高中化学讲义基础课时2　有机化合物中的共价键　同分异构现象

基础课时2有机化合物中的共价键同分异构现象课标要求1.认识有机化合物分子中共价键的类型、极性及其与有机反应的关系。2.知道有机化合物分子中基团之间的相互影响会导致键的极性发生改变。3.能辨识同分异构现象，能写出符合特定条件的同分异构体，能列举说明立体异构现象。一、有机化合物中的共价键1.共价键的类型有机化合物的共价键有两种基本类型：σ键和π键。(1)σ键(以甲烷分子中C—H为例)①形成：甲烷分子中氢原子的1s轨道与碳原子的一个sp3杂化轨道沿着两个原子核间的键轴，以“头碰头”的形式相互重叠。②特点：通过σ键连接的原子或原子团可绕键轴旋转而不会导致化学键的破坏。③断键与反应类型的关系：主要发生取代反应。(2)π键(以乙烯分子中为例)①形成：乙烯分子中的两个碳原子均以sp2杂化轨道与氢原子的1s轨道及另一个碳原子的sp2杂化轨道进行重叠，形成4个C—Hσ键与一个C—Cσ键；两个碳原子未参与杂化的p轨道以“肩并肩”的形式从侧面重叠，形成了π键。②特点：通过π键连接的原子或原子团不能绕键轴旋转。③断键与反应类型的关系：主要发生加成反应。2.共价键的极性与有机反应(1)有机反应的活性部位由于不同的成键原子间电负性的差异，共用电子对会发生偏移。偏移的程度越大，共价键极性越强，在反应中越容易发生断裂。因此有机物的官能团及其邻近的化学键往往是发生化学反应的活性部位。(2)有机反应的特点(以乙醇的两个反应为例说明)化学反应断键分析反应放出氢气，乙醇分子中极性较强的氢氧键断裂加热条件下，乙醇分子中极性较强的碳氧键断裂，发生取代(填反应类型)反应探究结论共价键断裂需要吸收热量，且断裂位置存在多种可能。相对无机反应，有机反应一般反应速率较小，副反应较多，产物比较复杂1.科学家最近在－100℃的低温下合成了一种烃X，该分子的球棍模型如图所示，下列说法中不正确的是()A.该分子的分子式为C5H4B.该分子中每个碳原子均形成4个化学键C.该分子在一定条件下可与H2发生反应D.该分子中一定没有π键答案D解析该物质1个分子由五个碳原子和四个氢原子构成，化学式为C5H4；该分子中间的C形成的是单键，剩余四个碳原子形成了碳碳双键()，碳碳双键中含有π键，每个碳原子均形成了4个化学键；碳碳双键可与氢气发生加成反应。2.碳酸亚乙酯是锂离子电池低温电解液的重要添加剂，其结构如图。下列有关该物质的说法不正确的是()A.分子式为C3H4O3B.分子中σ键与π键个数之比为10∶1C.分子中既有极性键也有非极性键D.分子中碳原子的杂化方式全部为sp2杂化答案D解析根据结构简式确定分子式为C3H4O3，故A正确；共价单键为σ键，共价双键中含有1个σ键、1个π键，则该分子中含有10个σ键、1个π键，分子中σ键与π键个数之比为10∶1，故B正确；同种非金属元素之间易形成非极性键，不同非金属元素之间易形成极性键，该分子中存在C—C非极性键、C—O极性键、C—H极性键、C=O极性键，故C正确；该分子C—O键中C原子价层电子对个数是4且不含孤电子对，C原子为sp3杂化；C=O键中C原子价层电子对个数是3且不含孤电子对，C原子杂化方式为sp2，故D错误。【题后归纳】1.有机化合物中σ键和π键的比较共价键σ键π键成键情况“头碰头”“肩并肩”轨道重叠程度轨道重叠程度大，键的强度较大，键较牢固轨道重叠程度较小，键比较容易断裂，不如σ键牢固是否能绕轴旋转以形成σ键的两个原子核的连线为轴，任意一个原子可以绕轴旋转，并不破坏σ键的结构以形成π键的两个原子核的连线为轴，任意一个原子都不能单独旋转，若单独旋转则会破坏π键的结构易发生反应取代反应加成反应2.有机物中碳原子的成键特点与碳原子相连的原子数432结构示意图—C≡碳原子的杂化方式sp3sp2sp碳原子的成键方式σ键σ键和π键σ键和π键空间结构四面体形平面三角形直线形实例甲烷乙烯乙炔二、有机化合物的同分异构现象(一)基本内容1.同分异构现象和同分异构体化合物具有相同的分子式，但具有不同结构的现象叫同分异构现象，具有同分异构现象的化合物互为同分异构体。2.同分异构体实例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CH3CH2CH2CH2CH3C(CH3)4相同点分子式相同，都属于烷烃不同点碳原子间的连接顺序不同3.同分异构体的类型(1)构造异构异构方式形成途径示例碳架异构碳骨架不同而产生的异构CH3CH2CH2CH3、位置异构官能团位置不同而产生的异构CH2=CH—CH2—CH3、CH3—CH=CH—CH3；、官能团异构官能团种类不同而产生的异构CH3CH2OH、CH3—O—CH3(2)立体异构立体异构有顺反异构和对映异构。4.键线式在表示有机化合物的组成和结构时，将碳、氢元素符号省略，只表示分子中键的连接情况和官能团，每个拐点或终点均表示有一个碳原子，这样得到的式子称为键线式。例如：丙烯可表示为，乙醇可表示为。(二)同分异构体的判断与书写1.等效氢法判断同分异构体的数目(1)同一甲基上的氢原子是等效的。(2)同一碳原子上所连甲基上的氢原子是等效的。如新戊烷()的四个甲基是等效的，所有的氢原子都是等效的，故新戊烷的一元取代物只有一种。(3)处于对称位置碳原子上的氢原子是等效的。如的六个甲基是等效的，18个氢原子都是等效的，因此该物质的一元取代物也只有一种。2.烷烃同分异构体的书写技巧(1)思维流程(2)实例——己烷(C6H14)的同分异构体(将结构式中的氢原子省略)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：从母链的一端取下1个碳原子，依次连接在母链中心对称线一侧的各个碳原子上，即得到多个带有甲基、主链比母链少1个碳原子的同分异构体骨架。第三步：从母链上一端取下两个碳原子，使这两个碳原子相连(整连)或分开(散连)，依次连接在母链所剩下的各个碳原子上，得到多个带1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。故己烷(C6H14)共有5种同分异构体。3.有机物(含有官能团)的同分异构体的书写顺序(1)判断类别：根据有机物的分子组成判定其可能的类别异构，再按照碳架异构→位置异构→类别异构的顺序书写同分异构体。(2)常见的官能团异构：①单烯烃与环烷烃；②饱和一元醇和醚；③饱和一元羧酸和饱和一元酯；④芳香醇、芳香醚和酚等。3.(2023·昆明高二月考)下列有机物互为同分异构体的是()A.和HC≡CCH2CH2C≡CHB.eq\x()和C.CH3CH2OH和CH3CH3D.CH3OCH3和HCHO答案A解析A项二者结构不同，分子式均为C6H6，互为同分异构体，正确；B项，前者分子式为C4H8，后者分子式为C5H8，不是同分异构体，B错误；CH3CH2OH和CH3CH3分子式不同，不是同分异构体，C错误；CH3OCH3和HCHO分子式不同，不是同分异构体，D错误。4.环丙基乙烯(VCP)结构如图所示，关于VCP的说法正确的是()A.分子式为C5H6B.能使酸性高锰酸钾溶液褪色C.与环戊二烯互为同分异构体D.一溴代物有3种答案B解析根据题给键线式可知，环丙基乙烯的分子式为C5H8，A错误；分子中含有碳碳双键，能使酸性高锰酸钾溶液褪色，B正确；环戊二烯分子式为C5H6，与环丙基乙烯不互为同分异构体，C错误；环丙基乙烯分子中有4种不同环境下的氢，其一溴代物有4种，D错误。5.已知C4H9Cl有4种同分异构体，则分子式为C5H10O的醛(含有—CHO)的种类有()A.3种 B.4种C.5种 D.6种答案B解析分子式为C5H10O的醛可以看作C4H9—CHO，由于C4H9Cl有4种同分异构体，用—CHO取代—Cl，得4种C4H9—CHO同分异构体。所以分子式为C5H10O的醛的种类有4种。6.降冰片烷和篮烷的结构如图所示：请回答：(1)其分子式分别是__________、__________。(2)降冰片烷发生一氯取代时，取代位置有__________________________种。(3)篮烷发生一氯取代时，其一氯取代物有________________________种。答案(1)C7H12C10H12(2)3(3)4解析(1)1个降冰片烷分子中含7个碳原子，根据碳原子的成键特点可知其分子式为C7H12；1个篮烷分子中含10个碳原子，根据碳原子的成键特点可知其分子式为C10H12。(2)降冰片烷分子中含3种等效氢原子，故当它发生一氯取代时，取代位置有3种。(3)篮烷分子中含4种等效氢原子，故其一氯代物有4种。【题后归纳】判断同分异构体数目的常用方法(1)基元法：—C3H72种—C4H94种—C5H118种如C4H9Cl、C4H9OH均有四种同分异构体。(2)替代法：如二氯苯C6H4Cl2有三种同分异构体，四氯苯也有三种同分异构体(将H替代Cl、Cl替代H)。(3)等效氢法(一元取代物同分异构体的数目＝等效氢原子的种类)：①同一甲基上的氢原子是等效的；②同一碳原子上所连甲基上的氢原子是等效的；③处于对称位置上的氢原子是等效的。(4)定一移一法：对于二元取代物的同分异构体的判定，可固定一个取代基位置，再移动另一取代基，以确定同分异构体数目。如丙烷的二氯代物有4种。1.下列关于有机化合物中化学键的说法不正确的是()A.烷烃中的化学键均为σ键B.CH3NH2中C—H键的极性比N—H键的极性弱C.乙烯分子中含有极性键和非极性键D.1个丙炔分子中含有5个σ键和3个π键答案D解析烷烃中所有键均为单键，均为σ键，A正确；N元素非金属性强于C元素，故N与H之间共用电子对偏移程度大于C与H之间共用电子对偏移程度，故C—H键的极性比N—H键的极性弱，B正确；乙烯分子中碳与碳之间为非极性键，碳与氢之间为极性键，C正确；丙炔结构简式为：CH3—C≡CH，碳碳之间含有2个σ键，碳氢之间含有4个σ键，故共有6个σ键，碳碳三键中含有2个π键，D错误。2.下列各组化合物中不互为同分异构体的是()答案B解析分子式相同而结构不同的有机化合物互为同分异构体。A中分子式均为C6H6，结构不同，二者互为同分异构体，不符合题意；B中分子式分别为C14H24、C13H22，两者不互为同分异构体，符合题意；C中分子式均为C3H6O2，结构不同，二者互为同分异构体，不符合题意；D中分子式均为C6H6O3，结构不同，二者互为同分异构体，不符合题意。3.(2023·长治高二期末)组成和结构可用表示的有机物共有(不考虑立体异构)()A.16种 B.24种C.28种 D.48种答案D解析丁烷为CH3CH2CH2CH3时，分子中有2种不同的H原子，故有2种丁基；丁烷为CH3CH(CH3)CH3时，分子中有2种不同的H原子，故有2种丁基，故丁基(—C4H9)共有4种；—C4H8Cl的同分异构体有，当为—C—C—C—C，氯原子的位置有4种；当为，氯原子的位置有4种；当为，氯原子的位置有3种；当为，氯原子的位置有1种；故—C4H8Cl共有12种，所以该有机物共有：4×12＝48种，D正确。4.完成下列各题。(1)下面列出了六组物质，请将物质的合适组号填写在空格上。①D与T②O2与O3③CH4和CH3CH2CH3④CH2=CHCH3和CH2=CH2⑤CH3CH2CH(CH3)2和CH3(CH2)3CH3⑥CH3CH2OH和互为同位素的是____________；互为同系物的是____________；互为同分异构体的是__________________________________；有相同官能团的是____________。(2)下列选项中没有破坏化学键的是_________________________________；既破坏离子键又破坏共价键的是_____________________________________。①碘的升华；②烧碱熔化；③氯化氢溶于水；④氯化铵受热分解。(3)分子式为C4H10的烷烃有____________种一氯取代物(不考虑立体异构)，写出其中含有两个—CH3的一氯代物的结构简式____________________________。答案(1)①③④⑤④⑥(2)①④(3)4解析(1)同位素是指同一种元素的不同种核素，D和T为H元素的两种核素，互为同位素；同系物是指结构相似，分子组成上相差n个CH2的有机化合物，因此互为同系物的是③CH4和CH3CH2CH3、④CH2=CHCH3和CH2=CH2；同分异构体是指分子式相同，结构不同的物质，⑤CH3CH2CH(CH3)2和CH3(CH2)3CH3的分子式均为C5H12，但结构不同，故两者互为同分异构体；CH2=CHCH3和CH2=CH2均含有官能团碳碳双键，CH3CH2OH和均含有官能团羟基；(2)①碘的升华为物理变化，只是状态发生变化，没有化学键的破坏；②烧碱(NaOH)中存在离子键，熔化烧碱时，阴阳离子间的化学键被破坏；③氯化氢溶于水，在水分子的作用下，氯化氢中的共价键被破坏；④氯化铵受热分解，氯化铵是离子化合物，存在的化学键有离子键、共价键，受热分解时，阴阳离子间的化学键、铵根离子中的共价键被破坏，所以破坏的是离子键、共价键；因此化学键没有被破坏的是①；既发生离子键又发生共价键破坏的是④；(3)分子式为C4H10的烷烃有CH3CH2CH2CH3、CH3CH(CH3)22种结构，其中CH3CH2CH2CH3的一氯取代物有2种，CH3CH(CH3)2的一氯取代物有2种，因此分子式为C4H10的烷烃有2＋2＝4种一氯取代物，其中含有两个—CH3的一氯代物的结构简式为。A级合格过关练1.下列说法正确的是()A.碳骨架为的烃的结构简式为(CH3)2C=CH2B.有机物分子里一定既有非极性键也有极性键C.有的烃分子中，一个碳原子形成3个共价键D.乙烷的分子结构中含有π键答案A解析A项，由碳骨架可知，该烃的结构简式为(CH3)2C=CH2，A正确；根据碳原子的成键特点，碳原子间可形成非极性共价键，碳原子也可与其他非金属原子形成极性共价键，但是甲烷分子中只有极性键，B错误；有机物中碳原子通过4个共价键与其他原子相连，C错误；乙烷分子中只含有单键，只含有σ键，D错误。2.相同条件下金属钠和水反应与金属钠和无水乙醇反应相比，前者较为剧烈的原因是()A.水是无机物，乙醇是有机物B.水的相对分子质量小，乙醇的相对分子质量大C.乙醇分子中羟基与乙基相连，受乙基影响，乙醇分子中的羟基不如水分子中的羟基活泼D.水是电解质，乙醇是非电解质答案C解析水分子及乙醇分子中均含有羟基，水分子中羟基与H相连，乙醇分子中羟基与乙基相连，受乙基影响，乙醇分子中O—H键的极性比水分子中O—H键的极性弱，导致乙醇分子中的羟基不如水分子中的羟基活泼。3.关于同分异构体的下列说法中不正确的是()A.具有相同分子式，但结构不同的化合物互为同分异构体B.相对分子质量相同的几种化合物，互为同分异构体C.同分异构体之间的转化属于化学变化D.组成元素的质量分数相同，且相对分子质量也相同的不同化合物，互为同分异构体答案B解析有些物质具有相同的相对分子质量，但分子组成可能不同，不一定互为同分异构体；同分异构体之间的转化生成了新物质，属于化学变化；不同化合物组成元素的质量分数相同，且相对分子质量也相同时，其分子式一定也相同，互为同分异构体。4.下列选项中的物质属于官能团异构的是()A.CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2B.CH2=C(CH3)2和CH3CH=CHCH3C.CH3CH2OH和CH3OCH3D.CH3CH2CH2COOH和(CH3)2CHCOOH答案C解析有机化合物分子式相同，但具有不同官能团的同分异构体属于官能团异构。A项，两种物质属于碳架异构；B项，两种物质的官能团均为，属于位置异构；C项，两种物质的官能团分别是—OH(羟基)和(醚键)，官能团不同，属于官能团异构；D项，两种物质的官能团均为—COOH，均属于位置异构。5.下列烷烃中，进行一氯取代后，只能生成三种结构不同的有机物的是()A.(CH3)2CHCH2CH2CH3 B.(CH3CH2)2CHCH3C.(CH3)2CHCH(CH3)2 D.(CH3)3CCH2CH3答案D解析生成三种沸点不同的有机物，说明此烷烃一氯取代后生成三种同分异构体，可根据选项物质中等效氢原子种数进行判断。A项为5种，B项为4种，C项为2种，D项3种。6.某烷烃的结构如图：若其中的一个氢原子被－OH取代，得到的产物有(不考虑立体异构)()A.1种 B.2种C.3种 D.4种答案B解析该有机物有两种不同的氢原子，因此羟基的位置有两种，故选项B正确。7.如图是药物利托那韦的结构，有关利托那韦的说法错误的是()A.分子式为C37H48N6O5S2B.分子中既含有σ键又含有π键C.分子中含有极性较强的化学键，化学性质比较活泼D.分子中含有苯环，属于芳香烃答案D解析由结构简式可知，利托那韦的分子式为C37H48N6O5S2，A正确；由结构简式可知，利托那韦分子中含有单键、双键、苯环等结构，单键为σ键，双键中含有1个σ键和1个π键，苯环中两种键都含，则分子中既含有σ键又含有π键，B正确；由结构简式可知，利托那韦分子中含有的羟基、酯基、酰胺基等官能团具有较强的极性，化学性质比较活泼，C正确；由结构简式可知，利托那韦分子中含有羟基、酯基、酰胺基等官能团，所以利托那韦属于烃的衍生物，不属于芳香烃，D错误。8.(1)某些有机物的结构简式可用“键线式”表示，如(CH3)2CHCH3可用“”来表示。已知某环烷烃是平面结构，其结构如红十字会的会徽，因此有人将它称为“红十字烷”，即“”，写出它的分子式________________，当它发生一氯取代时，能生成____________种结构不同的产物。(2)丙烯是乙烯的同系物，化学性质与乙烯相似，丙烯在一定条件下发生反应可生成高分子化合物。其方程式为______________________________________，丙烯与氢气完全加成后，再与氯气取代生成的二氯代物的同分异构体数目是____________种。(3)下图是由4个碳原子构成的4种有机物(氢原子没有画出)，试回答下列问题：互为同分异构体的是____________；一个d中含有____________个σ键，____________个π键。答案(1)C12H242(2)nCH3CH=CH2eq\o(→,\s\up7(一定条件))4(3)abc92解析(1)“键线式”折点、端点若没有注明原子，则折点、端点为碳原子，每个碳原子能形成4个共价键，所以每个碳原子连有2个H原子，“红十字烷”分子式为C12H24；“红十字烷”结构对称，有2种不同环境的氢原子，所以一氯代物有2种。(2)丙烯的结构简式为CH2=CH—CH3，含有碳碳双键能发生加聚反应生成聚丙烯，化学方程式为nCH3CH=CH2eq\o(→,\s\up7(一定条件))；丙烯与氢气加成后生成丙烷，丙烷的二氯代物有1，1－二氯丙烷、1，2－二氯丙烷、1，3－二氯丙烷、2，2－二氯丙烷，共4种。(3)abc的分子式都是C4H8，d中有一个碳碳三键，其他都是单键，所以含有9个σ键，2个π键。B级素养培优练9.乙酸、水和乙醇的分子结构如表所示，三者结构中的相同点是都含有羟基，下列说法错误的是()乙酸水乙醇CH3—CH2—OHA.羟基的极性：乙酸>水>乙醇B.与金属钠反应的剧烈程度：水>乙醇C.羟基连接不同的基团可影响羟基的活性D.羟基极性不同的原因是羟基中的共价键类型不同答案D解析与Na反应越剧烈，羟基氢原子的活泼性越强，对应羟基的极性越强，与Na反应的剧烈程度：乙酸>水>乙醇，则羟基的极性：乙酸>水>乙醇，A项、B项正确；题给3种化合物中均含有羟基，但羟基连接的基团不同，导致羟基的活性不同，C项正确；羟基中的O—H键都是σ键，D项错误。10.下列物质在给定条件下的同分异构体数目正确的是()A.含有碳碳三键的C4H6的同分异构体有3种B.分子式是C6H12O2且属于羧酸的同分异构体有5种C.含苯环的C8H10的同分异构体有3种D.的一溴代物有5种答案D解析C4H6的不饱和度为2，可以含1个碳碳三键，含有碳碳三键的C4H6的同分异构体有2种，即eq\a\vs4\al(C—C—C—C,①②)(①②表示碳碳三键所在的位置)，A错误；分子式是C6H12O2且属于羧酸的同分异构体即C5H11COOH，由于戊基的结构有8种，故分子式是C6H12O2且属于羧酸的同分异构体有8种，B错误；易认为C8H10除苯环外，支链只能是2个甲基而出错，其支链还可以是1个乙基，支链是2个甲基的结构有邻、间、对3种，支链是1个乙基的结构有1种，共4种，C错误。D.的一溴代物有5种，即，D正确；故答案选D。11.下列有关化学键类型的判断中错误的是()A.全部由非金属元素构成的化合物中可能存在离子键B.物质中有σ键不一定有π键，有π键一定有σ键C.已知乙炔的结构式为H—C≡C—H，则乙炔分子中存在2个σ键(C—H)和3个π键(C≡C)D.乙烷分子中只存在σ键，即C—H键和C—C键均为σ键答案C解析NH4Cl、(NH4)2SO4均是由非金属元素构成的，却存在离子键，A正确；H、Cl等只有一个未成对电子，因而只能形成σ键，即有σ键不一定有π键；若形成π键一定是原子间已形成σ键，即有π键一定有σ键，B正确；共价双键中有一个为σ键，另一个为π键，共价三键中有一个为σ键，另两个为π键，故乙炔(H—C≡C—H)分子中有2个C—Hσ键，C≡C中有1个σ键，2个π键，C错误；单键为σ键，乙烷分子的结构式为，其所含的6个C—H键和1个C—C键均为σ键，D正确。12.(2023·湘鄂冀三省七校联考)乙醛能与HCN发生加成反应，CH3CHO＋HCN→，NA表示阿伏加德