人教版-必修二-第七章 有机化合物-第二节 乙烯与有机高分子材料（全国一等奖）

《苯》（第2课时）导学案一、苯1．苯的分子结构(1)分子式：C6H6。(2)结构式：(3)结构特点：a.平面正六边形结构，所有原子共平面。b．碳碳键键长相等，不是单、双键的交替，苯环上的碳碳键是一种介于单键和双键之间的独特的共价键。c．碳碳键夹角为120°。d．分子中含有一个或多个苯环的一类碳氢化合物，属于芳香烃，苯是最简单的芳香烃。2．苯的性质苯是一种无色、有特殊性气味，有毒的液体，不溶于水，密度比水小。(1)取代反应——与烷烃相比，苯易发生取代反应。(ⅰ)溴代反应注意：a.苯只能与液溴取代，不与溴水反应。溴水中的溴只可被苯萃取。b．反应中加入的催化剂是Fe粉，实际起催化作用的是FeBr3。c．生成的是无色液体，密度大于水。d．苯与Br2发生一元取代反应。e．欲得较纯溴苯，可用稀NaOH溶液洗涤，以除Br2。(ⅱ)硝化反应硝化反应是指苯分子中的氢原子被—NO2所取代的反应，也属于取代反应的范畴。(2)加成反应苯不具有典型的双键所应有的加成反应性质，与烯烃相比，苯不易发生加成反应，但在特殊情况下(催化剂、一定温度)仍能发生加成反应，如与H2加成：注意：mol苯与3molH2加成。b．苯与H2发生加成反应后，由平面型结构改变为空间立体构型。(3)氧化反应在空气中燃烧的方程式为：eq\a\vs4\al(2C6H6＋15O2\o(→,\s\up17(点燃))12CO2＋6H2O)注意：a.苯的含碳量高，点燃有较浓的黑烟。b．苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色。二、甲烷、乙烯与苯的比较三、苯的同系物、芳香烃及芳香族化合物探究点一苯的特殊结构和性质1．苯的结构的特殊性(1)苯的分子式为C6H6，是一种高度不饱和烃。(2)实验探究苯的结构实验内容和步骤实验现象实验结论先向试管中加入少量苯，再加入酸性高锰酸钾溶液，振荡试管，观察现象液体分层，上层为无色，下层为紫色苯与酸性高锰酸钾溶液不反应先向试管中加入少量苯，再加入溴水，振荡试管，观察现象液体分层，上层为橙色，下层为无色苯与溴水不反应苯的分子式C6H6与己烷的分子式C6H14碳原子数相同，但相差8个H原子，从分子式分析苯远远不饱和，但苯却不具有不饱和烃的性质，所以苯的分子结构是十九世纪化学界的一个谜。直到德国化学家凯库勒经过多年的研究在1866年提出了苯是环状结构后，人类才慢慢地解开了苯的结构。对苯的进一步研究表明，苯分子具有平面正六边形结构，分子中六个碳原子形成一个六元环，六个碳碳键完全等同，是一种介于单键和双键之间的独特的共价键，分子中六个碳原子和六个氢原子共处于同一平面内，是一种高度对称的平面形分子。(3)苯的分子结构特别提醒：①凯库勒式不合理性已成事实，由于历史的原因仍然使用，但不能认为苯就是C=C和C—C交替排列的结构。②由于苯环结构的特殊性，在判断苯能否与其他物质反应时，要特别注意，反应条件和反应物的状态。2．性质方面的体现(1)苯不能使酸性KMnO4溶液和溴水褪色，由此可知苯在化学性质上与烯烃有很大差别。(2)苯在催化剂(Fe或FeBr3)作用下与液溴发生取代反应，说明苯具有类似烷烃的性质。(3)苯又能与H2或Cl2分别在催化作用下发生加成反应，说明苯具有烯烃的性质。总之，苯易发生取代反应，能发生加成反应，难被氧化，其化学性质不同于烷烃、烯烃。3．苯的性质的两个易错点(1)苯与卤素单质能发生取代反应，但与卤素单质的水溶液不发生化学反应，如苯与溴水不发生化学反应。(2)苯与卤素单质发生一元取代反应。1.如何证明苯的分子结构中碳碳键不是单双键交替？提示：苯不能使溴的四氯化碳溶液和酸性高锰酸钾溶液褪色，苯的邻位二取代物只有一种，这些都说明苯的分子中碳碳键不是单双键交替的结构。2．一定条件下，苯、甲烷和乙烯均能与溴反应，条件相同吗？反应类型呢？提示：苯与液溴在三溴化铁作催化剂时才能反应，甲烷与溴蒸气在光照时反应，乙烯与溴水或溴的CCl4溶液常温下反应，三者反应类型分别是取代反应、取代反应和加成反应。[例1]苯分子实际上不具有碳碳单键和碳碳双键的简单交替结构，可以作为证据的事实有()①苯的间位二元取代物只有一种。②苯的邻位二元取代物只有一种。③苯不能使酸性KMnO4溶液褪色。④苯能在一定条件下与氢气反应生成环己烷。⑤苯在FeBr3存在的条件下同液溴发生取代反应。A．①③④B．③④⑤C．②③⑤ D．①③⑤[解析]苯分子若是单、双键交替结构，则间位二元取代物是相同的；邻位二元取代物是不同的；存在典型的碳碳双键必然能使酸性KMnO4溶液褪色，能与H2发生加成反应，也容易与溴发生加成反应而不是取代反应。因此②③⑤说明苯分子中不存在碳碳双键。[答案]C下列有关苯的分子结构与化学性质的事实，无法用凯库勒结构式解释的是(B)①呈六角环状结构②能发生加成反应③不能使酸性高锰酸钾溶液褪色④不能与溴水反应⑤分子中碳碳键的键长都相等⑥分子中各C—H键键长相等A．①②⑥ B．③④⑤C．①②④⑥ D．全部解析：凯库勒结构式是单双键相间的结构，与苯的实际结构不符。探究点二苯的取代反应的有关实验1．苯与液溴的反应下面是制取溴苯的实验方案与实验步骤：把苯和少量液态溴放在烧瓶里，同时加入少量铁屑作催化剂。用带导管的瓶塞塞紧瓶口(如图)，跟瓶口垂直的一段导管可以兼起冷凝器的作用。在常温时，很快就会看到在导管口附近出现白雾(由溴化氢遇水蒸气所形成)。反应完毕后，向锥形瓶内的液体里滴入AgNO3溶液，有浅黄色溴化银沉淀生成。把烧瓶里的液体倒在盛有冷水的烧杯里，烧杯底部有褐色不溶于水的液体。不溶于水的液体是溴苯，它是密度比水大的无色液体，由于溶解了溴而显褐色。注意事项：①装置特点：长导管，导管管口接近水面，但不接触。②长导管的作用：导气，冷凝。③苯、溴、铁按此顺序加药品(加入药品是液溴，不是溴水。苯与溴水只萃取，不反应)。④铁粉的作用：催化(真正的催化剂是FeBr3)。⑤注意观察三个现象：导管口的白雾；烧瓶中的现象；滴入硝酸银后水中生成的沉淀。⑥将反应的混合物倒入水中的现象是什么？(有红褐色的油状液体沉于水底)⑦溴苯的物理性质如何？(比水重，不溶于水，油状)⑧如何除去溴苯中的溴？(水洗，再用10%烧碱溶液洗，再干燥，蒸馏)⑨反应方程式：2．苯与浓硝酸的反应制取硝基苯的实验方案与实验步骤：先将mL浓硝酸注入大试管中，再慢慢注入2mL浓硫酸，并及时摇匀和冷却。向冷却后的混酸中逐滴加入1mL苯，充分振荡，混合均匀。将大试管放在50℃～60℃的水浴中加热约10min，实验装置如图所示。将反应后的液体倒入一个盛有冷水的烧杯中，可以观察到烧杯底部有黄色油状物生成，用分液漏斗分离出粗硝基苯。粗产品依次用蒸馏水和5%NaOH溶液洗涤，最后再用蒸馏水洗涤。若将用无水CaCl2干燥后的粗硝基苯进行蒸馏，可得纯硝基苯。蒸馏应在通风柜或通风良好处进行。纯硝基苯为无色、具有苦杏仁气味的油状液体，其密度大于水。注意事项：①装置特点：水浴；温度计位置；水浴的水面高度(反应装置中的温度计，应插入水浴液面以下，以测量水浴温度)。②药品加入的顺序：先浓硝酸再浓硫酸(冷却到50℃～60℃再加入苯)。③水浴温度：50℃～60℃(温度高苯挥发，硝酸分解)温度下，水浴加热。④HNO3(HO—NO2)去—OH后，生成—NO2，称为硝基。⑤浓硫酸的作用：催化剂、吸水剂。⑥反应方程式：如何设计一简单的实验证明苯与液溴发生的是取代反应而非加成反应？提示：苯与液溴若发生取代反应，则生成物中有HBr；若发生加成反应，则不会生成HBr。可通过验证反应后的生成物中含有HBr，证明苯与液溴发生了取代反应。步骤：(1)将苯和液溴反应产生的气体通过CCl4(除去挥发出来的溴蒸气)；(2)再将气体通入AgNO3溶液，若产生淡黄色沉淀，则说明有HBr生成，即证明苯与液溴发生了取代反应而非加成反应。[例2]某化学兴趣小组为探究苯与溴发生反应的原理，用如图所示装置进行了实验。根据相关知识回答下列问题：(1)实验开始时，关闭K2，开启K1和分液漏斗活塞，滴加苯和液溴的混合液。过一会儿，在装置Ⅲ中可能观察到的现象是________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)整套实验装置中能防止倒吸的装置有________(填装置序号)。(3)通过该实验可知，苯与溴反应的原理是________(用化学方程式表示)。(4)该实验中采用冷凝装置，其作用是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(5)装置Ⅲ中小试管内苯的作用是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(6)若实验时无液溴，但实验室有溴水，该实验________(填“能”或“不能”)成功。[思路分析]解此题的关键是了解生成溴苯的实验原理和操作要点。[解析](1)在催化剂作用下，液溴与苯发生反应生成溴苯和极易溶于水的溴化氢，溴化氢遇水蒸气形成白雾，HBr与AgNO3发生反应HBr＋AgNO3=AgBr↓＋HNO3，则装置Ⅲ广口瓶中会产生淡黄色沉淀；挥发出的少量溴蒸气溶于苯，呈棕黄色。(2)溴化氢不溶于苯，在装置Ⅲ小试管中苯与导管口接触，可防止倒吸；在装置Ⅳ烧杯中，倒立的干燥管内容积大，若水上升至干燥管中，使烧杯中液面下降而与干燥管下口脱离，而上升的液体在重力作用下又回到烧杯中，故能防倒吸。(3)根据产物溴化氢可以证明苯与液溴发生取代反应。(4)苯和溴的沸点都较低，易挥发，使用冷凝装置，可使挥发出的苯和溴蒸气冷凝回流到装置Ⅱ中的广口瓶内，减少苯和溴的损失，提高原料利用率。(5)装置Ⅲ中小试管中苯可除去HBr中的Br2，防止干扰HBr的检验。(6)实验室中若无液溴，可先用苯萃取溴水中的溴，分液后，取苯层即可。[答案](1)小试管中有气泡产生，液体变为棕黄色；广口瓶中有白雾出现，AgNO3溶液中有淡黄色沉淀生成(2)Ⅲ和Ⅳ(3)(4)冷凝挥发出的苯和溴蒸气，减少苯和溴的损失(5)除去HBr中的Br2，防止干扰HBr的检验(6)能实验室用苯和浓硝酸、浓硫酸发生反应制取硝基苯的装置如图所示。回答下列问题：(1)反应需在50～60℃下进行，图中给反应物加热的方法是水浴加热，优点是便于控制温度和受热均匀；(2)在配制浓硫酸和浓硝酸的混合液时应将浓硫酸加入浓硝酸中；(4)由于装置的缺陷，该实验可能会导致的不良后果是苯、硝酸等挥发到空气中，造成污染；(5)反应完毕后，除去硝酸和硫酸，所得粗产品用如下操作精制：①蒸馏②水洗③用干燥剂干燥④10%NaOH溶液洗⑤水洗正确的操作顺序是B(填字母)。A．①②③④⑤B．②④⑤③①C．④②③①⑤D．②④①⑤③解析：本题以苯的硝化反应为载体，考查了一些基本实验知识。配制浓硫酸和浓硝酸的混合液时应将密度大的浓硫酸加入密度小的浓硝酸中；由于苯和浓硝酸都是易挥发且有毒的物质，设计实验装置时应该考虑它们可能产生的污染和由挥发导致的利用率降低；产生的粗产品中可能还混有少量酸，若直接用NaOH溶液洗则太浪费，因此应在用NaOH溶液洗之前先用水洗。探究点三有机物分子中原子共线、共面的规律1．熟悉常见的分子结构(1)CH4：正四面体结构。凡是碳原子与4个原子形成4个共价键时，其空间构型都是四面体，5个原子中最多有3个原子共平面。2．分析方法要掌握有机物分子里多原子共线、共面的规律，可从以下几个方面入手分析：一是在同一个共价键两端的原子的位置关系。无论单键、双键、三键还是更复杂的键，都可看作一条线段，则在同一个共价键两端的原子在同一条直线上。二是同共价键原子的旋转性。共价单键两端的原子可沿着共价键的轴心自由旋转，原子的位置关系保持不变。共价双键、三键等两端的原子不能沿着共价键的轴心旋转，自然就不涉及原子的位置关系的问题。例如：中可能共面的碳原子最多9个，一定共面的碳原子是7个，可能共面的所有原子最多17个，一定共面的原子是12个。三是根据常见分子空间构型分析时要以面为中心进行分析。在判断有机物分子中原子共面情况时，要把被分析的分子看作简单的、常见分子的衍生物，即复杂问题简单处理。如判断丙烷分子中的原子共面时，可把其看作一个甲烷分子中的两个氢原子分别被2个甲基(—CH3)取代而得，这样根据甲烷分子的结构，可判断出丙烷中至少有3个原子共平面；但所有原子不可能共平面。[例3]下列有机分子中，所有原子不可能处于同一平面的是()[思路分析]判断有机物分子中的原子是否共面，首先要熟悉常见分子的结构。如甲烷(CH4)是正四面体结构，其分子中最多有3个原子共面；乙烯(CH2=CH2)是平面形结构，其分子中所有原子共面；苯(C6H6)是平面正六边形结构，其分子中所有原子共面。[解析][答案]D在①丙烯、②氯乙烯、③苯、④甲苯四种有机化合物中，分子内所有原子均在同一平面的是(B)A．①②B．②③C．③④D．②④解析：丙烯和甲苯中都含有甲基，甲基中的碳氢原子不在同一平面上(呈四面体结构)，所以含有甲基的有机物的所有原子不可能都在同一个平面上；氯乙烯和苯均为平面形结构。故选B。1．以苯为原料，不能一步制得的物质是(B)A．环己烷B．苯乙烯()C．溴苯D．硝基苯解析：苯跟氢气加成可得环己烷，苯在FeBr3催化作用下跟溴反应生成溴苯，在浓硫酸作用下，苯在50℃～60℃2．下列有关苯的叙述中，错误的是(D)A．苯在催化剂作用下能与液溴发生取代反应B．在一定条件下，苯能与氢气发生加成反应C．在苯中加入酸性高锰酸钾溶液，振荡并静置后下层液体为紫红色D．在苯中加入溴水，振荡并静置后下层液体为橙色解析：A项，苯在FeBr3作催化剂条件下能与液态溴发生取代反应；B项，一定条件下苯能与H2发生加成反应生成环己烷；C项，苯不能使酸性KMnO4溶液褪色，与KMnO4溶液混合后会分层，苯在上层；D项，苯能萃取溴水中的Br2使溴水褪色，由于苯的密度比水小，因此液体分层后有机层在上层，上层为橙色，下层近于无色。3．下列现象因发生加成反应而产生的是(B)A．苯与液溴反应使之褪色B．乙烯使溴的四氯化碳溶液褪色C．将苯加入溴水中，振荡后水层接近无色D．甲烷与氯气混合，光照一段时间后黄绿色消失解析：苯与液溴反应使之褪色为取代反应，故A错误；乙烯使溴的四氯化碳溶液褪色为乙烯与溴单质的加成反应，故B正确；将苯加入溴水中，振荡后水层接近无色，为苯萃取溴水中的溴单质，是物理变化，故C错误；甲烷与氯气混合，光照一段时间后黄绿色消失，为取代反应，故D错误。4．下列关于苯和乙烯的叙述中正确的是(C)A．两者都容易发生取代反应B．两者都可以与溴水发生加成反应C．两者分子中所有原子都在同一平面内D．两者都含有碳碳双键，能与酸性KMnO4溶液反应解析：A中，苯易取代、能加成，乙烯易加成，不发生取代反应；B中，乙烯与溴水能发生加成反应，苯不能与溴水反应；D中，苯分子中不含碳碳双键，不能与酸性KMnO4溶液反应，乙烯能与酸性KMnO4溶液反应而使其褪色。5．下列物质中，在一定条件下既能发生加成反应，又能发生取代反应，但不能使KMnO4酸性溶液褪色的是(D)A．甲烷B．乙烷C．乙烯D．苯解析：甲烷和乙烷能发生取代反应，不能发生加成反应，A、B项错误；乙烯能使酸性KMnO4溶液褪色，C项错误；苯既能发生加成反应，又能发生取代反应，但不能使KMnO4酸性溶液褪色，D项正确。6．已知碳碳单键可以绕键轴自由旋转，关于结构简式如图的烃，下列说法中正确的是(C)A．分子中至少有9个碳原子处于同一平面上B．分子中至少有10个碳原子