生爆炸，建议使用低浓度 Cl₂（体积分数不超过 20%）。
反应产物中 HCl 气体对呼吸道有刺激作用，注意通风。
实验完毕后，用 NaOH 溶液吸收残余的氯气。