高二化学人教版选修五讲义第一章第二节有机化合物的结构特点

1．了解有机化合物中碳原子形成化学键的特点。2．认识有机化合物的同分异构现象与同分异构体。3．掌握同分异构体的书写方法与规律。一、有机化合物中碳原子的成键特点1．碳原子的结构特点碳原子最外层有4个电子，不易失去或得到电子形成阳离子或阴离子。碳原子通过共价键与其他原子形成共价化合物。2．甲烷分子中碳原子的成键特点1个碳原子与4个氢原子形成4个共价键，碳原子居于正四面体的中心，氢原子位于4个顶点，两个碳氢键的夹角均为109°28′。3．碳原子间的结合方式碳原子可以形成稳定的单键、双键或三键。多个碳原子可以形成长短不一的碳链，碳链可以带支链，还可以结合形成碳环，碳链和碳环也可以相互结合。二、有机化合物的同分异构现象1．同分异构现象：具有相同的分子式，不同的结构的化合物性质有差异，这种现象叫同分异构现象。2．同分异构体：具有同分异构现象的化合物互为同分异构体。如：CH3CH2CH2CH3与为碳链异构；CH2=CH—CH2—CH3与CH3—CH=CH—CH3为位置异构；CH3CH2OH与CH3—O—CH3为官能团异构。[新知探究]1．碳原子的结构及成键特点碳原子的成键特点，决定了含有原子种类相同，每种原子数目也相同的分子，其原子可能具有多种不同的结合方式，从而形成具有不同结构的分子。2．共价键的三个参数(1)键长：成键的2个原子，原子核间的距离称为键长。(2)键角：分子中1个原子与另外2个原子形成的两个共价键在空间的夹角称为键角。(3)键能：以共价键结合的双原子分子，裂解成原子时所吸收的能量称为该种共价键的键能，键能越大，化学键越稳定。3．甲烷的分子结构(1)甲烷分子结构的表示方法分子式实验式电子式结构式结构简式球棍模型比例模型甲烷CH4CH4CH4(2)甲烷分子的空间构型以碳原子为中心，4个氢原子位于四个顶点的正四面体立体结构。在CH4分子中4个C—H键完全等同。[名师点拨]有机物分子结构的表示方法种类表示方法示例应用范围分子式用元素符号表示物质的分子组成CH4、C4H8多用于研究物质的组成实验式(最简式)表示物质组成的各元素原子的最简整数比乙烯的实验式为CH2，乙酸的实验式为CH2O有共同组成的物质电子式用“·”或“×”号表示原子最外层电子的成键情况多用于表示离子型、共价型的物质结构式用短线表示共用电子对，用“—”(单键)、“=”(双键)或“≡”(三键)将所有原子连接起来①研究有机物的性质；②表示有机反应结构简式①表示单键的“—”可以省略，将与碳原子相连的其他原子写在其旁边，在右下角注明其个数；②表示碳碳双键、碳碳三键的“=”“≡”不能省略；③醛基()、羧基()可简化成—CHO、—COOHCH3CH=CH2CH3CH2OHCH3COOH同“结构式”键线式①进一步省去碳、氢的元素符号，只要求表示出碳碳键以及与碳原子相连的基团；②式中的每个拐点和终点均表示一个碳原子，每个碳原子都形成四个共价键，不足的用氢原子补足CH3CH=CHCH3可表示为表示复杂有机物的结构球棍模型小球表示原子，短棍表示价键表示分子的空间结构(立体形状)比例模型用不同体积的球表示不同的原子表示分子中各原子的相对大小和结合顺序[对点演练]1．下列化学用语正确的是()A．乙烯的结构简式可表示为CH2CH2B．乙醇的分子式：CH3CH2OHC．甲烷的结构式：CH4D．甲苯的键线式可表示为解析：选DA项乙烯的结构简式为，双键不能省略；B为乙醇的结构简式，分子式是C2H6O；甲烷的结构式应为；只有D项正确。[新知探究]1．同分异构现象和同分异构体2．同分异构体的类型异构方式形成途径示例碳链异构碳骨架不同而产生的异构CH3CH2CH2CH3与位置异构官能团位置不同而产生的异构与官能团异构官能团种类不同而产生的异构CH3CH2OH与CH3—O—CH3[名师点拨]1．同分异构体的书写方法(1)烷烃同分异构体的书写烷烃只存在碳链异构，书写烷烃同分异构体时一般采用“减碳法”，可概括为“两注意、三原则、四顺序”。实例：下面以己烷(C6H14)为例说明(为了简便易看，在所写结构式中省去了H原子)。①将分子中全部碳原子连成直链作为母链。C—C—C—C—C—C②从母链的一端取下1个C原子，依次连接在母链中心对称线一侧的各个C原子上，即得到多个带有甲基、主链比母链少1个C原子的异构体骨架。③从母链上一端取下两个C原子，使这两个C原子相连(整连)或分开(散连)，依次连接在母链所剩下的各个C原子上，得多个带1个乙基或两个甲基、主链比母链少两个C原子的异构体骨架。故己烷(C6H14)共有5种同分异构体。(2)烯烃同分异构体的书写(限单烯烃范围内)书写方法：先链后位，即先写出可能的碳链方式，再加上含有的官能团位置。下面以C4H8为例说明。①碳链异构：C—C—C—C、。②位置异构：用箭头表示双键的位置，即、。C4H8在单烯烃范围内的同分异构体共有3种。(3)烃的含氧衍生物同分异构体的书写书写方法：一般按碳链异构→官能团位置异构→官能团异构(跨类异构)的顺序来书写。下面以C5H12O为例说明。①碳链异构：5个碳原子的碳链有3种连接方式：②位置异构：对于醇类，在碳链各碳原子上连接羟基，用“↓”表示连接的不同位置。③官能团异构：通式为CnH2n＋2O的有机物在中学阶段只能是醇或醚，对于醚类，位置异构是因氧元素的位置不同而导致的。分析知分子式为C6H12O的有机物共有8种醇和6种醚，总共14种同分异构体。2．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(C4H9—OH)、戊醛(C4H9—CHO)、戊酸(C4H9—COOH)的同分异构体均为4种。丙基(—C3H7)的结构有2种。戊基(—C5H11)的结构有8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CnHm－aXa与CnHaXm－a(a≤m)具有相同的异构体数，即确定这类型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，位置等同的氢原子称为等效氢，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。①同一碳原子上的氢原子等效，如—CH3上的3个氢原子等效。②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。③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。[对点演练]某化合物的分子式为C5H11Cl，结构分析表明，该分子中有2个—CH3,2个—CH2—，1个和1个—Cl，它的可能结构有4种，请写出这4种可能的结构简式：、、、。解析：分子式为C5H11Cl的化合物可看成是戊烷C5H12的一氯代物，而戊烷的同分异构体有3种，将这3种同分异构体的每种分子内的1个氢原子换成1个氯原子后，选出符合题目要求的便可得解。以分子中，用氯原子取代1个氢原子，为满足题意只能取代②③④位置碳上的氢原子，且②④位置相同，可推出两种可能的结构简式；在分子中，用氯原子取代1个氢原子的氯代物中满足条件的有①④位置，可推出两种可能的结构简式。答案：1．下列不属于有机物种类繁多的原因是()A．同分异构现象B．碳原子的结合方式种类多C．多个碳原子结合时碳链长D．碳原子的空间排列方式多样解析：选C有机物种类多的原因是同分异构体的存在和碳原子的成键方式多样化，同时碳原子在空间的排列方式多样性也是种类多的原因之一。2．下列化学用语书写正确的是()A．甲烷的电子式：B．丙烯的键线式：C．乙烯的结构简式：CH2CH2D．乙醇的结构式：解析：选A丙烯的键线式为，B错误；乙烯的结构简式为，C错误；乙醇的结构式为，D错误。3．互称为同分异构体的物质不可能()A．具有相同的相对分子质量B．具有相同的结构C．具有相同的通式D．具有相同的分子式解析：选B依据同分异构体的概念分析判断，具有相同的分子式、不同的结构的化合物互称为同分异构体，即同分异构体的分子式相同、结构不同、物理性质不同、不同类时化学性质不同。互为同分异构体的物质，分子式相同，一定具有相同的相对分子质量，故A不符合题意；互为同分异构体的物质，分子式一定相同、结构一定不同，故B符合题意，D不符合题意；互为同分异构体的物质，分子式相同，有可能具有相同的通式，故C不符合题意。4．下列各组有机化合物中，互为同分异构体的是()A．和B．和C．和D．和解析：选B本题极易误选A和D。选项A中苯环用凯库勒式表示，易误认为是一种单双键交替的结构，但我们应明确苯分子中不存在单双键交替的结构，而是一种特殊的化学键——大π键，因此A中表示的是同一物质；同样对于选项D，由于甲烷分子是正四面体结构，因此表示的是同一物质；选项C表示的是同一物质。5．对于分子式为C5H8的有机物结构的说法中不正确的是()A．分子中只有一个双键的链烃B．分子中可能有两个双键C．分子中可能只含有一个三键D．分子中含有一个双键的环烃解析：选A含5个碳原子的饱和烃应含有12个氢原子，C5H8较之少了12－8＝4个氢原子，每减少2个氢原子就增加一个碳碳键或形成一个环，所以该分子组成有三种可能：①两个双键，②一个三键，③一个双键和一个环。故A项不合理。6．已知下列有机物：①和②和③和④和⑤和⑥和(环戊烷)⑦和⑧和(1)其中属于同分异构体的是________________。(2)其中属于碳链异构的是__________________。(3)其中属于位置异构的是__________________。(4)其中属于官能团异构的是________________。(5)其中属于同一种物质的是________________。解析：先写出该物质的分子式，然后判断其结构和官能团类型即可。答案：(1)①②③④⑥⑦⑧(2)①(3)②(4)③④⑥⑦⑧(5)⑤一、选择题1．下列有机物结构的表示方法不正确的是()A．异戊烷的球棍模型：B．乙醇的比例模型：C．丙烯的结构简式：CH3CHCH2D．四氯化碳的电子式：解析：选CC项，丙烯的结构简式应为CH3CH=CH2，C错。2．甲烷分子是以碳原子为中心的正四面体结构，而不是正方形的平面结构，理由是()A．CH3Cl不存在同分异构体B．CH2Cl2不存在同分异构体C．CHCl3不存在同分异构体D．CH4的4个共价键的键长、键角都相等解析：选B无论CH4是正四面体结构还是正方形的平面结构，选项A、C、D都符合，故不正确；如果甲烷是正方形的平面结构，则CH2Cl2分子中的五个原子必在同一平面上，则和应是不同的结构，而实际上CH2Cl2只有一种结构，从而证明甲烷分子为正四面体结构。3．键线式表示的物质是()A．乙烷B．丙烷C．丁烯D．丙烯解析：选C对应物质的结构简式为CH3CH2CH=CH2，丁烯。4．轴烯是一类独特的星形环烃。三元轴烯()与苯()A．均为芳香烃B．互为同素异形体C．互为同系物D．互为同分异构体解析：选D轴烯与苯分子式都是C6H6，二者分子式相同，结构不同，互为同分异构体，D项正确。5．已知—C4H9有4种同分异构体，不必写出C4H10O的结构简式，试说明其作为醇的同分异构体的数目有()A．2种B．4种C．3种D．5种解析：选BC4H10O作为醇，其结构简式可写为C4H9OH，由于—C4H9有4种同分异构体，故C4H9OH作为醇也有4种同分异构体。6．有如下4种碳架的烃，则下列判断正确的是()A．a和d是同分异构体B．b和c不是同系物C．a和d都能发生加成反应D．只有b和c能发生取代反应解析：选Aa的分子式为C4H8，d的分子式为C4H8，二者分子式相同、结构不同，互为同分异构体，故A正确；b的分子式为C5H12，c的分子式为C4H10，都是烷烃，互为同系物，故B错误；a的结构简式为(CH3)2C=CH2，含有碳碳双键，能发生加成反应，d为环烷烃，不含不饱和键，不能发生加成反应，故C错误；a、d也能发生取代反应，故D错误。7．某烷烃的一种同分异构体只有一种一氯代产物，该烃的分子式可能是()A．C3H8B．C4H10C．C5H12D．C6H14解析：选C一氯代产物只有一种说明分子中只有一种氢原子，而只有新戊烷具有这样的特点，所以应选择C。8．在欧洲一些国家曾发现饲料被污染，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()A．15种B．11种C．10种D．5种解析：选C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。9．相对分子质量为100的烃，且含有4个甲基的同分异构体共有(不考虑立体异构)()A．3种B．4种C．5种D．6种解析：选B本题考查有机物同分异构体的种类，考查考生书写同分异构体的能力。难度中等。eq\f(100,12)＝8……4，但C8H4不可能含有4个甲基，所以该烃分子式为C7H16，含有4个甲基的结构可能为、、、，共4种。10．分子式为C7H16的烃分子内共有4个甲基的同分异构体有()A．2种B．3种C．4种D．5种解析：选C由于有4个甲基，所以一定只有2个支链，其同分异构体(碳链结构)分别为、、、。11．图片是立方烷(cunane)的球棍模型，下列有关说法不正确的是()A．其一氯代物只有一种B．其二氯代物有三种同分异构体C．常温下为气体D．它与苯乙烯(C6H5—CH=CH2)互为同分异构体解析：选C立方烷分子中含8个碳原子，常温下应为液体。12．已知化合物B3N3H6(硼氮苯)与C6H6(苯)的分子结构相似，如下所示：它的二氯代物有()A．1种B．2种C．4种D．5种解析：选C二氯代苯有3种同分异构体。但间位二氯取代物是不同的两种物质，故比二氯代苯多1种。二、非选择题13．有机物的表示方法多种多样，下面是常用的有机物的表示方法：①COOH②③CH4④⑤⑥(1)上述表示方法中属于结构简式的为________________；属于结构式的为；属于键线式的为__________________；属于比例模型的为；属于球棍模型的为。(2)②的分子式为，实验式为。(3)写出⑥中官能团的名称：、。答案：(1)①③⑥②④⑤(2)C6H12CH2(3)羟基醛基14．烷基取代苯可以被KMnO4酸性溶液氧化成，但若烷基R中直接与苯环连接的碳原子上没有C—H键，则不容易被氧化得到。现有分子式为C11H16的一烷基取代苯，已知它可以被氧化的异构体有7种，其中的三种是，，。请写出其他四种的结构简式：，，，。解析：从题意可知，该苯的同系物的各同分异构体的苯环上都只有一个侧链，在写其同分异构体时，可以把苯环看作是C5H12的一个取代基，这样只要写出—C5H11的8种同分异构体，此题就可解决。注意不能被氧化，不符合题意。答案：15.有机化合物键线式的特点是以线表示键，每个拐点和端点均表示一个碳原子，并以氢原子补足四价，C、H不表示出来，某有机化合物的立体结构如图所示。(1)写出其分子式______________。(2)当该有机化合物发生一氯取代时，能生成________种同分异构体。(3)该有机化合物属于________。A．环烷烃B．饱和烃C．不饱和烃D．芳香烃解析：(1)根据键线式可知：该有机化合物有7个碳原子，因为碳原子成四键，所以端点的5个碳原子上各连有2个氢原子，中间每个碳原子上各连有1个氢原子，所以氢原子数目为5×2＋2×1＝12，故该有机化合物的分子式是C7H12。(2)该有机化合物的一氯代物有、和，它们互为同分异构体。(3)该有机化合物属于环烷烃，所以是饱和的，芳香烃必须含有苯环。答案：(1)C7H12(2)3(3)A、B[能力提升]16．下列几种烃类物质：(1)环辛四烯的分子式为____________。(2)互为同分异构体的有________和________、________和________(填写名称，可以不填满，也可以再补充)。(3)正四面体烷的二氯取代产物有________种；立方