1 第29讲 重要的烃 同分异构体.docx
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1第29讲重要的烃同分异构体
第29讲 重要的烃 同分异构体
了解有机化合物中碳的成键特征。
了解有机化合物的同分异构现象,能正确书写简单有机化合物的同分异构体。
掌握常见有机反应类型。
了解甲烷、乙烯、苯等有机化合物的主要性质及应用。
了解氯乙烯、苯的衍生物等在化工生产中的重要作用。
了解常见高分子材料的合成及重要应用。
以上各部分知识的综合应用。
宏观辨识与微观探析:
能从不同层次认识有机化合物的多样性,并对有机化合物进行分类;能从官能团等角度认识有机化合物的组成、结构、性质和变化,形成“结构决定性质”的观念;能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。
证据推理与模型认知:
具有证据意识,能对有机化合物的组成、结构及其变化提出可能的假设,通过分析推理加以证实或证伪;知道可以通过分析、推理等方法认识有机化合物的本质特征、构成要素及其相互关系,建立模型,并能解释化学现象,揭示现象的本质和规律。
科学态度与社会责任:
通过高分子材料的合成等赞赏化学对社会发展的重大贡献;通过煤、石油和天然气的综合利用建立可持续发展意识和绿色化学观念,并能对与此有关的社会热点问题做出正确的价值判断。
常见烃的结构和性质
[知识梳理]
一、有机化合物
1.有机化合物:
是指含碳元素的化合物,但含碳化合物CO、CO2、碳酸及碳酸盐属于无机物。
2.烃:
仅含有碳、氢两种元素的有机物。
3.烷烃:
碳原子与碳原子之间以单键构成链状,碳的其余价键全部被氢原子饱和,这种烃称为饱和链烃,也称为烷烃。
二、甲烷、乙烯和苯的结构与物理性质比较
物质名称
甲烷
乙烯
苯
分子式
CH4
C2H4
C6H6
结构简式
CH4
结构特点
只含单键的饱和烃
含碳碳双键的不饱和烃
碳碳键均相同,是介于碳碳单键与碳碳双键之间的特殊的键
续 表
物质名称
甲烷
乙烯
苯
立体构型
正四面体形
平面形
平面正六边形
物理性质
无色气体,难溶于水
无色、具有特殊气味的透明液体,密度比水的小,不溶于水
三、甲烷、乙烯和苯的化学性质比较
物质名称
甲烷
乙烯
苯
燃烧
易燃,完全燃烧均生成CO2和H2O
溴
光照条件下与溴蒸气发生取代反应
加成反应
在FeBr3催化作用下与液溴发生取代反应
酸性KMnO4溶液
不反应
氧化反应
不反应
主要反应类型
取代反应
加成反应、聚合反应
加成反应、取代反应
下面从几种常见的有机反应类型角度认识三种主要烃:
1.取代反应
有机物分子中的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应。
(1)甲烷与Cl2的取代反应
CH4+Cl2
CH3Cl+HCl(第一步)
CH2Cl2+HCl(第二步)
CHCl3+HCl(第三步)
CCl4+HCl(第四步)
(2)苯的取代反应(填化学方程式)
2.加成反应
有机物分子中的不饱和碳原子与其他原子或原子团直接结合生成新的化合物的反应。
(1)乙烯的加成反应(填化学方程式)
制备纯净的氯乙烷,应用乙烯与HCl的加成反应而非乙烷与Cl2的取代反应,因为前者产物唯一,后者取代反应逐步进行,产物复杂。
(2)苯的加成反应
苯与H2发生加成反应的化学方程式为
。
3.加聚反应
乙烯合成聚乙烯塑料的化学方程式为
(1)甲烷与氯气的取代反应是逐步进行的,得到的有机产物是混合物,所有有机产物都不溶于水,常温下,一氯甲烷是气体,其他的都是液体。
(2)烷烃与Cl2的取代反应,每取代1mol氢原子,需要消耗1molCl2。
(3)溴水、酸性KMnO4溶液均可鉴别乙烷和乙烯,但要除去乙烷中的乙烯时,只能选用溴水,因为酸性KMnO4能将乙烯氧化成CO2,产生新的杂质。
(4)苯不能使溴的四氯化碳溶液和酸性高锰酸钾溶液褪色、苯的邻二氯代物只有一种,均可说明苯分子中不存在单双键交替结构。
四、烷烃
1.烷烃的结构与性质
通式
CnH2n+2(n≥1)
结构
链状(可带支链)分子中碳原子呈锯齿状排列;碳原子之间以单键相连成链状,其余价键均被氢原子饱和
特点
一个碳原子与相邻四个原子构成四面体结构;1molCnH2n+2含共价键的数目是(3n+1)NA
物理性质
密度:
随分子中碳原子数的增加而增大,但都小于水的密度;
熔、沸点:
随分子中碳原子数的增加而升高;
状态:
气态→液态→固态,一般情况下,碳原子数小于5的烷烃常温下呈气态
化学性质
取代反应;氧化反应(燃烧);分解反应(高温裂解)
2.烷烃的习惯命名法
(1)当碳原子数n≤10时,用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示;当碳原子数n>10时,用汉字数字表示。
(2)当碳原子数n相同时,用正、异、新来区别。
例如:
CH3CH2CH2CH2CH3称为正戊烷,
(CH3)2CHCH2CH3称为异戊烷,
C(CH3)4称为新戊烷。
[自我检测]
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)(2018·高考全国卷Ⅲ,9A)苯乙烯与液溴混合后加入铁粉可发生取代反应。
( )
(2)(2018·高考全国卷Ⅲ,9C)苯乙烯与氯化氢反应可以生成氯代苯乙烯。
( )
(3)(2017·高考全国卷Ⅱ,10A)将乙烯通入溴的四氯化碳溶液,溶液最终变为无色透明,说明生成的1,2二溴乙烷无色、可溶于四氯化碳。
( )
(4)(2017·高考全国卷Ⅱ,10D)甲烷与氯气在光照下反应后的混合气体能使湿润的石蕊试纸变红,说明生成的氯甲烷具有酸性。
( )
(5)(2016·高考全国卷Ⅰ,9B)由乙烯生成乙醇属于加成反应。
( )
(6)甲烷与氯水光照时发生取代反应。
( )
(7)乙烯通入溴水中发生加成反应。
( )
(8)苯与溴水混合发生取代反应。
( )
(9)乙烯可做水果的催熟剂。
( )
(10)乙烯、苯、聚乙烯均含有碳碳双键。
( )
(11)苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,说明苯不能发生氧化反应。
( )
答案:
(1)√
(2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)× (7)√ (8)× (9)√ (10)× (11)×
2.在①CH2===CH—CH3、②
、③CH4、④聚乙烯四种物质中:
(1)能使溴的四氯化碳溶液褪色的是________(填物质序号,下同);
(2)没有固定相对分子质量的是________;
(3)所有原子在同一平面的是________;
(4)既能发生取代反应又能发生加成反应的是________。
答案:
(1)①
(2)④ (3)② (4)①②
演练一 几种重要烃的性质和应用
1.下列关于有机化合物的认识中正确的是( )
A.甲烷和苯均能使酸性KMnO4溶液褪色
B.苯使溴水褪色是因为发生了氧化反应
C.苯和液溴在FeBr3催化作用下进行反应,反应类型为取代反应
D.甲烷和乙烯在一定条件下都可以与氯气反应,反应类型相同
解析:
选C。
甲烷和苯均不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,A项错误;苯将溴从溴水中萃取出来是物理变化,B项错误;甲烷与氯气发生的是取代反应,乙烯与氯气发生的是加成反应,D项错误。
2.下列关于乙烯和苯的说法中,正确的是( )
A.苯分子式为C6H6,不能使酸性KMnO4溶液褪色,属于饱和烃
B.在催化剂作用下,苯与溴的四氯化碳溶液反应生成溴苯
C.乙烯双键中的一个键可以断裂,容易发生加成反应和取代反应
D.苯燃烧比乙烯燃烧产生的黑烟更浓
解析:
选D。
苯属于不饱和烃,A项错误;苯与溴的四氯化碳溶液不反应,B项错误;乙烯双键中的一个键断裂发生的是加成反应,C项错误;苯含碳量比乙烯大,燃烧不充分,产生的黑烟更浓,D项正确。
演练二 几种重要有机反应类型的判断
3.(2016·高考全国卷Ⅱ,8,6分)下列各组中的物质均能发生加成反应的是( )
A.乙烯和乙醇 B.苯和氯乙烯
C.乙酸和溴乙烷D.丙烯和丙烷
解析:
选B。
A项,乙醇分子中不含不饱和键,不能发生加成反应,错误;B项,苯为不饱和芳香烃,氯乙烯分子中含碳碳双键,故二者均能发生加成反应,正确;C项,乙酸分子中的羧基不能发生加成反应,溴乙烷分子中不含不饱和键,不能发生加成反应,错误;D项,丙烷为饱和烃,不能发生加成反应,错误。
4.下列反应中,属于取代反应的是( )
①CH3CH===CH2+Br2
CH3CHBrCH2Br
②CH3CH2OH
CH2===CH2↑+H2O
③CH3COOH+CH3CH2OH
CH3COOCH2CH3+H2O
④C6H6+HNO3
C6H5NO2+H2O
A.①②B.③④
C.①③D.②④
解析:
选B。
反应①属于加成反应;反应②属于消去反应;反应③是酯化反应,属于取代反应;反应④是—NO2取代了苯环上的一个氢原子,属于取代反应。
5.(2019·南充模拟)下列物质中,既能因发生化学反应使溴水褪色,又能使酸性KMnO4溶液褪色的是( )
①SO2 ②CH3CH2CH===CH2 ③
④CH3CH3
A.①②③④B.③④
C.①②④D.①②
解析:
选D。
①SO2具有还原性,可以被溴水和酸性KMnO4溶液氧化,使其褪色,正确;②中含有碳碳双键,可以与溴水发生加成反应而使其褪色,也可以被酸性KMnO4溶液氧化而使其褪色,正确;③苯不能与溴水反应,则不能因发生化学反应而使溴水褪色,也不能使酸性KMnO4溶液褪色,错误;④CH3CH3既不能因发生化学反应使溴水褪色,也不能使酸性KMnO4溶液褪色,错误。
有机反应类型的判断方法
1.依据概念及所含官能团判断
(1)取代反应
取代反应的特点是“有上有下”,反应中一般有副产物生成;卤代、水解、硝化、酯化均属于取代反应。
(2)加成反应
加成反应的特点是“只上不下”,此反应类似无机反应中的化合反应,理论上原子利用率为100%。
反应物中一般含碳碳双键、碳碳三键、苯环等。
(3)氧化反应
主要包括有机物的燃烧,碳碳不饱和键被酸性KMnO4溶液氧化,葡萄糖(含醛基)与新制Cu(OH)2悬浊液、银氨溶液的反应,醇的催化氧化等。
2.依据反应条件判断
(1)当反应条件是稀酸并加热时,通常为酯或糖类的水解反应。
(2)当反应条件为Cu或Ag做催化剂、加热,并有O2参加反应时,通常为醇的催化氧化。
(3)当反应条件为催化剂并有H2参加反应时,通常为碳碳双键、碳碳三键、苯环的加成反应。
(4)当反应条件为光照且与卤素单质(Cl2或溴蒸气)反应时,通常为烷烃或烷烃基上的氢原子发生的取代反应。
(5)当反应条件为铁或FeX3(X为卤素原子)做催化剂且与X2反应时,通常为苯环上的氢原子被取代,发生取代反应。
碳的成键特点 同分异构体
[知识梳理]
1.有机物中碳原子的成键特征
(1)碳原子的最外层有4个电子,可与其他原子形成4个共价键,而且碳碳原子之间也能形成共价键。
(2)碳原子不仅可以形成单键,还可以形成双键或三键。
(3)多个碳原子可以相互结合形成碳链,也可以形成碳环,碳链或碳环上还可以连有支链。
2.同系物
(1)定义:
结构相似,在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质互称为同系物。
(2)烷烃同系物:
分子式都符合CnH2n+2,如CH4、CH3CH3、
互为同系物。
(3)同系物的化学性质相似,物理性质呈现一定的递变规律。
同系物的判断方法
“一差二同”:
分子组成上至少相差一个CH2原子团;通式相同,官能团的种类、数目相同。
例如:
①CH2===CH2与
通式相同,官能团不同,二者不是同系物。
②CH3CH2CH2CH3与
通式相同,但不相差一个或多个CH2原子团,二者不是同系物。
③
的环数不同,且不相差n个CH2原子团,二者不是同系物。
3.同分异构体
(1)定义:
具有相同的分子式,但具有不同结构的化合物互称为同分异构体。
(2)常见烷烃的同分异构体
甲烷、乙烷、丙烷无同分异构体;丁烷的同分异构体有2种;戊烷的同分异构体有3种。
4.烷烃同分异构体的书写技巧(以C6H14为例)
第一步:
将分子中全部碳原子连成直链作为母链;
C—C—C—C—C—C
第二步:
从母链一端取下一个碳原子作为支链(即甲基),依次连在主链中心对称线一侧的各个碳原子上,此时碳骨架结构有两种(如下图所示);
甲基不能连在①位和⑤位上,否则会使碳链变长,②位和④位等效,只能用一个,否则重复。
第三步:
从母链上取下两个碳原子作为一个支链(即乙基)或两个支链(即2个甲基)依次连在主链中心对称线一侧的各个碳原子上,两甲基的位置依次相邻、相同,此时碳骨架结构有两种(如下图所示)。
乙基不能连在②位或③位上,否则会使主链上有5个碳原子,而使主链变长。
综上所述,C6H14共有5种同分异构体。
5.有机物结构的表示方法[以乙烯(C2H4)为例]
电子式
用“·”或“×”表示原子最外层电子成键情况的式子
结构式
(1)具有化学式所能表示的意义,能反映物质的结构;
(2)表示分子中原子的结合或排列顺序的式子,但不表示立体构型
结构简式
CH2===CH2
结构式的简便写法,着重突出结构特点(官能团)
球棍模型
小球表示原子,短棍表示价键(单键、双键或三键)
比例模型
用不同体积的小球表示不同大小的原子
键线式:
碳碳键用线段来体现。
拐点或端点表示碳原子,碳原子上的氢原子不必标出,其他原子及其他原子上的氢原子都要指明。
例如:
丙烯、正丙醇的键线式分别为
。
[自我检测]
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)(2016·高考全国卷Ⅰ,9C)C4H9Cl有3种同分异构体。
( )
(2)(2016·高考海南卷)乙苯的同分异构体共有三种。
( )
(3)(2016·高考浙江卷)
的一溴代物和
的一溴代物都有4种(不考虑立体异构)。
( )
(4)正丁烷和异丁烷具有相同的物理性质。
( )
(5)正戊烷和异戊烷具有相同的化学性质。
( )
(6)CH4、C2H6、C3H8互为同系物,都能与氯气发生取代反应。
( )
(7)所有的有机物都存在同分异构现象。
( )
(8)同分异构体的相对分子质量相同,那么相对分子质量相同的两种物质一定是同分异构体。
( )
(9)同分异构体的最简式相同,所以最简式相同的化合物一定是同分异构体。
( )
(10)同分异构体可以是同一类物质,也可以是不同类物质。
( )
(11)同系物的分子式相同,分子中碳原子的连接方式不同。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)√ (4)× (5)× (6)√ (7)× (8)× (9)× (10)√ (11)×
2.(2019·高考全国卷Ⅲ,8,6分)下列化合物的分子中,所有原子可能共平面的是( )
A.甲苯 B.乙烷
C.丙炔D.1,3丁二烯
解析:
选D。
甲苯中有甲基,根据甲烷的结构可知,甲苯分子中所有原子不可能在同一平面内,A错误;乙烷相当于2个甲基连接而成,根据甲烷的结构可知,乙烷分子中所有原子不可能在同一平面内,B错误;丙炔的结构简式为H3C—C≡CH,其中含有甲基,该分子中所有原子不可能在同一平面内,C错误;1,3丁二烯的结构简式为H2C===CH—CH===CH2,根据乙烯的结构可知,该分子中所有原子可能在同一平面内,D正确。
3.(2019·高考全国卷Ⅰ,8,6分)关于化合物2苯基丙烯
(
),下列说法正确的是( )
A.不能使稀高锰酸钾溶液褪色
B.可以发生加成聚合反应
C.分子中所有原子共平面
D.易溶于水及甲苯
解析:
选B。
2苯基丙烯分子中苯环的侧链上含有碳碳双键,它能与稀高锰酸钾溶液发生氧化反应而使其褪色,A项错误;类比乙烯,2苯基丙烯能发生加成聚合反应,B项正确;2苯基丙烯分子中含有甲基,故该分子中所有原子不能共平面,C项错误;2苯基丙烯属于烃,不易溶于水,D项错误。
4.甲基(—CH3)、乙基(—C2H5)、丙基(—C3H7),丁基(—C4H9)分别有几种结构?
答案:
甲基有1种,乙基有1种,丙基有2种,丁基有4种。
5.写出丁烷(C4H10)的一氯取代物的结构简式:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
演练一 有机物的空间结构
1.(2019·海口模拟)如图是某种有机物分子的球棍模型。
图中的“棍”代表单键或双键,不同大小的“球”代表三种不同的短周期元素的原子。
对该有机物的叙述错误的是( )
A.该有机物的分子式可能为C2HCl3
B.该有机物的分子中可能有
键
C.该有机物分子中的所有原子在同一平面上
D.该有机物可以由乙炔(CH≡CH)和氯化氢加成反应得到
解析:
选D。
乙炔与氯化氢加成反应得到氯乙烯(CH2===CHCl),由于原子半径r(H)<r(Cl),故与题给球棍模型不符。
2.(2019·许昌模拟)下列化合物分子中的所有原子都处于同一平面的是( )
C.氯乙烯(ClCH===CH2)
D.丙烯(CH3—CH===CH2)
解析:
选C。
苯中12个原子处于同一平面,甲苯可以看作1个甲基(—CH3)取代了苯环上1个H原子,故甲苯中所有原子不能处于同一平面,A项错误;对二甲苯(H3C
CH3)可以看作2个甲基取代了苯环上对位碳原子上的2个H原子,因此至多有14个原子处于同一平面,B项错误;乙烯中6个原子处于同一平面,氯乙烯可以看作1个氯原子取代了乙烯中1个H原子,故氯乙烯中所有原子处于同一平面,C项正确;丙烯可以看作1个甲基取代了乙烯中1个H原子,因此至多有7个原子处于同一平面,D项错误。
3.下列说法中正确的是( )
A.丙烷是直链烃,所以其分子中3个碳原子在一条直线上
B.环己烷分子中所有原子均在同一平面上
C.
分子中所有碳原子一定在同一平面上
D.CH3—CH===CH—C≡C—CH3分子中所有碳原子一定在同一平面上
解析:
选D。
A项,直链烃是锯齿形的,丙烷分子中的3个碳原子不可能在一条直线上,错误;B项,环己烷中碳原子是四面体结构,所有原子不可能共平面,错误;C项,因环状结构不是平面结构,所有碳原子不可能在同一平面上,错误;D项,该分子表示为
,依据乙烯分子中6个原子共平面,乙炔分子中4个原子共直线判断,该有机物分子中所有碳原子一定共平面,正确。
有机物分子中原子共面、共线的判断方法
例如:
的结构可表示为
,故该有机物分子中至少有6个碳原子共面(两个平面不重合),最多有10个碳原子共面(两个平面重合为同一个平面)。
演练二 同分异构体的判断和数目的计算
4.(2019·唐山一中高三强化训练)下列有关同分异构体数目的叙述中,正确的是( )
A.戊烷有2种同分异构体
B.C8H10只有3种属于芳香烃的同分异构体
C.甲苯苯环上的一个氢原子被含4个碳原子的烷基取代,所得产物有12种
D.CH3CH2CH2CH3在光照下与氯气反应,只生成1种一氯代烃
解析:
选C。
A项,戊烷有3种同分异构体;B项,C8H10有
4种属于芳香烃的同分异构体;C项,丁基的同分异构体有4种,取代
苯环上的氢原子分别得到邻、间、对各3种同分异构体,共12种;D项,CH3CH2CH2CH3在光照条件下的取代反应,得到2种一氯代烃。
5.(2019·高考全国卷Ⅱ,13,6分)分子式为C4H8BrCl的有机物共有(不含立体异构)( )
A.8种 B.10种
C.12种D.14种
解析:
选C。
C4H8BrCl可看成是C4H10分子中的2个H被1个Br和1个Cl取代得到的产物。
C4H10有正丁烷和异丁烷2种,被Br和Cl取代时,可先确定Br的位置,再确定Cl的位置。
正丁烷的碳骨架结构为
,Br分别取代1号碳原子和2号碳原子上的氢原子时,Cl均有4种位置关系,异丁烷的碳骨架结构为
,Br分别取代1号碳原子和2号碳原子上的氢原子时,Cl分别有3种和1种位置关系,综上可知C4H8BrCl共有12种结构,C项正确。
判断同分异构体数目的常用方法和思路
基团连接法
将有机物看作由基团连接而成,由基团的异构体数目可推断有机物的异构体数目。
如丁基有四种,丁醇(C4H9—OH)、C4H9—Cl分别有四种
换位思考法
将有机物分子中的不同原子或基团换位进行思考。
如乙烷分子中共有6个H原子,若有一个氢原子被Cl原子取代所得一氯乙烷只有一种结构,那么五氯乙烷也只有一种结构
等效氢原子法
(又称对称法)
分子中等效氢原子有如下情况:
①分子中同一个碳上的氢原子等效;
②同一个碳的甲基氢原子等效;
③分子中处于镜面对称位置(相当于平面镜成像时)上的氢原子等效
定一移一法
分析二元取代物的方法,如分析C3H6Cl2的同分异构体,先固定其中一个Cl原子的位置,移动另外一个Cl原子
化石燃料 合成有机高分子材料
[知识梳理]
1.煤的综合利用
煤是由有机物和少量无机物组成的复杂混合物,主要含有碳元素,还含有少量氢、氧、氮、硫等元素。
(1)煤的干馏
①原理:
把煤隔绝空气加强热使其分解的过程。
煤的干馏是一个复杂的物理、化学变化过程。
②煤的干馏产物:
焦炉气、粗氨水、粗苯、煤焦油、焦炭。
(2)煤的气化
将煤转化为可燃性气体的过程,目前主要方法是碳和水蒸气反应制水煤气,化学方程式为C+H2O(g)
CO+H2。
(3)煤的液化
①直接液化:
煤+氢气
液体燃料。
②间接液化:
煤+水蒸气
水煤气
甲醇等。
2.石油的综合利用
(1)石油的成分
石油主要是由多种碳氢化合物组成的混合物,主要成分是烷烃、环烷烃和芳香烃。
所含元素以C、H为主,还含有少量N、S、P、O等。
(2)石油的加工
方法
过程
目的
分馏
把原油中各组分分离成沸点不同的分馏产物
获得各种燃料用油
裂化
把相对分子质量大的烃断裂成相对分子质量小的烃
得到更多的汽油等轻质油
裂解
深度裂化,产物主要呈气态
得到乙烯、丙烯、甲烷等化工原料
3.天然气的综合利用
(1)天然气的主要成分是甲烷,它是一种清洁的化石燃料,更是一种重要的化工原料。
(2)天然气与水蒸气反应制取H2,原理:
CH4+H2O(g)
CO+3H2。
4.高分子材料的合成及应用
(1)三大合成材料:
塑料、合成橡胶、合成纤维。
(2)聚合反应
合成聚乙烯的化学方程式:
nCH2===CH2
CH2—CH2。
单体为CH2===CH2,链节为—CH2—CH2—,聚合度为n。
(3)完成下列反应的化学方程式
①nCH2===CHCl
CH2—CHCl;
②nCHCH2
。
[自我检测]
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)(2017·高考全国卷Ⅲ,7D)天然气和液化石油气是我国目前推广使用的清洁燃料。
( )
(2)(2017·高考北京卷)汽油主要是C5~C11的烃类混合物。
( )
(3)煤的干馏属于物理变化。
( )
(4)煤中含有苯、甲苯、二甲苯等有机化合物。
( )
(5)常压