高中化学 第1章 有机化合物的结构与性质 烃 第2节 有机化合物的结构与性质学案 鲁科版选修5.doc

第2节有机化合物的结构与性质答案：四面体平面直线分子式相同而结构不同同分异构体官能团的位置官能团1碳原子的成键特点碳元素位于元素周期表的第2周期a族，碳原子的最外层有4个电子，很难发生电子的得失，因此通常与其他原子以共用电子对的形式形成共价键，达到最外层为8电子的稳定结构。碳原子的成键特点：(1)四价原则碳原子最外层4个电子，与其他原子结合时应形成4个共用电子对，这就是碳四价原则。任何有机化合物都满足该原则，这也是指导我们分析有机化合物结构特点的基础。(2)结合方式的多样性有机化合物结构的另一重要特征是碳原子之间结合方式具有多样性。可以形成一个共用电子对(即碳碳单键)，其余与氢结合；也可以形成两个共用电子对(即碳碳双键)；还可以形成三个共用电子对(即碳碳叁键)；甚至形成介于单、双键之间的独特的共价键。另外，碳原子与氢原子只能形成单键，而碳原子与氧原子可形成单键(如醇、醚)，也可形成双键(如醛、酮、羧酸、酯等)。因为碳原子能够与不同种类的原子形成多种共价键，所以有机化合物的种类特别繁多。【例1】 (双选)下列说法中正确的是()a碳原子最外层有4个电子，在化学反应中容易失去4个电子形成4价碳离子b碳元素在有机化合物中一般呈现负价态c碳原子容易与各种元素形成多种离子键，因此有机物种类特别繁多d碳原子之间可以形成碳碳单键、碳碳双键、碳碳叁键以及其他一些特殊的碳碳键解析：碳原子最外层有4个电子，不容易发生电子的得失，碳原子容易与其他多种原子形成共用电子对，以共价键的形式存在于有机化合物中，碳原子很少能形成离子键。碳碳键中有单键、双键、叁键以及苯环中介于单双键之间的特殊的共价键。答案：bd2单键、双键和叁键根据成键两原子间共用电子对的数目可以将共价键分为单键、双键和叁键。(1)单键：两个原子之间共用一对共用电子对的共价键。例如：乙烷分子中，两个碳原子之间形成的是碳碳单键、碳原子和氢原子之间形成的是碳氢单键：。烷烃中存在的都是碳碳单键或碳氢单键，碳原子都是与4个原子形成共价单键的，这样的碳原子被称为“饱和碳原子”。甲烷是最简单的烷烃，分子式为ch4，一个碳原子结合4个氢原子，符合碳四价原则，其结构式为，空间结构为正四面体结构，氢原子位于正四面体的4个顶点上，碳原子位于正四面体的中心，任意两个ch键之间的夹角(即键角)都为10928。ch4分子中碳原子的4个价键都被氢原子饱和了，已达到碳原子成键的最大数目，故碳原子不能再连接其他原子或原子团了，若ch4与其他物质发生反应，只能是其他原子或原子团代替与c原子结合的h原子，即只能发生取代反应。故ch4与cl2生成ch3cl、ch2cl2、chcl3、ccl4的反应为取代反应。其他的烷烃的结构和性质与甲烷相似，烷烃分子中的碳链都是折线形的，所有原子不可能共面。烷烃在化学反应中只有饱和碳原子的单键断裂后才能结合其他原子或原子团。(2)双键：两个原子之间共用两对电子的共价键。乙烯分子中存在的是碳碳双键、乙醛分子中存在的是碳氧双键。乙烯：ch2=ch2，乙醛：乙烯是最简单的烯烃，分子中存在一个碳碳双键和四个碳氢单键，相邻的两个键的键角都大约是120，如图所示：，乙烯分子中的6个原子是共面的。谈重点 烯烃分子中的共面结构烯烃分子中两个双键碳原子及其直接相连的4个原子是共面的，即烯烃分子中至少有6个原子共面。例如丙烯：圆圈标注的6个原子是一定共面的，剩余的3个氢原子最多还有1个会落在该平面中，至多有7个原子共面。(3)叁键：两个原子之间共用三对电子的共价键。乙炔分子中存在的是碳碳叁键、氰基(cn)中存在的是碳氮叁键。乙炔是最简单的炔烃，分子中存在碳碳叁键，每个碳原子周围都有一个碳碳叁键和一个碳氢单键，相邻的两个键之间的键角都大约是180，如图所示：，乙炔分子中的4个原子是共线的。谈重点 炔烃分子中的共线结构炔烃分子中的两个叁键碳原子及其直接相连的2个原子是共线的，即炔烃分子中至少有4个原子共线。例如丙炔：圆圈标注的4个原子处于同一条直线上。烯烃中所含碳碳双键中有一个键容易断裂、炔烃中所含的碳碳叁键中有两个碳碳键容易断裂，断裂后的碳原子上还可以再增加其他原子或原子团，这就是加成反应。如：向溴水中通入烯烃或炔烃都能发生加成反应而使溴水退色。可见，不同结构特点的有机化合物，具有不同的性质(结构决定性质)。【例2】 下列说法中正确的是()a烷烃中只存在碳碳单键和碳氢单键b烯烃中的碳碳双键是完全相同的两个键c烯烃和炔烃中所有的碳原子都是共面的d烯烃和炔烃都能与氯气发生加成反应生成氯代烃和氯化氢解析：烷烃中存在的都是单键，碳碳单键和碳氢单键等，a正确；烯烃的碳碳双键中有一个容易断裂，另一个不易断裂，b不正确；烯烃中只有与双键碳直接相连的原子与其共面，碳原子数较多的烯烃上的烷烃基上的碳原子可能不会全部落在这个平面上，炔烃与烯烃类似，c不正确；烯烃和炔烃与卤素单质发生加成反应只生成卤代烃，没有卤化氢生成。答案：a3极性键和非极性键(1)极性键：不同元素原子之间形成的共价键是极性共价键，简称极性键。由于成键原子种类不同，对共用电子对的吸引作用的强弱程度不同，共用电子对偏向吸引电子能力强的一方，使其带有负电荷，而吸引电子较弱的一方原子上带有正电荷。有机化学中常见的极性键：ch、co、cn、cx、oh、c=o、cn、nh等。(2)非极性键：同种元素的两个原子之间形成的共价键是非极性共价键，简称非极性键。非极性键中，成键原子对共用电子对的吸引作用的强弱程度相同，因此共用电子对不发生偏向，因此参与成键的原子不显电性。(3)电负性电负性是用于表示元素的原子在化合物中吸引电子能力的相对强弱。元素的电负性越大，相应原子在化合物中吸引电子的能力就越强。根据电负性数值相对大小可以判断键的极性、成键原子带电情况和共价键的极性的相对强弱。析规律 电负性与共价键极性的关系元素电负性数值越大，原子在形成化学键时对成键电子的吸引力越强。在形成共价键时，共用电子对偏移向电负性较强的原子而使键带有极性，电负性差值越大，键的极性越强，以下为部分元素的电负性相对大小数值：【例3】 (双选)下列说法中错误的是()a所有的烷烃中都是既有极性键，又有非极性键b所有的烯烃中都是既有极性键，又有非极性键c因为碳元素的电负性为2.5，而氯元素的为3.0，所以在ccl4中碳元素呈现4价d有机化学反应只能发生在极性键上解析：甲烷中只有极性共价键，a错误；所有的烯烃都含有碳碳双键和碳氢键，所以都是既有极性键，又有非极性键，b正确；碳元素的电负性小于氯，所以形成的共价键中共用电子对偏向氯，碳元素呈现正价态，c正确；有机化学反应一般在极性键上容易发生，但是烯烃和炔烃的加成反应发生在不饱和非极性键上，d错误。答案：ad4同分异构现象和同分异构体(1)同分异构现象化合物具有相同的分子式，但结构不同，因而产生了性质上的差异，这种现象称为同分异构现象。分子式相同而结构不同的有机化合物互为同分异构体。同分异构现象在有机化合物中十分普遍，这也是有机化合物在自然界数目非常庞大的一个原因。戊烷的同分异构体如下表所示：物质名称正戊烷异戊烷新戊烷分子式c5h12结构简式ch3ch2ch2ch2ch3球棍模型相同点三个分子中的组成元素和原子个数相等不同点碳原子间的连接顺序不同物理性质熔点129.7 159.9 16.6 沸点36.1 27.9 9.5 结论戊烷分子由于碳原子连接顺序不同，形成了三种结构不同的分子，其结构的不同又决定了性质的差异，如熔、沸点的不同等(2)同分异构现象的分类由于有机物分子中的碳原子与其他原子的连接方式的多样性，可形成不同类型的同分异构体。碳骨架异构由于分子结构中碳原子间的连接顺序即碳骨架的不同而引起的同分异构现象称为碳骨架异构。如所有烷烃的同分异构体都是这种异构方式，甲烷、乙烷、丙烷由于碳原子太少，不存在同分异构现象，丁烷存在2种同分异构体(正丁烷、异丁烷)，戊烷有3种同分异构体，己烷有5种同分异构体，它们都是因为碳原子的连接顺序不同引起的。官能团位置异构官能团位置异构是由于官能团的位置不同而引起的同分异构现象。除了烷烃以外，其他类别的有机物大部分都存在官能团，所以官能团的位置异构也是一个普遍现象。如丁烯(c4h8)由于双键位置不同，存在两种不同结构的同分异构体：ch2=chch2ch3(1丁烯)、ch3ch=chch3(2丁烯)；clch2ch2ch3、ch3chclch3分子式都是c3h7cl，但是分子中氯原子位置不同，所以互为同分异构体。官能团类型异构如果有机物的分子式相同，但具有不同的官能团，这样形成的同分异构现象叫做官能团异构。如乙醇和甲醚分子式相同，但官能团不同，二者互为官能团异构。属于官能团异构的有机物通常有醇与醚、饱和一元醛与酮、羧酸与酯、酚与芳香醇、烯烃与环烷烃、二烯烃与炔烃等。谈重点 认识立体异构立体异构也是有机物中一类重要的异构现象。具有立体异构关系的有机化合物分子中的原子或原子团有相同的连接顺序，但是原子或原子团的空间排列情况不同。常见的立体异构有顺反异构和对映异构。顺反异构：单键可以沿键轴旋转，而双键不可以旋转，所以一些分子中含有碳碳双键的有机物可能存在顺反异构现象。如2丁烯有顺2丁烯和反2丁烯两种顺反异构体，如下所示：对映异构：当有机化合物分子中的饱和碳原子连接4个不同的原子或原子团时，就可能存在对映异构(又称为光学异构或镜像异构)。如乳酸(ch3chohcooh)分子有如下两种对映异构体：这两种乳酸分子呈镜像关系却不能完全重叠，就像人的左手和右手一样。【例4】 下列各组物质中，哪些属于同分异构体，是同分异构体的属于何种异构？ch3cooh和hcooch3ch3ch2cho和ch3coch3ch3ch2ch2oh和ch3ch2och31丙醇和2丙醇和ch3ch2ch2ch3解析：从官能团种类、官能团位置和碳骨架结构来分析异构情况。答案：是官能团异构，是官能团位置异构，是碳骨架异构。5有机化合物结构与性质的关系(1)官能团决定有机化合物的性质有些官能团含有极性较强的键，容易发生化学反应。例如乙酸分子中羧基上的氧氢键极性很强，因此在水中容易断裂，使乙酸呈现较强的酸性。有些官能团含有不饱和碳原子，容易发生加成反应。如烯烃中的碳碳双键、炔烃中的碳碳叁键，虽然都是非极性键，但是由于碳原子不饱和，烯烃中的一个碳碳键、炔烃中的两个碳碳键键能较小，容易断裂，在分子中加入其他的原子或原子团形成新产物，因此烯烃和炔烃的性质比较活泼。(2)不同基团间的相互影响与有机化合物性质的关系有机化合物的性质并不是所含各基团性质的简单加和，各个基团相互之间影响，使有机化合物表现出一些特性。例如，甲苯中的甲基会影响苯环，使苯环上的氢原子更容易被取代：【例5】 下列各化合物中，能发生酯化、还原、加成、消去四种反应的是()解析：b的分子结构中只有oh，不能发生还原反应和加成反应；c的分子结构中既没有oh，也没有cooh，不能发生酯化反应；d的分子结构中有cho，可以发生还原、加成反应，有oh可以发生酯化反应，但是oh所连碳原子相邻的碳原子上没有h，不能发生消去反应。答案：a6.同分异构体的书写方法和书写规则(1)同分异构体的书写方法烷烃同分异构体的书写烷烃同分异构体的判断是其他种类有机物的同分异构体判断的基础。由于烷烃无其他官能团，故只存在碳链异构，其书写技巧一般采用“减链法”。下面以c7h16为例进行分析：(为了简便，在所写结构中删去了氢原子)a将分子中所有碳原子连成直链作为母链，并写出其结构：cccccccb从母链的一端取下一个碳原子(甲基)，依次连接在母链剩余碳原子中心对称线一侧的各个碳原子上(注意不可放在端点碳上)，即得到多个带有甲基、主链比母链少一个碳原子的同分异构体骨架：c从母链上一端取下两个碳原子作为乙基或两个甲基依次连在母链剩下的各碳原子上(注意乙基不可放在1号和2号碳上)，得到多个带一个乙基或两个甲基、主链比母链少两个碳原子的同分异构体骨架： d从母链上取下3个碳原子(从母链取下的碳原子数应小于碳原子总数的一半)，仿效c书写：综上，c7h16同分异构体共有9种。烯烃等有机物同分异构体的书写符合分子组成cnh2n的烃除烯烃(含有键)外，还有环烷烃。书写这类同分异构体时一般按碳骨架异构官能团位置异构官能团类型异构的顺序规律来写。(2)同分异构体的书写规则先碳骨架异构，再官能团位置异构，最后官能团类型异构。碳骨架异构：主链由长到短，支链由“整”到“散”。官能团位置异构：支链(官能团)由“一边”到“中间”。官能团类别异构：相同碳原子的烯烃与环烷烃互为同分异构体，含一个叁键的炔烃或含两个双键的烯烃也可为异构体，另外芳香醇和酚、羧酸与酯等也可以具有相同的分子式，可构成官能团类别异构。【例61】 试写出c5h10的同分异构体。答案：环烷烃： 环戊烷、甲基环丁烷、乙基环丙烷、1,2二甲基环丙烷、1,1二甲基环丙烷。烯烃：ch3ch=chch2ch3 2戊烯、ch2=chch2ch2ch3 1戊烯、2甲基1丁烯、2甲基2丁烯、3甲基1丁烯。【例62】 结构不同的二甲基氯苯的数目有()a4种b5种c6种d7种解析：本题可采用“有序分析法”求解。(1)先分析两个甲基在苯环上的异构情况，可得3种结构：(2)再分析上述3种结构中苯环上加上一个cl原子后的异构情况：答案：c【例63】 判断分子组成为c5h12o的所有同分异构体共有几种。解析：分子组成为c5h12o的有机物可以是饱和一元醇也可能是醚，故c5h12o的同分异构体存在碳骨架异构、羟基位置异构、官能团异构。准确、完整地写出同分异构体结构简式，一般应按碳骨架异构官能团位置异构官能团类型异构的顺序规律来写。碳骨架异构：五个碳原子的碳骨架有三种连接方式(只写碳骨架，下同)。位置异构：对于醇类，在碳链上各碳原子连羟基，用“”表示连接的不同位置：官能团异构：符合cnh2n2o的有机物可以是醇和醚，对于醚类，氧原子的位置不同导致属于醚的位置异构：从以上分析可知，符合c5h12o的所有同分异构体共有14种(8种醇和6种醚)。答案：14种7.“四同”概念比较同位素同素异形体同系物同分异构体适用对象原子单质有机物主要为有机物判断依据a.质子数相同，中子数不同b原子之间a.组成元素属同一元素b单质之间a.结构相似(同类物质)b符合同一通式c相对分子质量不同(相差14n)a.分子式相同b结构不同c不一定是同一类物质性质化学性质几乎一样，物理性质有差异化学性质相似，物理性质差别较大化学性质相似，熔、沸点，密度呈规律性变化化学性质可能相似也可能不同，物理性质不同【例71】 下列各组物质：o2和o3；c与c；金刚石和石墨；乙烷和丁烷；ch3ch2ch2ch3和(ch3)2chch3；ch3ch2ch2ch(c2h5)ch3和ch3ch2ch2ch(ch3)c2h5； 其中互为同系物的是_；互为同分异构体的是_；互为同位素的是_；互为同素异形体的是_；是同种物质的是_。解析：根据同系物、同分异构体、同位素、同素异形体的概念进行判断，特别要注意两组物质间的关系，因为碳原子与四个单键成四面体结构，所以两组中的物质实际上为同一种物质。答案：【例72】 下列有关同系物与同分异构体的说法正确的是()a相对分子质量相同而结构不同的有机物互为同分异构体b互为同分异构体的物质同时也互为同系物c互为同系物的物质一定不能互为同分异构体d同系物具有相同的通式，具有相同通式的物质互称同系物解析：a相对分子质量相同并不一定分子式相同b互为同分异构体结构并不一定相似c互为同系物的物质分子式不同，一定不能互为同分异构体d具有相同的通式不一定结构相似答案：c8同分异构体数目的判断方法(1)基元法例如丁基(c4h9)的结构有4种，则丁醇(c4h9oh)、戊醛(c4h9cho)、戊酸(c4h9cooh)的同分异构体均为4种。(2)换元法此法适用于确定烃的多元取代物的同分异构体，其具体方法是：有机物cnhm形成的cnhmaxa与cnhaxma(am)具有相同的异构体数，即确定这类有机物的同分异构体数目时，可以将未取代的氢(或其他原子或基团)与取代基交换。如二氯苯(c6h4cl2)有3种同分异构体，则四氯苯(c6h2cl4)同分异构体也为3种。(3)等效氢法有机物分子中，位置等同的氢原子叫等效氢，显然有多少种等效氢，其一元取代物就有多少种。这种通过等效氢来确定一元取代物同分异构体数目的方法，叫等效氢法。同一碳原子上的氢原子等效，如ch3上的3个氢原子等效。同一碳原子上所连甲基氢原子都是等效的。如新戊烷中四个甲基上的氢原子都是等效的。同一分子中处于轴对称位置或镜面对称位置上的氢原子是等效的。如分子中，在苯环所在的平面内有两条互相垂直的对称轴，故有两类等效氢。【例81】 下列烃的一氯代物只有2种的是()ach3ch2ch2ch2ch3bc d. 解析：判断等效氢原子需要找有机物分子的对称轴，找准找全对称轴是解这类题目的关键。a项，有三种等效氢原子，其一氯代物有三种；b项，有四种等效氢原子，其一氯代物有四种；c项对称轴，有三种等效氢原子，其一氯代物有三种；d项对称轴，有两种等效氢原子，其一氯代物有两种。答案：d【例82】 1999年，在欧洲一些国家发现饲料被污染，导致畜禽类制品及乳制品不能食用，经测定饲料中含有剧毒物质二英，其结构为，已知它的二氯代物有10种，则其六氯代物有()a15种b11种c10种d5种解析：解答本题可用替代法：二英的分子式为c12h8o2，其二氯代物有10种，将氯原子代替氢原子，氢原子代替氯原子，可知c12h2cl6o2也有10种同分异构体。答案：c9.含有苯环的有机物同分异构体判断技巧由于苯环的结构特殊并具有高度对称性，因此含有苯环结构的有机物同分异构体也有其特殊的地方。(1)对称法苯分子中所有的氢原子的化学环境相同，含有多条对称轴，但是如果苯环上连有取代基，其对称性就会受到影响，如，邻二甲苯只有1条对称轴，间二甲苯有1条对称轴，而对二甲苯有2条对称轴，故邻二甲苯苯环上的一氯代物有2种