第七章 有机化合物第一节 认识有机化合物【学习目标】 1.了解有机物中碳原子的成键特点、成键类型及方式。2.认识甲烷的组成、结构、烷烃的组成及结构，理解同系物、同分异构体的概念，学会判断简单烷烃的同分异构体，建立同系物、同分异构体判断及书写的思维模型。3.了解烷烃的主要物理性质和化学性质，培养“变化观念与平衡思想”的素养。4.熟练掌握甲烷的主要性质，提高“证据推理与模型认知”能力。5.认识取代反应的概念及特点，培养“微观探析及变化观念”。【基础知识】一、有机化合物中碳原子的成键特点1、甲烷是最简单的有机化合物，甲烷的分子式为 CH 4 ，电子式为 ，结构式为 。2、有机物中碳原子的结构及成键特点（1）有机物中，碳原子可以形成 4 个共价键。（2）碳原子间成键方式多样①碳碳之间的结合方式有单键( )、双键( )、三键(—C≡C—)。②多个碳原子之间可以结合成碳链，也可以结合成碳环(且可带支链)。 （3）有机物分子可能只含有一个或几个碳原子，也可能含有成千上万个碳原子。注意：有机物中碳原子成键特点和碳原子间的连接特点决定了有机物种类繁多。二、烷烃1．烷烃的结构（1）甲烷的结构甲烷的空间结构是 正四面体 结构， 碳 原子位于正四面体的中心，4 个 氢 原子位于 4 个顶点上。分子中的 4 个 C—H 的长度和强度 相同 ，相互之间的夹角 相同 ，为 109°28′。（2）空间示意图是 。甲烷的 球棍 模型为 ，空间填充模型为 。2、烷烃——只含有碳和氢两种元素（1）示例：乙烷的结构式为 ，分子式为 C 2H6 ，丙烷的结构式为 ，分子式为 C 3H8 。（2）结构特点①分子中碳原子之间都以 单键 结合；②碳原子的剩余价键均与 氢原子 结合，使碳原子的化合价都达到“饱和”，称为饱和烃，又称烷烃。（3）分子组成通式：链状烷烃中的碳原子数为 n，氢原子数就是 2n ＋ 2 ，分子通式可表示为 CnH2n＋2 。（4）烷烃的一般命名①方法碳原子数(n)及表示n≤101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 甲 乙 丙 丁 戊 己 庚 辛 壬 癸n＞10相应汉字数字②示例：C4H10称 丁烷 ，C8H18称 辛烷 ，C12H26称 十二烷 。3、同系物（1）概念： 结构 相似，在分子组成上相差一个或若干个 CH 2 原子团 的化合物。（2）实例：CH4、C2H6、C3H8互为 同系物 。4、同分异构体（1）概念①同分异构现象：化合物具有相同的 分子式 ，但具有不同 结构 的现象。同分异构现象是有机物种类繁多的重要原因之一。②同分异构体：具有 同分异构现象 的化合物互称为 同分异构体 。（2）写出 C4H10的同分异构体： CH 3CH2CH2CH3 和 ，其名称分别为 正丁烷 和 异丁烷。（3）戊烷的同分异构体有 3 种，己烷的同分异构体有 5 种。三、烷烃的性质1、烷烃的认识：天然气、沼气和煤层气的主要成分均为 甲烷 ，“凡士林”、石蜡、汽油、煤油的主要成分是含碳原子数较多的 烷烃 。2、烷烃的物理性质：烷烃均为 难溶 于水的 无 色物质。（1）熔点、沸点与密度：逐渐 升高 。（2）状态：由 气 态→ 液 态→ 固 态，其中常温、常压下碳原子数小于或等于 4 的烷烃为 气 态。3、烷烃的化学性质在通常情况下，烷烃比较稳定，与 强酸、强碱 或高锰酸钾等 强氧化剂 不反应。但在特定条件下可燃烧，在较高温度下会发生分解，与氯气等发生 取代 反应。取代反应是有机物分子里的某些 原子或原子团 被其他 原子或原子团 所替代的反应。（1）氧化反应—燃烧反应CH4、C3H8燃烧的化学方程式分别为 CH 4＋ 2O 2――→ CO 2＋ 2H 2O 、 C 3H8＋ 5O 2――→ 3CO 2＋ 4H 2O 。（2）受热分解——应用于 石油化工 和 天然气化工 生产中。（3）取代反应——以甲烷为例，写出化学方程式① CH4＋Cl2――→CH3Cl ＋ HCl ② CH3Cl＋Cl2――→CH2Cl2＋ HCl ③ CH2Cl2＋Cl2――→CHCl3＋ HCl ④ CHCl3＋ Cl 2――→ CCl 4＋ HCl 4、有机物的一般性质（1）物理性质：大多数有机物的熔点比较 低 ， 难 溶于水， 易 溶于汽油、乙醇、苯等有机溶剂。（2）化学性质：大多数有机物容易 燃烧 ，受热会发生分解；有机物的化学反应比较 复杂 ，常伴有副反应发生，很多反应需要在 加热、光照 或使用催化剂的条件下进行。注意：有机反应比较复杂，常有很多副反应发生，因此有机反应化学方程式常用“―→”，而不用“===”。5、CH4与 Cl2的取代反应实验装置A　　　　　　　B实验现象A 装置：试管内气体颜色逐渐 变浅 ；试管内壁有 油状液滴 出现，试管中有少量白雾，且试管内液面 上升 ，有固体析出。 B 装置：无明显现象【考点剖析】考点一　有机化合物碳原子成键特点及结构1.下列各图均能表示甲烷的分子结构，其中能反映其真实存在状况的是(　　) 答案　D解析　分子的空间充填模型不仅表示分子的空间结构，还可以表示原子的相对大小，因此最真实反映分子结构状况，故选 D。2.已知甲烷和丙烷分子中碳原子成键相似，下列有关丙烷的描述正确的是(　　)A.碳原子间以双键相结合，为链状结构B.每个碳原子都形成四个价键，碳链为锯齿状C.丙烷分子中所有原子共平面D.丙烷分子中三个碳原子为环状结构答案　B解析　据信息，丙烷分子中碳原子成 4 个价键，碳和碳之间为单键，形成碳链，剩余价键都和氢原子结合，故 A、C、D 错误。3.下列说法中正确的是(　　)A.CH3Cl 是正四面体结构B.CH2Cl2有两种结构C.CHCl3只有一种结构，可以证明甲烷是正四面体结构D.CCl4是正四面体结构答案　D解析　CH3Cl 中 C 原子上连有不同的原子，为四面体结构，但不是正四面体结构，A 错误；甲烷分子是正四面体结构，CH2Cl2只有一种结构，B 错误；无论甲烷分子是正四面体结构，还是平面正方形结构，CHCl3都不存在同分异构体，C 错误；CCl4中 C 原子连有四个相同的 Cl 原子，形成四个相同的化学键，分子的空间结构为正四面体结构，D 正确。考点二　烷烃的组成及结构4.下列有关简单烷烃的描述，说法错误的是(　　)A.原子间所成的键都是单键B.都易燃烧，都难溶于水C.分子组成上满足通式 CnH2n＋2(n≥1)D.相邻两个烷烃分子组成上相差一个甲基答案　D解析　相邻两个烷烃分子组成上相差一个 CH2原子团，故 D 错误。5.下列说法不正确的是(　　)A.烷烃中每个碳原子都形成四个共价单键B.正丁烷的四个碳原子可以在同一条直线上C.甲烷、乙烷、丙烷的结构都只有一种D.任何烷烃分子不可能为平面结构答案　B解析　正丁烷分子中 4 个碳原子为锯齿形， 不为直线形，故不在同一直线上，因此 B 错误。考点三　同系物、同分异构体的判断6.下列叙述正确的是(　　)A.CH4与 C4H10互为同系物B.C3H8有 2 种同分异构体C.所有烷烃的分子组成上都满足 CnH2n＋2(n≥1)D.烷烃分子中，相邻的三个碳原子可能在同一条直线上答案　A解析　CH4与 C4H10均是烷烃，二者互为同系物，A 项正确；C3H8是丙烷，丙烷无同分异构体，B 项错误；烷烃中所含碳原子是饱和的，链状烷烃分子组成上都满足 CnH2n＋2(n≥1)，但环烷烃不符合该通式，C 错误；烷烃分子中的碳原子呈锯齿形，分子中相邻的三个碳原子不可能在同一条直线上，D 项错误。7.(2019·重庆七校高一检测)下列说法中，不正确的是(　　)A.12C 和14C 互为同位素B.O2和 O3互为同素异形体C.CH4和 C3H8互为同系物 D. 和 互为同分异构体答案　D解析　两种 C 原子的质子数相同，中子数不同，互为同位素，A 项正确；氧气和臭氧都是由氧元素形成的单质，但分子式不同，互为同素异形体，B 项正确；CH4和 C3H8结构相似，组成上相差 2 个 CH2原子团，互为同系物，C 项正确；因为甲烷分子是正四面体结构，所以其二氯代物的结构只有一种，D 项中的两种结构表示同一种物质，即二氯甲烷，D 项错误。 8.下列叙述中正确的是(　　)A.含 5 个碳原子的有机物，每个分子中最多有 4 个 C—C 单键B.正戊烷分子中所有原子均在一条直线上C.碳原子间以单键结合，碳原子剩余价键全部与氢原子结合的烃一定符合通式 CnH2n＋2D.分子式为 C3H8与 C6H14的两种有机物一定互为同系物答案　D解析　含有 5 个碳原子的有机物若形成碳链，则每个分子中有 4 个 C—C 键，若形成碳环，则每个分子中有 5 个 C—C 键，A 错误；正戊烷分子中所有原子不在一条直线上，B 错误；不仅饱和链烃中只含有 C—C 键与 C—H 键，环烷烃中也只含有 C—C 键与 C—H 键，环烷烃的通式为 CnH2n，C 错误；C3H8和C6H14均为链状烷烃，且分子组成上相差 3 个“CH2”，两种有机物一定互为同系物，D 正确。9.Ⅰ.有下列各组物质(在横线上填相应的序号)：① O2和 O3　② H2、D2、T2　③12C 和14C④ CH3CH2CH2CH3和(CH3)2CHCH2CH3⑤癸烷和十六烷⑥ CH3CH2CH3和 CH3CH2CH2CH(CH3)C2H5⑦ 和(1)互为同位素的是__________。(2)互为同系物的是____________。(3)互为同素异形体的是__________。(4)为同一种物质的是________。Ⅱ.写出下列链状烷烃的分子式：(1)含有 30 个氢原子的烷烃的分子式为__________。(2)假如某烷烃的相对分子质量为 142，则该烷烃的分子式为__________。(3)烷烃 A 在同温同压下蒸气的密度是 H2的 36 倍，则其分子式为________。(4)甲烷的电子式为________，碳氢键之间键角为________。答案　Ⅰ.(1)③　(2)④⑤⑥　(3)①　(4)②⑦Ⅱ.(1)C14H30　(2)C10H22　(3)C5H12(4) 　109°28′解析　Ⅰ.(1)同位素是质子数相同、中子数不同的一类原子，互为同位素的是12C 和14C。(2)同系物是结构相似，分子组成上相差一个或若干个 CH2原子团的有机物，④中两种物质分子式分别为 C4H10、C5H12，都属于链状烷烃，为同系物。⑥中两种物质分子式分别为 C3H8、C7H16，均属于链状烷烃，故也为同系物，因此为同系物的为④⑤⑥。(3)同种元素组成的不同单质互为同素异形体，互为同素异形体的是①。(4)属于同一种物质的是②⑦。Ⅱ.(1)根据链状烷烃的通式 CnH2n＋2可知，含有 30 个 H 原子的链状烷烃为 C14H30。(2)设该烷烃的分子式为 CnH2n＋2，其相对分子质量为 14n＋2＝142，解得n＝10，该烷烃的分子式为C10H22。(3)烷烃 A 在同温同压下蒸气的密度是 H2的 36 倍，则该烷烃的相对分子质量为 72，设 A 的分子式为CnH2n＋2，其相对分子质量为 14n＋2＝72，解得n＝5，该烷烃的分子式为 C5H12。(4)CH4的电子式为 ，分子结构为正四面体形，碳氢键之间的键角为 109°28′。 考点四　烷烃的性质10.分子中含有 2～5 个碳原子的直链烷烃沸点和燃烧热的数据如下表：烷烃名称乙烷丙烷丁烷戊烷沸点/℃－88.6－42.1－0.536.0燃烧热/kJ·mol－11 560.72 219.22 877.63 535.6燃烧热：25 ℃、101 kPa 时，1 mol 纯物质完全燃烧，生成稳定的氧化物所放出的热量，单位为kJ·mol－1。根据表中数据，下列判断错误的是(　　)A.正庚烷在常温、常压下肯定不是气体B.随分子中碳原子数增加，烷烃的燃烧热逐渐增大C.随分子中碳原子数增加，烷烃沸点逐渐升高D.随分子中碳原子数增加，烷烃沸点和燃烧热都成比例增加答案　D解析　根据表格中数据可知，随分子中碳原子数增加，烷烃的沸点升高，燃烧热增加，由于正庚烷分子中碳原子数大于戊烷分子中的碳原子数，所以正庚烷在常温、常压下肯定不是气体，A 正确；根据表中数据可知，烷烃的沸点和燃烧热并不是成比例增加，B、C 正确，D 错误。11.C5H12有 3 种不同结构，甲：CH3(CH2)3CH3，乙：CH3CH(CH3)CH2CH3，丙：C(CH3)4，下列相关叙述正确的是(　　)A.甲、乙、丙属同系物，均可与氯气、溴蒸气发生取代反应B.C5H12表示一种纯净物C.甲、乙、丙中，丙的沸点最低D.丙有 4 种不同沸点的一氯取代物答案　C解析　甲、乙、丙的结构不同，分子式相同，互为同分异构体，A 错误；C5H12有 3 种同分异构体，所以不能表示纯净物，B 错误；同分异构体中，支链越多，沸点越低，丙分子中支链最多，所以沸点最低，C 正确；丙分子中 4 个甲基上的氢原子是等效的，所以只有 1 种一氯代物，D 错误。考点五　取代反应的理解及判断12.下列有关甲烷的取代反应的叙述正确的是(　　)A.甲烷与氯气以物质的量之比为 1∶4 混合时只生成 CCl4B.甲烷与氯气反应生成的产物中 CH3Cl 的量最多C.甲烷与氯气的取代反应生成的产物为混合物D.1 mol 甲烷生成 CH2Cl2最多消耗 1 mol 氯气答案　C解析　甲烷与氯气发生取代反应生成的有机物为 CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和 CCl4，故得不到纯净的CH3Cl，A 错误，C 正确；甲烷与氯气的反应中每取代 1 mol 氢原子，消耗 1 mol 氯气，生成 1 mol HCl，故产物中 HCl 的量最多，B 错误；1 mol 甲烷生成 CH2Cl2最多消耗 2 mol 氯气，D 错误。13.下列反应属于取代反应的是(　　)① Mg＋H2SO4===MgSO4＋H2↑② NaOH＋CH3COOH===CH3COONa＋H2O③ CH3CH3＋2Br2――→CH2BrCH2Br＋2HBr④ CH2Cl2＋Br2――→CHBrCl2＋HBrA.②③ B.①③ C.②④ D.③④答案　D解析　反应①为置换反应；反应②属于复分解反应；反应③中 CH3CH3的 2 个 H 原子分别被 2 个 Br 原子替代，该反应为取代反应，反应④中 CH2Cl2中的一个 H 原子被一个 Br 原子替代也为取代反应，故选D。14.常温下，把体积相同的甲烷和氯气充入一个无色的集气瓶中，光照一段时间后，发现气体的黄绿色变浅，集气瓶内壁上有油状液滴，此时集气瓶中最多含有气体物质的种数是(　　)A.5 种 B.6 种 C.4 种 D.3 种答案　C解析　产物是气体的有 CH3Cl、HCl，没有完全反应的 CH4和 Cl2也为气体，所以集气瓶中最多含有 4种气体，故选项 C 正确。考点六　烷烃燃烧及烃分子判定 15.某气态烷烃的体积是 20 mL，完全燃烧时，正好消耗同温、同压下的氧气 100 mL，该烷烃的化学式是(　　)A.C2H6 B.C3H8C.C4H10 D.C5H12答案　B解析　根据题意，气态烃和消耗氧气的物质的量之比为 1∶5，根据烃的燃烧通式：CxHy＋(x＋)O2――→xCO2＋H2O，知x＋＝5。C2H6中，x＋＝3.5，A 错误；C3H8中，x＋＝5，B 正确；C4H10中，x＋＝6.5，C 错误；C5H12中，x＋＝8，D 错误。16.两种气态烃以一定比例混合，在 105 ℃时 1 L 该混合烃与 9 L 氧气混合，充分燃烧后恢复到原状态，所得气体总体积仍是 10 L，下列混合烃中不符合此条件的是(　　)A.CH4、C2H4 B.CH4、C3H8C.C2H4、C3H4 D.C2H2、C3H6答案　B解析　题述反应前后气体的体积不变，烃类物质完全燃烧的通式为 CxHy＋(x＋)O2――→xCO2＋H2O，因为 105 ℃时，生成的 H2O 是气体，则 1＋(x＋)＝x＋，解得y＝4，即氢原子平均数为 4 的混合烃符合题意，而 CH4、C3H8无论按什么比例混合，均不能使氢原子平均数为 4；C2H2、C3H6只有在体积比1∶1 混合时 H 原子平均数才为 4，CH4、C2H4及 C2H4、C3H4以任意比混合时 H 原子平均数均为 4。17.(1)完全燃烧 0.1 mol 某烃，燃烧产物依次通过浓硫酸、浓碱溶液，实验结束后，称得浓硫酸质量增加 9 g，浓碱溶液质量增加 17.6 g。该烃的化学式为________，并写出其所有可能的结构简式：____________________________________________。(2)某链状烷烃的相对分子质量为 128，该烷烃的化学式为________。 (3)在 120 ℃和 101 kPa 的条件下，某气态烃和一定质量的氧气混合，点燃，完全反应后再恢复到原来的温度时，气体体积不变，则该烃分子内的氢原子个数________(填字母)。A.小于 4 B.大于 4C.等于 4 D.无法判断答案　(1)C4H10　CH3—CH2—CH2—CH3、 (2)C9H20　(3)C解析　(1)浓硫酸的作用是吸收 H2O，浓硫酸增加的质量为 H2O 的质量，根据氢元素守恒，烃中n(H)＝×2＝1 mol；浓碱溶液吸收的是 CO2，浓碱溶液增加的质量为 CO2的质量，根据碳元素守恒，烃中n(C)＝＝0.4 mol，因此 1 mol 该烃中含 C 的物质的量为 4 mol，含 H 的物质的量为 10 mol，即该烃的分子式为 C4H10，其同分异构体为正丁烷和异丁烷，相应的结构简式分别是 CH3—CH2—CH2—CH3、。(2)根据链状烷烃的通式 CnH2n＋2，相对分子质量为 128，即 14n＋2＝128，解得n＝9，故该烷烃的分子式为 C9H20。(3)烃燃烧的通式：CxHy＋(x＋)O2――→xCO2＋H2O，温度高于 100 ℃时，水以气态形式存在，反应前后气体体积不变，即 1＋x＋＝x＋，解得y＝4，即该烃分子内的氢原子个数为 4。18.某研究小组为了探究甲烷和氯气反应的情况，设计了几个实验。请填写下列空白：[实验一]用如图所示装置，收集一试管甲烷和氯气的混合气体，光照后观察到量筒内形成一段水柱，认为有氯化氢生成。(1)该反应的反应类型为_____________________________________________________。(2)该反应的化学方程式为(只写第一步)_________________________________________。(3)水槽中盛放的液体应为________(填字母)。A.水 B.饱和石灰水C.饱和食盐水 D.饱和 NaHCO3溶液(4)该实验的实验现象为_______________、______________、试管壁上出现油状液滴。(5)该油状液滴中含有的有机产物共有________种。[实验二]收集一试管甲烷和氯气的混合气体，光照反应后，滴加 AgNO3溶液，看到有白色沉淀生成，认为甲烷与氯气反应有氯化氢生成。 (6)你认为该实验设计得出的结论是否正确：_______________________________________；若不正确，理由是________________________________________________________。[实验三]步骤一：收集半试管氯气，加入 10 mL 蒸馏水，充分振荡，采用 DIS 系统的 pH 传感器测溶液的 pH(下同)，测得 pH＝3.26；步骤二：收集一试管甲烷和氯气的混合气体(各占 50%)，在 40 W 的日光灯下光照 6 min 后，加入10 mL 蒸馏水，充分振荡，测得 pH＝1.00。(7)判断该反应中有氯化氢生成的依据是_____________________________________。答案　(1)取代反应(2)CH4＋Cl2――→CH3Cl＋HCl(3)C(4)量筒内液面上升　黄绿色逐渐变浅(5)3(6)错误　氯气中滴加 AgNO3溶液也会产生白色沉淀(7)步骤二测得的 pH 比步骤一测得的 pH 低解析　(1)甲烷与氯气在光照条件下发生取代反应。(2)甲烷和氯气发生取代反应的第一步化学方程式为 CH4＋Cl2――→CH3Cl＋HCl。(3)因为氯气可溶于水，且能与水发生反应，因此水槽中不能盛放 H2O，A 错误；氯气与饱和石灰水发生反应，水槽中不能盛放饱和石灰水，B 错误；饱和食盐水可抑制氯气的溶解，且饱和食盐水能吸收甲烷与氯气反应生成的 HCl，使量筒中气体压强减小，量筒中的液面上升，C 正确；氯气与饱和 NaHCO3溶液发生反应，且有杂质气体 CO2产生，D 错误。(4)甲烷与氯气发生反应消耗氯气，故量筒内黄绿色变浅，因为生成物中 CH2Cl2、CHCl3、CCl4为液体，量筒内壁上出现油状液滴，且 HCl 溶于饱和食盐水，造成量筒中气体压强减小，即量筒中液面上升。(5)甲烷与氯气反应的有机产物为 CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4，其中 CH3Cl 为气态，另外 3 种为液态，因此油状液滴中含有的有机物为 CH2Cl2、CHCl3、CCl4，共 3 种。(6)氯气能与 AgNO3溶液中的水反应，产生 Cl－，与 Ag＋结合产生白色沉淀，因此该实验得出的结论错误。(7)根据实验，步骤二测得的 pH 小于步骤一测得的 pH，说明c(H＋)增大，即甲烷与氯气反应产生了HCl。