备战2021 高考化学 考点50 碳原子的成键特征 同分异构体（原卷版） 10页

考点 50 碳原子的成键特征 同分异构体 一、有机物分子中碳原子的成键特征 1．有机物分子中碳原子的成键特征 （1）碳原子的最外层有 4 个电子，可与其他原子形成 4 条共价键，而且碳原子之间也能相互形成共价 键。 （2）碳原子不仅可以形成单键，还可以形成双键和三键； （3）多个碳原子可以相互结合形成碳链，也可以形成碳环，碳链或碳环上还可以连有支链。 2．有机物分子中所有原子能否共平面的判断方法 （1）典型有机物分子的空间构型。 ①共面型分子中所有原子均在同一平面上。如： 或 。 ②正四面体(或四面体型)分子中所有原子不可能都在同一平面上。如 。 （2）分子中原子能否共平面的判断。 ①展开空间构型法。其他有机物可看作由以上三种典型分子中的氢原子被其他原子或原子团代替后的 产物，但这三种分子的空间结构基本不变。如 CH2=CHCl，可看作 Cl 原子代替了乙烯分子中 H 原子的位置， 故六个原子都在同一平面上。 ② 单 键 旋 转 法 。 碳 碳 单 键 两 端 碳 原 子 所 连 原 子 或 原 子 团 可 以 以 “C—C” 为 轴 旋 转 。 例 如 ， ，因①键可以旋转，故 的平面可能和 确定的平面重合，也可能不重 合。因而 分子中的所有原子可能共面，也可能不完全共面。 二、同系物和同分异构体 1．同系物 （1）概念：结构相似，在分子组成上相差一个或若干个 CH2 原子团的物质互称为同系物(烷烃中甲烷、 乙烷、丁烷等互为同系物)。 （2）性质：同系物之间由于结构相似，只是碳链长度不同，故它们的物理性质随碳原子数的增加呈规 律性变化，而化学性质相似。 注意： （1）同系物必须是有机化合物。 （2）判断有机物之间是否互为同系物，首先要看两种物质是否属于同一类物质，然后再看其分子组成。 （3）具有相同通式的有机物除烷烃外都不能确定是否互为同系物。 2．同分异构现象与同分异构体 （1）同分异构体的概念 化合物具有相同的分子式，但具有不同结构的现象称为同分异构现象。 具有同分异构现象的化合物互称为同分异构体。如正丁烷与异丁烷互为同分异构体。 （2）同分异构体的性质 同分异构体结构上的差别导致它们在性质上有所不同，如在其他条件相同时，互为同分异构体的分子 主链越短，物质的熔、沸点越低。 如何理解同分异构体? ①同分异构体概念的内涵有两点：一是分子式相同，二是结构式不同，二者缺一不可。分子式相同则 相对分子质量相同，但相对分子质量相同不一定分子式相同，如 CO 和 C2H4、C2H6O 和 CH2O2 均不能互称 为同分异构体。 ②同分异构现象广泛存在于有机物中，不仅存在于同类物质中，也存在于不同类物质之间，如 CH3CH2OH(乙醇)和 CH3—O—CH3(甲醚)互为同分异构体。 ③烷烃的同分异构体的数目随碳原子数的增加而增加。如甲烷、乙烷、丙烷没有同分异构体，丁烷有 2 种同分异构体，戊烷有 3 种同分异构体，己烷有 5 种同分异构体。同分异构现象是有机物种类繁多的重要 原因之一。 三、同位素、同素异形体、同分异构体和同系物之间的比较 比较 概念 定义 化学式 结构 性质 同位素 质子数相同、中子数 不同的原子 原子符号表示不同，如 电 子 排 布 相 同，原子核结 物理性质不同，化 学性质相同 1 2 3 1 1 1H H H、 、 构不同 同素异形体 同一种元素形成的不 同单质 元素符号表示相同，分 子式不同，如石墨和金 刚石、O2 和 O3 单质的组成或 结构不同 物理性质不同，化 学性质相似 同分异构体 分子式相同、结构式 不同的化合物 相同 不同 物理性质不同，化 学性质不一定相同 同系物 结构相似，组成相差 一个或若干个 CH2 原 子团的化合物 组成元素相同，通式相 同，相对分子质量相差 14n，如 CH4 和 CH3CH3 同一类物质， 结构相似 物理性质不同，化 学性质相似 考向一 同系物的相关判断 典例 1 有下列结构的物质：①CH3(CH2)3CH3 ②CH3CH2CH2CH2CH3 ③CH3CH2CH2CH2CH2CH3 其中，属于同系物的是______；属于同分异构体的是______；属于同种物质的是______。 A．①② B．②③ C．③④⑤⑥⑦ D．①③ E．③④⑤⑦ F．④⑥ 1．下列各组物质的相互关系描述正确的是 A．H2、D2 和 T2 互为同位素 B． 和 互为同分异构体 C．金刚石、C60、石墨互为同系物 D．(CH3)2CHC2H5 和 CH3CH2CH(CH3)2 属于同种物质 同系物的判断方法 1．判断标准——“同类不同碳” 2．正确理解 （1）结构相似 ①结构相似，主要指化学键类型相似，分子中各原子的结合方式相似。对烷烃而言是指碳原子之间通 过共价单键相连，其余价键全部结合氢原子。 ②结构相似，则组成元素必相同，反之，不一定成立。 如 CH4 与 CH2=CH2，二者组成元素均为 C、H，但结构不相似，不互为同系物。 ③结构相似，则必符合同一通式，反之，不一定成立。 如 CH2=CH2(乙烯)和 (环丙烷)，二者均符合通式 CnH2n，但结构不相似，不互为同系物。 （2）组成上相差 n 个 CH2 原子团 ①同系物一定具有不同的碳原子数(或分子式)。 ②同系物一定具有不同的相对分子质量(相差 14n，n≥1)。 考向二 有机物分子中碳原子的成键特征 典例 2 下列结构中，从成键情况看，不合理的是 2．下列化合物分子中的所有原子都处于同一平面的是 A．甲苯( CH3) B．对二甲苯(H3C CH3) C．氯乙烯(ClCH=CH2) D．丙烯(CH3—CHCH2) 考向三 同分异构体的书写与判断 典例 3 某烃有两种或两种以上的同分异构体，其某一种同分异构体的一氯代物只有一种，则这种烃可能是 ①分子中含有 7 个碳原子的芳香烃 ②分子中含有 4 个碳原子的烷烃 ③分子中含有 12 个氢原子的烷烃 ④分子中含有 8 个碳原子的烷烃 A．③④ B．②③ C．①② D．②④ 3．芳香族化合物 H 的分子式为 C10H12O2，H 与 NaHCO3 溶液反应放出 CO2，其分子中苯环上有两个侧链。 H 可能的结构(不考虑立体异构)共有 A．10 种 B．12 种 C．14 种 D．15 种 烷烃及其同分异构体 烷基的异构体数目的推导思路 推导烷基的异构体数目的正确思路是由烷烃入手。如： 由 、 得 4 种丁基； 由 、 、 得 8 种戊基。 依照上述方法和思路，n≤5 的烷烃及烷基的异构体数目规律如表所示： 名称 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷 数目 1 1 1 2 3 名称 甲基 乙基 丙基 丁基 戊基 数目 1 1 2 4 8 同分异构体数目的判断方法 （1）记忆法：记住常见异构体的数目。 ①凡只含有一个碳原子的分子均无同分异构体。 ②甲烷、乙烷、新戊烷、苯的一卤代物只有一种。 ③丁烷、丙基(—C3H7)有 2 种，如丙烷的一氯代物有 2 种。 ④ 戊烷有 3 种。 ⑤丁基(—C4H9)有 4 种，如丁烷的一氯代物有 4 种。 ⑥戊基(—C5H11)有 8 种，如戊烷的一氯代物有 8 种。 （2）等效氢法： ①同一碳原子上的氢为等效氢； ②同一碳原子上所连甲基(—CH3)为等效甲基，等效甲基中的所有氢为等效氢； ③处于对称位置的碳原子上的氢原子也为等效氢原子； ④有 n 种不同的等效氢，其一元取代物就有 n 种。 1．下列说法正确的是 A．烷烃分子随着碳原子数的增加，熔、沸点逐渐升高，密度逐渐减小 B．常温下，碳原子数≥5 的烷烃均不为气态 C．同系物具有相同的通式，但是通式相同的不一定是同系物 D．在分子组成上相差若干个“CH2”原子团的物质一定是同系物 2．下列说法错误的是 A．35Cl 和 37Cl 互为同位素 B．石墨和金刚石互为同素异形体 C．CH3Cl 和 CH2Cl2 互为同分异构体 D．CH3CH3 和 CH3CH2CH2CH3 互为同系物 3．已知有下列芳香族化合物，请推测第 12 列有机物的分子式为 A．C72H48 B．C72H50 C．C72H52 D．C72H54 4．1 mol 某烷烃在氧气中充分燃烧，需要消耗氧气 246. 4 L (标准状况)，它在光照的条件下与氯气反应，能 生成 4 种不同的一氯取代物，该烷烃的结构简式是 A． B．CH3CH2CH2CH2CH3 C． D． 5．某有机物的键线式结构如图所示。下列有关该有机物的说法正确的是 A．分子式为 C9H12 B．可发生氧化反应、加成反应 C．分子中苯环上的一氯代物有 5 种 D．分子中所有原子都在一个平面上 6．a、b 表示两种化合物，其结构简式分别如图所示。下列有关说法正确的是 A．a、b 与苯是同分异构体 B．a、b 中 6 个碳原子均处于同一平面 C．a 的二氯代物有 5 种 D．b 能使溴水、KMnO4 溶液退色，且退色原理相同 7．下列说法中正确的是 A．丙烷是直链烃，所以分子中 3 个碳原子也在一条直线上 B．环己烷分子中所有原子均在同一平面上 C． 分子中所有碳原子一定在同一平面上 D．CH3—CH=CH—C≡C—CH3 分子中所有碳原子一定在同一平面上 8． (b)、 (d)、HCOOCH2CH2CH===CH2(p)的分子式均为 C5H8O2，下列说法正确 的是 A．b 的同分异构体只有 d 和 p 两种 B．b、d 中所有碳原子均处于同一平面 C．b、d 中官能团相同 D．p 可使溴水退色 9．下列化合物中同分异构体数目最少的是 A．戊烷 B．戊醇 C．戊烯 D．乙酸乙酯 10．同分异构现象在有机物中广泛存在，如图为苯及其几种同分异构体的键线式，下列有关说法中正确的 是 A．b、c 均与乙烯互为同系物 B．a 和 d 的二氯代物均有 3 种 C．4 种有机物均能使酸性高锰酸钾溶液褪色 D．a 和 b 中所有原子可能共平面 11．甲苯是对煤的综合利用得到的产物之一，其结构简式为 CH3。试回答下列问题： （1）苯与甲苯的相互关系为________。 A．同分异构体 B．同位素 C．同素异形体 D．同系物 （2）甲苯燃烧时的现象为____________________________，1 mol 甲苯完全燃烧消耗氧气的物质的量 为________。 （3）甲苯苯环上的一氯代物有________种。 （4）已知具有 结构的物质可被酸性高锰酸钾溶液氧化。请简述区分苯和甲苯的方法。 1．[2019 新课标Ⅱ]分子式为 C4H8BrCl 的有机物共有（不含立体异构） A．8 种 B．10 种 C．12 种 D．14 种 2．[2019 新课标Ⅲ]下列化合物的分子中，所有原子可能共平面的是 A．甲苯 B．乙烷 C．丙炔 D．1，3−丁二烯 3．[2018 新课标Ⅰ]环之间共用一个碳原子的化合物称为螺环化合物，螺[2，2]戊烷（ ）是最简单的 一种。下列关于该化合物的说法错误的是 A．与环戊烯互为同分异构体 B．二氯代物超过两种 C．所有碳原子均处同一平面 D．生成 1 mol C5H12 至少需要 2 mol H2 4．[2017 新课标Ⅰ]已知 （b）、 （d）、 （p）的分子式均为 C6H6，下列说法正确的是 A．b 的同分异构体只有 d 和 p 两种 B．b、d、p 的二氯代物均只有三种 C．b、d、p 均可与酸性高锰酸钾溶液反应 D．b、d、p 中只有 b 的所有原子处于同一平面 5．[2016·新课标Ⅱ]分子式为 C4H8Cl2 的有机物共有(不含立体异构) A．7 种 B．8 种 C．9 种 D．10 种 6．[2016·新课标Ⅲ]已知异丙苯的结构简式如下，下列说法错误的是 A．异丙苯的分子式为 C9H12 B．异丙苯的沸点比苯高 C．异丙苯中碳原子可能都处于同一平面 D．异丙苯和苯为同系物 7．［2016·海南］工业上可由乙苯生产苯乙烯： +H2，下列说法正确的 是 A．该反应的类型为消去反应 B．乙苯的同分异构体共有三种 C．可用 Br2/CCl4 鉴别乙苯和苯乙烯 D．乙苯和苯乙烯分子内共平面的碳原子数均为 7