中教实验：甲烷的制备与性质

甲烷的制备与性质
一、实验教学目标
1.掌握实验室制备CH4与CH4性质实验的操作；
2.初步学会CH4实验的演示教学方法。
二、实验原理
本实验制取甲烷是用乙酸钠和氢氧化钠反应，一般认为是自由基反应，它由以下过程组成：
链引发：CH3COONa→•CH3+•COONa
甲烷生成：•CH3+ NaOH→CH4+•ONa
评价：本篇文章主要研究了多种因素对甲烷制备的影响，旨在优化甲烷制备的实验条件。研究结果表明，甲烷制备实验主要是在CH3COONa与NaOH熔融情况下发生反应，由此解释了甲烷制备过程中，试管容易破裂的原因。得出水分在反应物中的存在是实验成功的关键，优化后得实验条件能全面解决实验存在的问题。这为实验成功提供了可行性的方法。
[4]李志富，许宁.甲烷制备方法的改进研究.
评价：本篇文章对中学的甲烷制备实验做了一个系统的分析与改进，指出传统的制备方法存在诸多不足，并提出了改进的方法。主要是从硬质试管、药品组成、性质检验几个方面进行改进，改进后的实验方法不仅提高了甲烷制备的效果和产气的纯度，确保了实验药品和仪器合理有效地使用，而且这种方法更适合于学生现场实验的教学，保证学生做实验的安全性，提高实验的效果的成功率。
CH4的化学性质：通常情况下，CH4性质稳定，不易与强酸、强碱、卤素单质的水溶液和强氧化剂反应，空气中燃烧产生淡蓝色火焰，甲烷中混入氧气或空气遇明火会发生爆炸（CH4的爆炸极限体积比为5%-15%），引燃温度为538℃。
三、实验用品
铁架台、酒精灯、垫木、天平、大试管、单孔橡胶塞、锥形瓶（250ml）、烧杯（100ml、200ml）研钵、水槽、坩埚钳、镊子、药匙、火柴、集气瓶、玻璃片、120°，30°玻璃导管、直型导管、脱脂棉、石棉网、蒸发皿。
碳酸钠生成：•ONa + CH3COONa→•CH3+ Na2CO3
链中止：•ONa +•COONa→Na2CO3
当反应温度过高时：•CH3+ CH3COONa→CH3COOCH3+•ONa
链中止时产生CO：2•COONa→Na2CO3+ CO
故表现为的总反方程式为：CH3COONa + NaOH→2Na2CO3+ CH4↑
②实验现象
验纯时，甲烷安静的燃烧，说明甲烷是纯净的。
解释
CH3COONa+NaOHNa2CO3+CH4
④注意事项
该实验中Fe2O3并不参加反应，它的作用是除去苛性钠中的水分、减少苛性钠与玻璃的作用，防止试管炸裂，同时也使反应混合物疏松，便于甲烷气体的逸出；其次Fe2O3有很好的传热性，所以反应预热时间短，反应快；其密度大，对反应物有固定作用。将药品装入干燥洁净的大试管，管口略向下倾斜，塞上带导管橡胶塞并固定于铁架台上。预热1min后，再集中火力有管前向管尾加热，约1-2min，即有大量CH4的生成。实验结束后，先撤导管，后撤酒精灯（防止水倒吸，使试管炸裂）。
[2]秦丙昌.保护试管制备甲烷的方法.
评价：本研究解决了无水乙酸钠和氢氧化钠、生石灰共热制备甲烷时反应混合物腐蚀试管的问题。提出了保护试管的方法：用铜片制作了一种与试管配套的船形反应器（小铜船），实验中将反应物置于小铜船中，再将小铜船置于试管中，外用酒精灯加热。研究证明，该方法不仅保护了试管，还提高了甲烷的产率。这为我们以后进行甲烷制备实验提供了很好的借鉴作用。
（2）方法二
1操作过程
按上图1-2连接好实验装置（从左到右，从上到下）后，检查装置气密性：把导管的下端侵入水槽中，用双手紧握试管底部（也可用热毛巾捂热或者用酒精灯微热），如果观察到导气管口有气泡逸出，证明装置气密性良好；取3g CH3COONa、2g NaOH、2gFe2O3，将三者分别用研钵研细，再混合均匀，借用纸槽加入硬质试管中（药品平铺在试管底部），用单孔橡皮塞塞住试管口；点燃酒精灯后，先预热试管1分钟，然后集中加热药品；反应开始后，待气泡快速、均匀冒出时，此时整个装置中的空气已排尽，开始收集CH4。当试管口冒出第一个气泡时，表示已集满，用手捂住试管口，移除水面；把用排水法收集的一试管甲烷气体，用大拇指按住试管口，将试管口向下略倾斜靠近酒精灯火焰，如果甲烷安静的燃烧或发出“噗”的一声，则说明甲烷纯净，可以进行下面的性质实验；用排水法收集1/3体积的甲烷备用。收集完后，将弯型导管换成直型导管，继续进行CH4的性质实验。
2实验现象
反应物在加热时融化；验纯时，甲烷安静的燃烧，说明甲烷是纯净的。
3 解释
CH3COONa+NaOHNa2CO3+CH4
4注意事项
该反应是在无水的条件下进行的，所以发生装置必须干燥；加热时，缓缓向后移动酒精灯，加热时应将试管向下倾斜，保证充分反应，增加甲烷产量；甲烷在验纯时试管口应向下略倾斜；实验结束后，先撤导管，后撤酒精灯（防止水倒吸，使试管炸裂）。CaO并不参与反应，它的作用时除去苛性钠中的水分、减少苛性钠与玻璃的作用，分散和固定液相，降低液相的流动性，减弱或防止试管的腐蚀和破裂，同时也使反应物混合疏松，便于CH4气体的逸出。
（2）CH4与溴水反应
①操作过程
取一支试管，加入约3ml溴水，将有CH4生成的直型导管直接通入试管中，观察试管中颜色变化。
②实验现象
溴水不褪色。
③解释
CH4性质稳定，不能与溴水反应使其褪色。
④注意事项
本实验中溴水不应该褪色，但偶尔会观察到褪色。可能原因是气体将溶解度较小的液溴吹出溶液，或者是CH4中混有还原性气体所致。
[7]熊言林.用碱石灰制取甲烷实验失败原因的探讨.
评价：本文介绍了现行高中化学课本中制取甲烷是采用无水醋酸钠和碱石灰以1:3混合加热，该方法导致了实验中反应速度慢，产率低，而且副反应物多，进行性质实验现象不明显，导致实验容易失败。这些现象在我们实验中也有常有发生，文献中一些失败的经验和总结对我们解决这些问题提供了很好的思路。
2、实验体会
本实验不安全因素比较多，实验前一定要做好预习，每步操作应注意的问题都应提前了解。比如在制备实验中要确保试管和药品都要干燥。性质实验中，探究CH4与O2混合爆鸣时，首先要克服恐惧心理，对应该注意的事项要清楚明了。在整个实验中要胆大心细，既要保证实验的安全，又要使实验效果达到最好。而在教学技能方面，通过别人的讲解和老师的点评，我也有所收获。演示实验一定要确保成功，这就要求在演示前要做好充足的准备，提前探究好药品的用量等这些细节问题。只有做到这些，保证了演示实验的成功，才能使学生更好的接受消化新知识，引发他们对化学实验的兴趣，也才能达到教学目的。
（1）方法一
1操作过程
按上图1-1连接好实验装置（从左到右，从上到下）后，检查装置气密性：把导管的下端浸入水槽中，用双手紧握试管底部（也可用热毛巾捂热或者用酒精灯微热），如果观察到导气管口有气泡逸出，证明装置气密性良好；取7.5g无水CH3COONa，2.0g NaOH，2.0g CaO，将三者分别用研钵研细，再混合均匀后装入预先卷成筒状的铝箔中，再加入到洁净、干燥的硬质试管中，用单孔橡皮塞塞住试管口；再点燃酒精灯，先预热试管1—2分钟，然后集中加热；反应开始后，待气泡快速、均匀、连续冒出时，此时整个装置中的空气已排尽，开始收集气体。当试管口冒出第一个气泡时，表示已集满；用排水法收集一试管甲烷气体，用大拇指按住试管口，将试管口向下略倾斜靠近酒精灯火焰，如果甲烷安静的燃烧或发出“噗”的一声，则说明甲烷纯净，可以进行下面的性质实验；实验结束后，先移出导管后熄灭酒精灯，以防倒吸。
2．甲烷的性质实验
（1）CH4与酸性KMnO4溶液的反应
①操作过程
取一支试管，加入约3ml酸性KMnO4溶液，将有CH4生成的直型导管直接通入试管中，观察试管中颜色变化。
②实验现象
KMnO4溶液不褪色。
③解释
CH4性质稳定，不能与酸性KMnO4反应使其褪色。
④注意事项
气体通入溶液中，为使观瞻性更好，溶液浓度不宜过大。在空气中放置一段时间后，KMnO4也会褪色，这是因为与空气中的还原物质反应了，而并非CH4的作用。
（3）甲烷在空气中的燃烧
①操作过程
CH4验纯后直接在导管口点燃，然后在甲烷火焰上方倒置一个干燥的小烧杯，再换一个用澄清石灰水浸润的烧杯罩在甲烷火焰上方，观察实验现象。
②实验现象
在导管口点燃，看到浅蓝色火焰，在甲烷火焰上方倒置一个干燥的小烧杯，观察到烧杯壁上有水珠，换一个用石灰水浸润的烧杯罩在甲烷火焰上方，观察到石灰水变浑浊。
[3]徐春秀.高师中学化学教学论中甲烷制备实验的教学改进研究.
评价：本文主要详细分析了中学教材中的甲烷制备实验中存在的问题。探究了不同催化剂对甲烷制备实验的催化效果,并对合适的反应物配比进行了探究,针对不同对象提出了比较适宜的实验方案。在现行中学化学教育中有一定的推广价值，对我们今后从事的中学教育有一定的借鉴作用。
主反应：CH3COONa+NaOHNa2CO3+CH4
CH4的性质CH4+2O22H2O+CO2
CH4+Cl2CH3Cl+HCl
CH3Cl+Cl2CH2Cl2+HCl
CH2Cl2+Cl2CHCl3+HCl
CHCl3+Cl2CCl4+HCl
CH4的物理性质：通常状况下，CH4是无色、无味、可燃和微毒的气体,密度比空气小,极难溶于水。结构为正四面体非极性分子，是有机物中最简单的分子。
六、实验安全与实验体会
1、实验安全
CH4的制备与性质实验存在一定的安全隐患，在实验过程中一定要做好必要的安全措施，如实验服、护目镜、防护手套的佩戴等。在做CH4与O2混合点燃爆鸣实验前，要提醒周围同学，并在空旷的空间进行实验；实验时，瓶口对着空旷的地方，以免伤人；点燃时，瓶口对着酒精灯焰略向上倾斜，以免气流过大打翻酒精灯，引发不安全事故。
③ 解释
CH4+2O2=====2H2O+CO2