2020-2021学年化学人教版选修5学案：1-2 有机化合物的结构特点 Word版含解析 27页

www.ks5u.com 第二节　有机化合物的结构特点 一、有机化合物中碳原子的成键特点 ‎1．碳原子的结构及成键特点 碳原子的最外层有4个电子，很难得失电子，易与碳原子或其他原子形成4个共价键。‎ ‎2．碳原子的结合方式 二、甲烷的分子结构 ‎1．甲烷分子结构的不同表示方法 ‎2．甲烷分子的空间构型 甲烷分子中碳原子与4个氢原子形成4个共价键，构成以碳原子为中心，4个氢原子位于四个顶点的正四面体立体结构。如图，其中4个碳氢键是等同的，键长均为109.3 pm，两个碳氢键间的夹角均为109°28′，键能为413.4 kJ/mol。‎ 三、同分异构现象和同分异构体的概念 ‎1．同分异构现象 化合物具有相同的分子式，但结构不同，因而产生性质上的差异的现象。‎ ‎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CH3CH2CH2Cl与。‎ 四、同分异构体的类型 探究点一　　有机物分子结构的表示方法 种类 实例 涵义 应用范围 化学 式　‎ CH4、C2H2‎ 用元素符号表示物质分子组成的式子。可反映出一个分子中原子的种类和数目 多用于研究分子晶体 最简 ‎①‎ ‎①有共同组成的物质。‎ 式(实 验式)‎ 乙烷最简式为CH3，C6H12O6的最简式为CH2O 表示物质组成的各元素原子最简整数比的式子。②由最简式可求最简式量。‎ ‎②离子化合物、原子晶体常用它来表示组成。‎ 电子 式　‎ 用小黑点等记号代替电子，表示原子最外层电子成键情况的式子 多用于表示离子型、共价型的物质 结构 式　‎ ‎①具有化学式所表示的意义，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，但不表示空间构型。‎ ‎①多用于研究有机物的性质。②由于能反映有机物的结构，有机反应常用结构式表示。‎ 结构 简式 CH3—CH3‎ 结构式的简便写法，着重突出结构特点(官能团)‎ 同“结构式”‎ 球棍 模型 小球表示原子，短棍表示价键 用于表示分子的空间结构(立体形状)‎ 比例 模型 用不同体积的小球表示不同的原子大小 用于表示分子中各原子的相对大小和结合顺序 键线 式 ‎①进一步省去碳氢元素的符号，只要求表示出碳碳键以及与碳原子相连的基团。‎ ‎②图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＝‎ 可表示为：‎ ‎①分子式 将所有相同的原子合并写。‎ ‎②结构式 写出所有的共价键。‎ ‎③结构简式 a．一定省：碳氢键。‎ b．一定不能省：碳碳双键和碳碳三键，即官能团不能省略。‎ 如：乙烯的结构简式可写为CH2===CH2，但不能写为CH2CH2。‎ c．若某个碳上连有支链，一般用括号写在后面，并注明个数。‎ d．写结构简式时，同一个碳原子上的相同原子或原子团可以合并；直接相邻的且相同的原子团亦可以合并。‎ 如，也可以写成(CH3)3C(CH2)2CH3。‎ e．结构简式不能表示有机物的真实结构。如从结构简式看，CH3CH2CH2CH3中的碳链是直线形的，而实际上是锯齿形的。‎ ‎④键线式 a．省略C、H元素符号，只表示键的连接。‎ b．每个拐点或终点均有一个C原子。‎ ‎(1)最简式相同的物质是不是同一类别的物质？试举例说明。‎ ‎(2)乙烯的结构简式是不是CH2CH2?‎ ‎(3) 的结构简式可以写成(CH3)3C(CH2)2CH3吗？‎ 提示：(1)不一定。有些物质比如乙烯(CH2===CH2)和丙烯(CH3CH===CH2)最简式都是CH2，是同一类物质；乙炔(CH≡CH)和苯()的最简式都是CH，但二者不是同一类物质。‎ ‎(2)不是。乙烯的结构简式是CH2===CH2，在有机物的结构简式中表示碳碳双键的“===”，碳碳三键的“≡”不能省略。‎ ‎(3)可以。写结构简式时，同一个碳原子上的相同原子或原子团可以合并；直接相邻的且相同的原子团亦可以合并。因此，可以写成(CH3)3C(CH2)2CH3。‎ ‎【例1】　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：‎ ‎(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)写出⑨的分子式：________。‎ ‎(3)写出⑩中官能团的电子式：________、________。‎ ‎(4)②的分子式为________，最简式为________。‎ ‎【思路分析】　明确有机物分子结构的表示方法和特点，从而正确识别有机物分子的表示方法。‎ ‎【解析】　①③④⑦是结构简式；②⑥⑨是键线式，所有拐点和端点都有一个碳原子，碳原子不满足四个价键的由氢原子补足；⑤是CH4的比例模型；⑧是正戊烷的球棍模型；⑩‎ 是葡萄糖的结构式，其官能团有—OH和；②的分子式为C6H12，所以最简式为CH2。‎ ‎【答案】　(1)①③④⑦　⑩　②⑥⑨　⑤　⑧‎ ‎(2)C11H18O2　(3)·H　　(4)C6H12　CH2‎ 下列有关叙述正确的是(　B　)‎ 解析：在书写结构简式时碳碳双键不能省略，乙烯的结构简式应为CH2===CH2‎ ‎，A错误；B项表示同一种物质，正确；结构简式只表明了有机物分子中各原子的连接顺序和成键情况，不能表明分子的空间构型，因为碳碳单键可理解成可以绕单键轴旋转，故C不正确；根据键线式的表示方法可知D不正确，分子式应为C7H12。‎ 探究点二　　同分异构体与同系物 一、同分异构体 ‎1．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(同分异构体主要指有机物)。‎ ‎2．常见同分异构体的类型：‎ ‎(1)碳链异构 ‎(2)官能团位置异构 ‎(3)官能团类别异构 ‎3．关于同分异构体的理解 ‎(1)分子结构式的写法与分子真实结构的差别。如是同种物质，而不是同分异构体。‎ ‎(2)同分异构体的分子式、相对分子质量、最简式都相同，但相对分子质量相同的化合物不一定是同分异构体，如C2H6与HCHO；最简式相同的化合物也不一定是同分异构体，如C2H2与C6H6。‎ ‎(3)同分异构体结构不同，性质不同，是不同的物质；但可以是同一类物质，也可以是不同类物质。‎ ‎(4)同分异构体不仅存在于有机物和有机物之间，也存在于有机物和无机物之间，如尿素[CO(NH2)2，有机物]和氰酸铵(NH4CNO，无机物)互为同分异构体。‎ ‎4．同分异构体的性质 ‎①熔、沸点高低与支链多少有关，一般支链越多熔沸点越低。如沸点：正戊烷>异戊烷>新戊烷。‎ ‎②化学性质：同类异构性质相似，不同类异构存在差异性。‎ 二、同系物 ‎1．定义：结构相似，在分子组成上彼此相差一个或若干个CH2原子团的一系列化合物称为同系列，同系列中的化合物互称为同系物。‎ ‎2．同系物的判断：①通式相同；②结构相似；③同一类物质；④组成上相差一个或多个“CH2”原子团。‎ ‎3．关于同系物的理解：‎ ‎(2)同系物性质：①物理性质上存在递变性；a.随碳数增加，状态由气―→液―→固；b.随碳数增加，熔、沸点逐渐升高；c.随碳数增加，密度逐渐增大。②化学性质以相似性为主，也存在差异性。‎ ‎1．同分异构体的物理性质一定不同，化学性质一定相同吗？‎ 提示：同分异构体的结构不同，故其物理性质一定不同，但化学性质要看同分异构体的类别，相同类别的同分异构体的化学性质相似，如己烷的五种同分异构体的化学性质相似；但不同类别的同分异构体的化学性质不同，如乙酸与甲酸甲酯。‎ ‎2．分子式为C5H10的有机化合物可以属于哪些类别？‎ 提示：‎ 可以是烯烃、环戊烷，也可以是带支链的环丁烷、环丙烷等。‎ ‎【例2】　下列说法正确的是(　　)‎ A．凡是分子组成相差一个或几个CH2原子团的物质，彼此一定是同系物 B．两种化合物组成元素相同，各元素质量分数也相同，则二者一定是同分异构体 C．相对分子质量相同的几种化合物，互称为同分异构体 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，一定互为同分异构体 ‎【思路分析】　(1)同系物的判断应注意两点：一是结构相似，它是指分子中具有相同的官能团，且官能团的个数也要相同(即属于同一类物质)；二是组成上相差一个或若干个CH2原子团。‎ ‎(2)同分异构体的判断也应注意两点：一是分子式相同，也就是组成相同；二是结构不同，主要表现为原子或原子团的排列顺序不同。‎ ‎【解析】　A项分子组成相差一个或若干个CH2原子团的物质，其分子结构不一定相似，如，A说法错误；B项若两种化合物组成元素相同，各元素的质量分数也相同，则它们的最简式必定相同，最简式相同的化合物可能是同分异构体，也可能是非同分异构体，如CH3(CH2)2CH3和CH3CH(CH3)2、CH2===CH2、CH2===CH—CH3，B说法错误；C项相对分子质量相同的物质是很多的，如无机物中的H2SO4和H3PO4，又如有机物里的C2H6O(乙醇)与CH2O2‎ ‎(甲酸)，这些物质都具有相同的相对分子质量，但由于它们的分子组成不同，所以它们不是同分异构体，C说法错误；D项当不同化合物组成元素的质量分数相同，相对分子质量也相同时，其分子式一定相同，因此这样的不同化合物互为同分异构体。‎ ‎【答案】　D 下列各物质中一定属于同系物的是(　D　)‎ A．CH4和C2H4 B．烷烃和环烷烃 C．C2H4和C4H8 D．C5H12和C2H6‎ 解析：A中CH4和C2H4结构不相似，组成上也不相差CH2原子团的整数倍，错误。B中烷烃和环烷烃虽然化学键的类型相同，但是烷烃是开链的，而环烷烃是环状结构，结构不同，错误。C中C2H4和C4H8组成上虽然相差的是CH2原子团的整数倍，但是C2H4一定含有碳碳双键，而C4H8则可能是环状结构，也可能是含有碳碳双键的结构，所以不一定是同系物。D中C5H12和C2H6均属于烷烃，结构相似，分子组成上相差3个CH2原子团，正确。‎ 探究点三　　同分异构体的书写 ‎1．降碳对称法(适用于碳链异构)‎ 可总结为四句话：主链由长到短，支链由整到散，位置由心到边，碳满四价。‎ 下面以C7H16为例，写出它的同分异构体：‎ ‎(1)将分子写成直链形式：CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3。‎ ‎(2)从直链上去掉一个—CH3，依次连在剩余碳链中心对称线一侧的各个碳原子上。甲基可连在2,3号碳上：‎ ‎，根据碳链中心对称，将—CH3连在对称轴的右侧就会与左侧连接方式重复。‎ ‎(3)再从主链上去掉一个碳，可形成一个—CH2CH3或两个—CH3‎ ‎，即主链变为：。当取代基为—CH2CH3时，由对称关系只能接在3号碳上。当取代基为两个甲基时，在主链上先定一个甲基，按照位置由近至远的顺序依次移动另外一个甲基，注意不要重复。即两个甲基可分别连接的碳原子号码是：2和2、2和3、2和4、3和3。‎ ‎2．取代法(适用于醇、卤代烃异构)‎ 先碳链异构，后位置异构。如书写分子式为C5H12O的醇的同分异构体，如图(图中数字即为—OH接入后的位置，即这样的醇合计为8种)：‎ ‎ ‎ ‎3．插入法(适用于烯烃、炔烃、酯等)‎ 先根据给定烷基的碳原子数，写出烷烃的同分异构体的碳骨架，再根据碳链的对称性，将官能团插入碳链中，最后用氢原子补足碳的4个价键。如书写分子式为C5H10O的酮的同分异构体，如图所示。‎ ‎ ‎ ‎4．书写规律 ‎(1)烷烃只存在碳链异构，书写时要注意全面而不重复。具体规则如下：成直链，一条线；摘一碳，挂中间，往边移，不到端；摘二碳，成乙基；二甲基，同、邻、间。‎ ‎(2)具有官能团的有机化合物，一般按碳链异构→位置异构→官能团异构逐一考虑，这样可避免重复和漏写。‎ 写出符合下列条件的同分异构体的结构简式。‎ ‎(1)分子中含有一个苯环；(2)且分子式为C8H10。‎ 提示：注意侧链有两个碳原子，可作为两个甲基，也可作为一个乙基(容易遗漏一个乙基的情况)，符合条件的有以下四种：‎ ‎【例3】　某化合物A的分子式为C5H11Cl，分析数据表明，分子结构有两个—CH3，两个—CH2—，一个和一个—Cl，它的可能结构只有4种，请写出这4种可能的结构简式________________、________________、________________、________________。‎ ‎【思路分析】　根据四种基团的特点，结合题目要求直接写出结构简式，也可先写出C5H12的同分异构体，再用氯原子取代一个氢，且要满足题干中的要求。‎ ‎【解析】　题中要求有两个甲基，则可分析得到：‎ ‎【答案】　‎ 下列化合物中同分异构体数目最少的是(　A　)‎ A．戊烷　　　B．戊醇　　　C．戊烯　　　D．乙酸乙酯 解析：戊烷的同分异构体有3种，分别为正戊烷、异戊烷和新戊烷。戊醇的分子式为C5H12O，其同分异构体可以看成是在戊烷的3种同分异构体中不同种碳氢单键、碳碳单键(C—H、C—C)之间插入氧原子(O)形成的，正戊烷分子中有3种碳氢单键和2种碳碳单键，插入氧原子后可以形成3种醇和2种醚，已经比戊烷的异构体多。正戊烷相邻碳原子间脱氢形成2种戊烯(分别为1戊烯和2戊烯)，正戊烷不相邻碳原子间脱氢形成3种环烷烃(环戊烷、甲基环丁烷、乙基环丙烷)，已经比戊烷的同分异构体多。乙酸乙酯的常见异构体有甲酸正丙酯、甲酸异丙酯、丙酸甲酯、丁酸等，已经超过3种。‎ 探究点四　　同分异构体数目的判断 ‎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。‎ ‎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。‎ ‎4．定一移二法：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，再移动另一个取代基，以确定其同分异构体的数目。‎ 分子里碳原子数不超过10个的所有烷烃，一氯代物只有一种的烷烃有几种？‎ 提示：4种。若烷烃的一氯代物只有一种，则此烷烃分子中所有的氢原子必须全部是等效的，碳原子数不超过10个的所有烷烃中氢原子全部是等效氢的只有四种，分别为CH4、CH3CH3、。‎ ‎【例4】　下列烃的一氯代物只有2种的是(　　)‎ ‎【思路分析】　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。‎ ‎【解析】　‎ ‎【答案】　D 结构不同的二甲基氯苯的数目有(　C　)‎ A．4种　　　　B．5种　　　　C．6种　　　　D．7种 解析：(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种结构中苯环上加一个氯原子后的异构情况：‎ ‎1．下列对有机化合物数量、品种繁多的原因的叙述不正确的是(　A　)‎ A．所有的有机物中都含碳元素且都存在异构现象 B．碳原子既可以和碳原子形成共价键又可以和其他非金属原子(如H、N、S、O等)形成共价键 C．碳原子之间既可以形成稳定的单键，又可以形成稳定的双键和三键 D．多个碳原子之间既可以形成长短不一的碳链(碳链可以带有支链)，又可以形成碳环，且碳链与碳环可以相互结合 解析：不是所有的有机物都存在同分异构现象，如CH4、C2H6、C3H8等都不存在同分异构现象。‎ ‎2．某化工厂生产的某产品只含C、H、O三种 元素，其分子模型如图所示(图中球与球之间的连线代表化学键，如单键、双键等)，则该物质是(　A　)‎ A．CH2===C(CH3)COOH B．CH2===CHCOOCH3‎ C．CH3CH2CH===CHCOOH D．CH3CH(CH3)COOH 解析：根据“价键数守恒”，即碳原子价键数为4，氢原子价键数为1，氧原子价键数为2，可知黑色球是碳原子，灰色球是O原子，白色球是H原子，故该物质是CH2===C(CH3)COOH。‎ ‎3．某有机物的结构简式如下：下列说法中正确的是(　C　)‎ A．该有机物的分子式为C17H29O2‎ B．分子中有苯环 C．能够使高锰酸钾溶液褪色 D．只有一个官能团 解析：分子式为C17H32O2；分子中没有苯环；有两种官能团，即羟基和碳碳双键；由于有碳碳双键，所以能使高锰酸钾溶液褪色。‎ ‎4．下列各组物质互为同分异构体的是(　D　)‎ 解析：A、B中两种物质均为同一物质；H2SO4和H3PO4的相对分子质量相同，结构不同，但二者不是同分异构体。‎ ‎5．下列说法正确的是(　B　)‎ A．和互为同系物 B．CH3COOH和HCOOCH3互为同分异构体 C．C60与C70互为同位素 D．H2O和HDO互为同素异形体 解析：属于酚类，属于醇类，二者的结构不相似，不是同系物，A不正确；CH3COOH和HCOOCH3的分子式相同，结构不同，二者互为同分异构体，B正确；C60与C70都是由碳元素组成的不同单质，二者互为同素异形体，C不正确；H2O和HDO都是水分子，是化合物，故D也不正确。‎ ‎6．下列有机化合物的一氯取代物的同分异构体的数目相等的是(　D　)‎ A．①② B．②④‎ C．③④ D．①④‎ 解析：首先判断各有机化合物的对称面：①和④无对称面，②和③均呈镜面对称，只需看其中一半即可。然后看连在同一个碳原子上的甲基有几个：①中有两个甲基连在同一个碳原子上，所以这两个甲基中的氢原子等效，③中也有两个甲基连在同一个碳原子上，因为是镜面对称，故四个甲基中的氢原子等效。最后用箭头确定不同的氢原子，如下图所示，即可知①和④对应的一氯取代物都有七种同分异构体，②和③对应的一氯取代物都只有四种同分异构体。故选D。‎ ‎7．分子式为C10H14的单取代芳烃，其可能的结构有(　C　)‎ A．2种 B．3种 C．4种 D．5种 解析：分子式为C10H14的单取代芳烃为C6H5—C4H9，—C4H9为丁基，而丁基有4种：CH3—CH2—CH2—CH2—、‎ ‎8．如下图所示为4个碳原子相互结合的方式。小球表示碳原子，小棍表示化学键，假设碳原子上其余的化学键都与氢原子结合。‎ ‎(1)图中属于烷烃的是AC(填字母，下同)。‎ ‎(2)在如上图所示的有机化合物中，碳原子与碳原子之间不仅可以形成单键，还可以形成双键和三键；不仅可以形成碳链，还可以形成碳环。‎ ‎(3)含有双键的是BEF，含有三键的是DG。‎ ‎(4)图中互为同分异构体的是：A与C；B与E、F、H；D与G。‎ 解析：‎ ‎(1)烷烃中碳原子之间都以单键形式结合，剩余的价键全部与氢原子结合，由此可以判断，题中属于烷烃的是A、C。(2)观察题中的有机化合物，可以看出碳原子与碳原子之间不仅可以形成单键，还可以形成双键，如B、E、F，也可以形成三键，如D、G；碳原子与碳原子之间不仅可以形成碳链，还可以形成碳环。(3)每个小球表示一个碳原子，每根小棍表示一个单键，可知A的分子式为C4H10；B的分子式为C4H8，分子中存在双键；C的分子式为C4H10；D的分子式为C4H6，分子中存在三键；E的分子式为C4H8；F的分子式为C4H8；G的分子式为C4H6；H的分子式为C4H8，分子中碳原子之间形成碳环。(4)A与C互为同分异构体，B与E、F、H互为同分异构体，D与G互为同分异构体。‎ ‎9．有下列几种有机化合物的结构简式：‎ ‎(1)属于同分异构体的是②⑧、④⑤⑨、③⑥⑦、①⑩(填序号，下同)；‎ ‎(2)属于同系物的是①②、②⑩；‎ ‎(3)官能团位置不同的同分异构体是①⑩、③⑥、④⑤；‎ ‎(4)官能团类型不同的同分异构体是③⑦、⑥⑦、④⑨、⑤⑨。‎ 解析：①的分子式为C5H10，②的分子式为C6H12，③的分子式为C4H10O，④的分子式为C4H6，⑤的分子式为C4H6，⑥的分子式为C4H10O，⑦的分子式为C4H10O，⑧的分子式为C6H12，⑨的分子式为C4H6，⑩的分子式为C5H10。属于同分异构体的有机物必须分子式相同，且结构不同，故属于同分异构体的①⑩、②⑧、④⑤⑨、③⑥⑦。同系物必须结构相似，在组成上相差一个或若干个CH2原子团，①②、‎ ‎②⑩的官能团种类及数目相同，结构彼此相似，在组成上相差一个CH2，故彼此互为同系物。⑧与⑩不是同系物，⑩为烯烃，官能团为碳碳双键，⑧为环烷烃。官能团位置不同的同分异构体，即分子式相同，官能团种类及数目相同，官能团的位置不同，符合条件的有①⑩、③⑥、④⑤。官能团类型不同的同分异构体有③⑦、⑥⑦、④⑨、⑤⑨。‎ ‎10．烷烃分子可看作由—CH3、—CH2—、等基团组成。‎ 解析：(1)存在—CH2—时，两边键只能连碳原子，不能连氢