HPHJ-2013.01.25-g2l4-No.01-有机化学简介、饱和烃

1、菁英教育高中部化学教研组 2013年寒假高一化学奥赛班讲义第次(共10次)第一节 有机化学简介、饱和烃什么是有机化学有机物的发现和使用有机物的被动应用：人类从很早就开始使用有机物，无论衣食住行用，有机物一直伴随着人类社会的发展。从酿酒到造纸，从染料到药物，有机物一直以一种不能被明确描述状态，被人们使用着。而人体本身就是一个相当复杂的有机体系。同时，人们也在持续的生产生活中逐渐的认识到有机物与无机物的区别。十七世纪之前，有机物一直被人们视作动植物有机体生成的物质，甚至被视作某种动物或植物特有的性质，与矿物等无机物差距明显。在人们利用有机物的早期主要是从动植物中直接提取有机物。天然产物提取：176

2、91785：葡萄汁酒石酸 苹果苹果酸 柠檬汁柠檬酸 酸牛奶乳酸 尿尿素1802年：提纯植物碱类药物金鸡纳碱（治疗疟疾）1805年：鸦片吗啡1815年：动物脂肪胆固醇 有机物的人工合成是在近代化学的理论与实践经验有了一定的积累之后出现的，里程碑式的事件是在1828年德国人维勒对尿素的人工合成。人工合成：1828年，德国化学家维勒以氰酸铵得到了尿素，实现了无机物到有机物的转化，开启了有机合成时代。1845年，德国人柯尔伯用单质碳和单质硫经过五步反应合成了醋酸有机物与无机物比较有机物无机物种类多少很多（1000万种以上）比有机物少（10万多种）溶解性多数难溶于水，易溶于有机溶剂多数易溶于水，难溶于有

3、机溶剂耐热性不耐热，熔点较低，一般在400以下多数耐热，难熔化，熔点一般比较高可燃性多数可以燃烧多数不能燃烧电离性多数是非电解质多数是电解质化学键极性键或非极性键离子键或共价键晶体类型多数为分子晶体多为离子晶体化学反应一般比较复杂，副反应多，反应速率慢一般比较简单，副反应少，反应速率较快有机物与有机化学定义在未实现无机物到有机物转化的时代，有机物被认为是“有生机的物质”，只能通过生命活动产生。在维勒实现无机物到有机物的转化之后，有机物的性质得到了充分的研究。经过研究发现，绝大多数有机物中都含有碳、氢两种元素，并以此为基础分子骨架，因此人们定义有机物为：碳氢化合物及其衍生物相应的，有机化学这一化

4、学的分支学科被定义为：研究碳氢化合物及其衍生物的结构、性质、制备及应用的化学分支最简单的有机物甲烷【甲烷的结构】已知甲烷的分子式为CH4，写出甲烷的电子式；经实验测定它是非极性分子。甲烷的电子式：可能有两种结构平面正方形结构和正四面体结构，如图 平面正方形 空间四面体试用碳原子成键的特征分析甲烷的结构应是上述两种情况的哪一种？甲烷的结构模型： 球棍模型 比例模型【甲烷的性质】 物理性质：甲烷是无色、无臭的气体，密度是0.717g/L（标准状况），极难溶于水。 化学性质：通常情况下，甲烷稳定，如与强酸、强碱和强氧化剂等一般不发生化学反应。在特定条件下甲烷能与某些物质发生化学反应，如可以燃烧和发生

5、取代反应等。 1  甲烷的氧化反应 2甲烷的取代反应 3甲烷的受热分解 烃类、饱和烃分子中只有C、H两种元素的有机化合物叫做烃，从结构特征上可以把烃分为以下几类： 烃（CnHm）链烃（脂肪烃）饱和烃烷烃不饱和烃烯烃、二烯烃、多烯烃炔烃其它不饱和链烃环烃脂环烃（环烷、环烯、环炔等）芳香烃烷烃是分之中的碳除以碳碳单键相连外，碳的其他价键都为氢原子所饱和的烃叫做烷烃，也叫做饱和烃。烷烃的同系列及同分异构现象烷烃的同系列 最简单的烷烃是甲烷，依次为乙烷、丙烷 、丁烷、戊烷等，它们的分子式、构造式分别为： 分子式 结构式 结构简式 甲烷 CH4 CH4 乙烷 C2H6 CH3CH3 丙烷 C3

6、H8 CH3CH2CH3 丁烷 C4H10 CH3CH2CH2CH3 从上述结构式可以看出，链状烷烃的组成都是相差一个或几个CH2（亚甲基）而连成碳链，碳链的两端各连一个氢原子。所以烷烃的通式为CnH2n+2 。 这种结构和化学性质相似，组成上相差一个或多个CH2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。由于同系列中同系物的结构和性质相似，其物理性质也随着分之中碳原子数目的增加而呈规律性变化，所以掌握了同系列中几个典型的有代表性的成员的化学性质，就可推知同系列中其他成员的一般化学性质。在应用同系列概念时，除了注意同系物的共性外，还要注意它们的个性，要根据分子结构上的差异来理解性

7、质上的异同。【烷烃分子的其他表示方法】键线式： 伞形式： 烷烃的同分异构现象1同分异构现象甲、乙、丙烷只有一种结构，无同分异构现象，从丁烷开始有同分异构现象，同分异构体可以通过主链延长法和主链缩短法推导出来，下面通过主链延长法导出丁烷的所有同分异构体： 正丁烷 （沸点-0.5） 异丁烷 （沸点-10.2）由两种丁烷两各异构体通过主链延长法导出三种戊烷的同分异构体： 上述这种分子式相同而构造式不同的化合物称为同分异构体，这种现象称为构造异构现象。构造异构现象是有机化学中普遍存在的异构现象的一种，这种异构是由于碳链的构造不同而形成的，故又称为碳链异构，随着碳原子数目的增多，异构体的数目也增多。【练

8、习】写出含有9个碳原子的烷烃的所有同分异构体伯、仲、叔、季碳原子在烃分之中，按照碳原子与所边碳原子的不同，可分为四类：仅与一个碳相连的碳原子叫做伯碳原子（或一级碳原子，用1°表示）与两个碳相连的碳原子叫做仲碳原子（或二级碳原子，用2°表示）与三个碳相连的碳原子叫做叔碳原子（或三级碳原子，用3°表示）与四个碳相连的碳原子叫做季碳原子（或四级碳原子，用4°表示）例如： 与伯、仲、叔碳原子相连的氢原子，分别称为伯、仲、叔氢原子，不同类型的氢原子的反应性能有一定的差别。【练习】 试写出含有5个碳原子只有一种氢原子的烷烃 试写出含有8个碳原子只有一种氢原子的烷烃烷

9、烃的命名烷烃常用的命名法有普通命名法和系统命名法普通命名法根据分子中碳原子数的多少目称为“某烷”，碳原子数十个以内的依次用甲、乙、丙、丁、戊癸表示，十以上的用汉字数字表示碳原子数，用正、异、新表示同分异构体。例如： 正戊烷 异戊烷 新戊烷普通命名法简单方便，但只能适用于构造比较简单的烷烃。对于比较复杂的烷烃必须使用系统命名法。烷基烷基是烷烃分之中去掉一个氢原子而剩下的原子团称为烷基。 烷基 名称 通常符号 CH3- 甲基 Me CH3CH2- 乙基 Et CH3CH2CH2- 丙基 n-Pr CH3CH- 异丙基 i-Pr CH3 CH3CH2CH2CH2- 正丁基 n-Bu CH3CHCH2

10、- 异丁基 i-Bu CH3 CH3CH2CH- 仲丁基 s-Bu CH3 CH3 CH3 C 叔丁基 t-Bu CH3烷基的通式为CnH2n+1，通常用R表示，此外 还有“亚”某基，“次”某基，如亚甲基为CH2，次甲基为CH。系统命名法（IUPAC命名法）目前有机化合物最常用的命名法是国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）制定的有机化合物的系统命名方法，我国现用系统合名法是根据IUPAC规定的原则，再结合我国汉字的特点而制定的。烷烃系统命名法规则如下：（1）选择主链：选择含碳原子数目最多的碳链作为主链，支链作为取代基，分之中有两条以上等长碳链时，则选择支链多的一条为主链。例如：（2）碳原子的

11、编号：1) 从最接近取代基的一端开始，将主链碳原子用1、2、3编号2）从碳链任何一端开始，第一个支链的位置都相同时，则从较简单的一端开始编号。 例如： 1 2 3 4 5 6 7 编号正确 CH3-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH3 7 CH3 CH2-CH3 1 编号错误 3） 若第一个支链的位置相同，则依次比较第二、第三个支链的位置，以取代基的系列编号最小（最低系列原则）为原则。 1 2 3 4 5 6 7 8 编号正确 例如： CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH2-CH-CH3 8 CH3 CH3 CH3 1 编号错误 （3）烷烃的名称1） 将支链（取代基）写在主链名称的前

12、面 2） 取代基按“次序规则”，位置优先的基团优先放在最后写出。烷基的大小次序：甲基<乙基<丙基<丁基<戊基<己基<异戊基<异丁基<异丙基。3） 相同基团合并写出，位置用2，3标出, 取代基数目用二,三标出。4） 表示位置的数字间要用“，”隔开，位次和取代基名称之间要用“”隔开。例如： CH3CHCHCH2CHCH2CH3 CH3 CH3 CH2CH（CH3）2 2,3,7,-三甲基-5-乙基辛烷【练习】 1. 定出下列每个烷烃的结构式：（1）新戊烷 （2）异丁烷（3）异戊烷 （4）3，4，5-三甲基-4-丙基庚烷（5）6-（3-甲基丁基）十一烷

13、 （6）4-叔丁基庚烷（7）2-甲基十七烷2. 用IUPAC法命名下列化合物：3. 写出庚烷的各种异构体，并用IUPAC法命名。烷烃的结构碳原子的四面体构型构型是指具有一定构造的分子中原子在空间的排列状况，烷烃分之中碳原子为正四面体构型 。甲烷分之中，碳原子位于正四面体构的中心，四个氢原子在四面体的四个顶点上，四个C-H键长都为0.109nm，所有建角 H-C-H都是109.5º，甲烷的正四面体构型如下图所示。   碳原子的SP3杂化碳原子的基态电子排布是(1s2、2s2、2px1、2py1、2pz)，按未成键电子的数目，碳原子应是二价的，但在烷烃分子中碳原子确是

14、四价的，且四个价键是完全相同的。这是因为，在有机物分子中碳原子都是以杂化轨道参与成键的，在烷烃分子中碳原子是以SP3杂化轨道成键的。 四个SP3轨道对称的分布在碳原子的四周，对称轴之间的夹角为109.5º,这样可使价电子尽可能彼此离得最远,相互间的斥力最小,有利于成键。SP3轨道有方向性，图形为一头大，一头小，示意图如下：烷烃分子的形成烷烃分子形成时，碳原子的SP3轨道沿着对称轴的方向分别与碳的SP3轨道或氢的1S轨道相互重叠成键。甲烷的形成示意图如下所示： 象甲烷分子中C与H之间的化学键是键，象这种成键电子云沿键轴方向呈圆柱形对称重叠而形成的键叫做键。键有如下几个的特点：（1）电子

15、云沿键轴呈圆柱形对称分布。（2）可自由旋转而不影响电子云重叠的程度。（3）结合的较牢固。其中 C-H键, 键能 415.3KJ/mol；C-C键, 键能 345.6KJ/mol其它烷烃的构型1） 碳原子都是以SP3杂化轨道与其他原子形成键，碳原子都为正四面体结构。2） C-C键长均为0.154nm, C-H键长为0.109nm,键角都接近于109.5°。3） 碳链一般是曲折地排布在空间，在晶体时碳链排列整齐，呈锯齿状，在气、液态时呈多种曲折排列形式（因键能自由旋转所致）。例如正已烷的碳链在空间的分布为： 烷烃的物理性质状态 C1C4的烷烃为气态，C5C16的烷烃为液态，C17以上的烷

16、烃为固态。沸点1）着碳原子数的递增，沸点依次升高。2）原子数相同时，支链越多，沸点越低。沸点的高低与分子间引力-范德华引力（包括静电引力、诱导力和色散力）有关。烃的碳原子数目越多，分子间的力就越大。支链增多时，使分子间的距离增大，分子间的力减弱，因而沸点降低。熔点1）碳原子数目增加，熔点升高。2）分子的对称性越大，熔点越高。相对密度（比重）都小于1，随着分子量的增加而增加，最后接近于0.8（20）。溶解度不溶与水，溶于某些有机溶剂，尤其是烃类中。烷烃的化学性质烷烃的化学性质稳定（特别是正烷烃）。在一般条件下（常温、常压），与大多数试剂如强酸、强碱、强氧化剂、强还原剂及金属钠等都不起反应，或反应

17、速度极慢。这是因为在烷烃分子中，共价键都为键，键能大，分子中的共价键不易极化。但在一定条件下（如高温、高压、光照、催化剂），烷烃也能起一些化学反应。氧化燃烧：烷烃在空气中燃烧，生成二氧化碳和水，并放出大量的热能。如： 裂化反应在高温及没有氧气的条件下使烷烃分子中的C-C键和C-H键发生断裂的反应称为裂化反应。例如：卤代反应烷烃的氢原子被卤素取代生成卤代烃的反应称为卤代反应。通常是指氯代或溴代。1）甲烷的氯代反应在紫外光漫射或高温下，甲烷易与氯、溴发生反应。 甲烷的卤代反应较难停留在一取代阶段，氯甲烷还会继续发生氯化反应，生成二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳。 若控制一定的反应条件和原料的用量比，可

18、得其中一种氯代烷为主要的产物。比如 甲烷 ：氯气 = 10 ：1 （400450时），CH3Cl占98% 甲烷 ：氯气 = 1 ：4 （400时），主要为CCl42）其他烷烃的氯代反应反应条件与甲烷的氯代相同，但产物更为复杂，因氯可取代不同碳原子上的氢，得到各种一氯代或多氯代产物。例如： 3） 伯、仲、叔氢的相对反应活性丙烷分子中，有六个等价伯氢，两个等价仲氢，若氢的活性一样，则两种一氯代烃的产率，理论上为6 ：2 = 3 ：1，但实际上为 43 ：57 = 1 ：1.33，这说明在室温氯代时，各类氢的反应活性是不一样的。 4）与溴的反应溴代反应时（光照，127），三种氢的相对活性为：3

19、76;H ：2°H ：1°H = 1600 ：82 ：1 例如：由此可见，溴代反应的选择性好，在有机合成中比氯代更大的应用价值。烷烃的卤代反应历程甲烷的氯代历程实验证明，甲烷的氯代反应为自由基历程，其过程分为三个步骤，如下所示：从上可以看出，一旦有自由基生成，反应就能连续的进行下去，这样周而复始，反复不断的进行反应，故又称为链锁反应或链式反应。凡是自由基反应，都是经过链的引发、链的传递、链的终止三个阶段来完成的。卤素的反应活性卤素的反应活性： 氟 > 氯 > 溴 > 碘。烷烃卤代反应的相对活性卤素对甲烷的相对反应活性如下所示：四种不同卤素对甲烷 F2 Cl

20、2 Br2 I2的反应热H： -422.6 -104.9 -37.7 +54.4 kJ/mol反应活性： 氟 > 氯 > 溴 > 碘但化学反应要通过底物与试剂的有效碰撞才能发生，为了使反应发生而必须提供的最低限度的能量称为活化能（E活）。烷基自由基的稳定性烷烃对卤代反应的相对活性与烷基自由基的稳定性有关。氢的活性次序：叔氢 > 仲氢 > 伯氢自由基的稳定次序为： 3°>2°>1°> 甲基自由基，自由基的稳定性次序可以从超共轭效应的大小得到解释一般烷烃的卤代反应历程一般烷烃的卤代反应历程都是自由自由取代反应，一旦有自由

21、基生成，反应就能连续的进,都是由链的引发、链的传递、链的终止三个阶段来完成的。引发： X2 2X·增长： RH + X· R· + HX R· +X2 RX +X·链终止： X·+ X· X2 X· + R· RX R· + R· RR2. 10烷烃的来源烷烃的来源主要来自石油和天然气。【练习】单选题1下列数据是有机物的式量，可能互为同系物的一组是 （ ）A16、30、58、72B16、28、40、52C16、32、48、54 D16、30、42、56 C2H5 CH3 C2H52按系

22、统命名法：CH3 CHCH2CHCH的正确名称是 （ ） CH3A1，2，4三甲基1，4二乙基丁烷 B3，5，6三甲基辛烷C3甲基2，5二乙基己烷 D3，4，6三甲辛烷3某烷烃分子中所有原子的核外电子总数是分子中氢原子个数的三倍，该烃化学式是（ ）ACH4 BC2H6 CC3H8 DC4H104乙烷在光照条件下与氯气混合,最多可产生几种物质（ ）A6种 B7种 C9种 D10种52甲基丁烷和氯气发生取代反应，得到的一氯代物共有 （ ）A3种 B4种 C5种 D6种多选题（12选项正确）6若甲烷与氯气以物质的量之比1：3混合，在光照下得到的产物：CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4，其

23、中正确的是 （ ）A只有 B只有 C的混合物 D的混合物7有两种气态烷烃的混合物，在标准状况下其密度为1.16g/L,则关于此混合物组成的说法正确的是（ ）A一定有甲烷 B一定有乙烷 C可能是甲烷和戊烷的混合物 D可能是乙烷和丙烷的混合物8已知丙烷的二氯代物有四种同分异构体，则其六氯代物的同分异构体数目有（ ）A2种 B3种 C4种 D5种9只含C、H两种元素的有机物X、Y，若X中含C75%，Y中含C85.7%，则X、Y的分子式可能是（ ）ACH4、C2H4 BCH4、C2H6 CC2H4、C2H6 DCH4、C3H6101mol CH4与Cl2发生取代反应，待反应完成后测得4种取代物物质的量

24、相等，则消耗Cl2为（ ）A0.5mol B2mol C2.5mol D4mol11一定量的甲烷燃烧后得到的产物为CO、CO2和水蒸气，此混合气重49.6克，当将其缓慢经过无水CaCl2时，CaCl2增重25.2克。原混合气中CO2的质量为（ ）A12.5g B13.2g C19.7g D24.4g12在常温常压下，取下列四种气态烃各1g，分别在足量氧气中燃烧，消耗氧气最多的是（ ）ACH4 BC2H6 CC3H6 DC4H1013下列各烃中，所有氢原子的性质不完全相同的是（ ）A乙烷 B丙烷 C正戊烷 D新戊烷14在烷烃的同系物中没有同分异构体的有 （ ）A1种 B2种 C3种 D4种15一

25、氯代物有两种同分异构体，二氯代物有四种同分异构体的烷烃是 （ ）A丙烷 B甲烷 C丁烷 D新戊烷16以M原子为中心形成的MX2Y2分子中，X、Y分别只以单键与M结合，下列说法正确的是（ ）A若MX2Y2分子为平面四边形，就有两种同分异构体B若MX2Y2分子为平面四边形，则无同分异构体C若MX2Y2分子为四面体，就有两种同分异构体D若MX2Y2分子为四面体，则无同分异构体17丙烷高温分解生成CH4和C2H4两种气体，现取丙烷分解后的气体1L，充分燃烧后生成CO22.25L，则丙烷的分解率为（ ）A20% B33.3% C50% D75%181L丙烷与xLO2混合点燃，丙烷完全反应后，生成混合气体体积为aL（气体体积均在120、1.01×105Pa时测定）。将aL混合气体通过足量碱石灰后，测得剩余气体体积为bL。若ab=6，由x的值为（ ）A4 B4.5 C5.5 D619进行一氯取代后，只生成三种沸点不同的产物的烷烃是（ ）A（CH3）2CHCH2CH2CH3 B（CH3CH2）2CHCH3C（CH3）2CHCH（CH3）2 D（CH3）3CCH2CH