1.1.2有机化合物中的共价键和同分异构现象-高二化学教学讲与练（人教版2019选择性必修3）

第一章有机化合物的结构特点与研究方法第一节有机化合物的结构特点第2课时有机化合物中的共价键和同分异构现象课程标准核心素养目标1.了解有机化合物中共价键的类型，理解键的极性与有机反应的关系。2.理解有机化合物的同分异构现象，学会同分异构体的书写方法，能判断有机物的同分异构体。1．证据推理与模型认知：通过分析有机化合物中共价键的类型，掌握书写有机化合物同分异构体的方法，培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。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反应类型：σ键和π键。(1)σ键①形成：在甲烷分子中，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稳定性：键能相对较大，不易断开。④断键与反应类型的关系：主要发生取代反应。(2)π键①形成：在乙烯分子中，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稳定性：π键的轨道重叠程度比σ键的小，所以不如σ键牢固，比较容易断裂而发生化学反应。④断键与反应类型的关系：主要发生加成反应。(3)σ、π键个数的计算一般情况下，有机化合物中的单键是σ键，双键中含有一个σ键和一个π键，三键中含有一个σ键和两个π键。2．键的极性与有机反应(1)共价键的极性与反应的活泼性①共价键的极性强弱②共价键的极性越强，在化学反应中越容易断裂。(2)分子中基团之间的相互影响从共价键的极性角度解释乙醇与钠、水与钠反应的差异：乙醇、水分别与钠反应时，断裂的都是分子中的O－H，但由于乙醇分子中的O－H的极性比水分子的极性弱，因此相同条件下，乙醇与钠反应没有与水反应剧烈。乙醇与HBr反应：CH3—CH2—OH＋H—Breq\o(→,\s\up8(△))CH3CH2—Br＋H2O，反应中乙醇分子中断裂的键是C—O，原因是C—O键极性较强。二、有机化合物的同分异构现象1．同分异构现象和同分异构体2．同分异构体的类型3．构造异构现象举例异构类别实例碳架异构C4H10：CH3—CH2—CH2—CH3正丁烷异丁烷位置异构C4H8：eq\o(C,\s\up6(1))H2=eq\o(C,\s\up6(2))H—eq\o(C,\s\up6(3))H2—eq\o(C,\s\up6(4))H31丁烯eq\o(C,\s\up6(1))H3—eq\o(C,\s\up6(2))H=eq\o(C,\s\up6(3))H—eq\o(C,\s\up6(4))H32丁烯C6H4Cl2：邻二氯苯间二氯苯对二氯苯官能团异构C2H6O：乙醇二甲醚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。【归纳总结】1.有机化合物键线式书写时的注意事项(1)一般表示含有3个及3个以上碳原子的有机化合物。(2)只忽略C—H，其余的化学键不能忽略。(3)碳、氢原子不标注，其余原子必须标注(含羟基、醛基和羧基中的氢原子)。(4)由键线式写分子式时不能忘记两端的碳原子。2．有机化合物组成和结构的几种表达式转换关系探究一同分异构体的书写烷烃只存在碳链异构，书写烷烃同分异构体时一般采用“减碳法”，可概括为“两注意、三原则、四顺序”。实例：下面以己烷(C6H14)为例说明(为了简便易看，在所写结构式中省去了H原子)。(1)将分子中全部碳原子连成直链作为母链。C—C—C—C—C—C(2)从母链的一端取下1个C原子，依次连接在母链中心对称线一侧的各个C原子上，即得到多个带有甲基、主链比母链少1个C原子的异构体骨架。(3)从母链上一端取下两个C原子，使这两个C原子相连(整连)或分开(散连)，依次连接在母链所剩下的各个C原子上，得多个带1个乙基或两个甲基、主链比母链少两个C原子的异构体骨架。故己烷(C6H14)共有5种同分异构体。同分异构体数目的判断方法1．等效氢法单官能团有机物分子可以看作烃分子中一个氢原子被其他的原子或官能团取代的产物，确定其同分异构体数目时，实质上是看处于不同位置的氢原子的数目，可用“等效氢法”判断。判断“等效氢”的三原则是：(1)同一碳原子上的氢原子是等效的，如CH4中的4个氢原子等效。(2)同一碳原子上所连的甲基上的氢原子是等效的，如C(CH3)4中的4个甲基上的12个氢原子等效。(3)处于对称位置上的氢原子是等效的，如CH3CH3中的6个氢原子等效，乙烯分子中的4个氢原子等效，苯分子中的6个氢原子等效，CH3C(CH3)2C(CH3)2CH3上的18个氢原子等效。2．烃基取代法(1)记住常见烃基的结构：丙基有2种结构，丁基有4种结构，戊基有8种结构。(2)将有机物分子拆分为烃基和官能团两部分，根据烃基同分异构体的数目，确定目标分子的数目，如C4H10O属于醇的可改写为C4H9—OH，共有4种结构，C5H10O属于醛的可改写为C4H9—CHO，共有4种结构。3．定一移一法对于二元取代物的同分异构体的判断，可先固定一个取代基的位置，再移动另一个取代基，以确定同分异构体的数目，如CH3CH2CH3的二氯代物数目：第1步固定1个Cl原子有2种：①，②。第2步固定第2个氯原子：①有3种，②有2种，其中①b和②d重复，故CH3CH2CH3的二氯代物有4种。4．换元法若烃中含有a个氢原子，则其n元取代物和(a－n)元取代物的同分异构体数目相同。如：二氯苯C6H4Cl2有3种同分异构体：、、，用H代替Cl，用Cl代替H，则四氯苯也有3种同分异构体。【例1】(2023·河北衡水二中高二调研)有机物的同分异构体中属于酯类化合物且含有苯环的同分异构体共有()A．3种 B．4种C．5种 D．6种【答案】D【解析】的同分异构体中属于酯类化合物且含苯环的结构有：、、、、、。1.(2023·黑龙江哈尔滨三中高二质检)烷烃分子可看作由—CH3、—CH2—、和等基团组成。(1)如果某烷烃分子中同时存在这4种基团，所含碳原子数又最少，则该烃分子应含________个碳原子，其结构简式可能为________、________或________。(2)上述有机化合物与氯气在光照条件下发生取代反应，这些同分异构体中，一氯代物有4种同分异构体的是________(填结构简式)。【答案】(1)8、、【解析】(1)—CH2—只能连接2个碳原子，不能连接氢原子；只能连接4个碳原子，不能连接氢原子；只能连接3个碳原子，不能连接氢原子。所以有、、，共3种结构。(2)中含有4种不同类型的氢原子，故发生取代反应生成的一氯代物有4种，而另外2种同分异构体形成的一氯代物均有5种同分异构体。1．（2023下·河北邯郸·高二月考）下列说法错误的是A．有机化合物都含有极性键和非极性键B．有机化合物一定含有σ键，不一定含有π键C．1个碳原子可以与其他原子形成4个共价键D．乙烯和乙炔都含有π键，都能发生加成反应【答案】A【解析】A．甲烷、甲醇、甲醛、甲酸均只含有极性键，不含有非极性键，A选项错误；B．有机化合物原子间一定含有σ键，但不一定含有π键，B选项正确；C．1个碳原子最多有4个单电子，可以与其他原子形成4个共价键，C选项正确；D．乙烯中含有C=C，乙炔中含有C≡C，其中都含有π键，且都能发生加成反应，D选项正确；故选A。2．（2023下·辽宁葫芦岛·高二校考期中）下列说法不正确的是A．碳原子核外最外电子层有4个电子B．1个碳原子可以与其他非金属原子形成4个共价键C．两个碳原子之间能形成单键、双键或三键D．所有有机化合物都含有σ键和π键【答案】D【解析】A．碳原子核外有6个电子，有2个电子层，最外电子层有4个电子，故A正确；B．1个碳原子可以与其他非金属原子形成4个共价键，如C与H形成4个CH键，故B正确；C．每个碳原子能形成4个共价键，两个碳原子之间能形成单键、双键或三键，如乙烷分子中含有碳碳单键、乙烯分子中含有碳碳双键、乙炔分子中含有碳碳叁键，故C正确；D．单键为σ键，双键中有1个σ键和1个π键，烷烃中不含π键，故D错误；故选D。3．（2023·河北唐山·高一月考）下列说法正确的是A．σ键强度小，容易断裂，而π键强度较大，不易断裂B．共价键都具有方向性C．π键是由两个原子的p轨道“头碰头”重叠形成的D．两个原子之间形成共价键时，最多有一个σ键【答案】D【解析】A．一般σ键比π键更稳定，不易断裂，A项错误；B．ssσ键无方向性，B项错误；C．原子轨道以“头碰头”方式相互重叠形成的共价键为σ键，π键是由两个原子的p轨道“肩并肩”重叠形成的，C项错误；D．两个原子之间形成共价键时，单键为σ键，双键和三键中都只有一个σ键，所以两个原子之间形成共价键时，最多有一个σ键，D项正确。故选D。4．（2023下·浙江宁波·高一期中）下列说法正确的是A．在有机化合物中，碳原子间只能形成单键B．碳原子最外层有4个电子，可以形成4个共价键C．在有机化合物中，碳原子间所成的骨架只能为直链状D．互为同分异构体的有机物一定不属于同一类有机物【答案】B【解析】A．有机化合物分子中的碳原子可形成碳碳单键，也可形成碳碳双键或叁键，选项A错误；B．C原子最外层含有4个电子，可以与其它原子形成4对共用电子对，选项B正确；C．在有机化合物中，碳原子间所成的骨架可以是碳链，也可以是碳环，选项C错误；D．互为同分异构体的物质分子式相同、结构不同，如果为碳架异构或官能团位置异构，则为同一类有机物，选项D错误。故选B。5．（2023上·云南昆明·高二校联考期中）下列选项属于官能团种类异构的是A．CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2 B．CH2=C(CH3)2和CH3CH=CHCH3C．CH3CH2OH和CH3OCH2CH3 D．CH3CH2CH2COOH和CH3COOCH2CH3【答案】D【解析】A．属于碳链异构，A错误；B．属于碳链异构和官能团位置异构，B错误；C．不是同分异构体，C错误；D．属于官能团种类异构，D正确；故选D。6．（2023上·江苏淮安·高二校联考期中）下列分子式表示的物质一定是纯净物的是A．C4H10 B．C3H6 C．C2H6 D．C2H4Cl2【答案】C【解析】A．分子式为C4H10的烷烃可能为正丁烷或异丁烷，则分子式为C4H10的烷烃表示的物质不一定是纯净物，故A错误；B．分子式为C3H6的烃可能为环丙烷或丙烯，则分子式为C3H6的烃表示的物质不一定是纯净物，故B错误；C．分子式为C2H6的烷烃为乙烷，不存在同分异构体，则分子式为C2H6的烷烃表示的物质一定是纯净物，故C正确；D．分子式为C2H4Cl2的氯代烃可能为1，1—二氯乙烷或1，2—二氯乙烷，则分子式为C2H4Cl2的氯代烃表示的物质不一定是纯净物，故D错误；故选C。7．（2023下·北京昌平·高二统考期末）下列各组物质中，不属于同分异构体的是A．与B．CH3CH2CHO与C．H3CC≡CCH3与CH≡CCH2CH3D．CH3CH2CH2CH2CH3与【答案】D【分析】分子式相同，结构不同的化合物互称为同分异构体。【解析】A．与分子式相同，由于空间结构不同，互为顺反异构，互为同分异构体，故A不选；B．CH3CH2CHO与分子式均为C3H6O，两者分子式相同，结构不同，互为同分异构体，故B不选；C．CH3CCCH3与CHCCH2CH3分子式均为C4H6，两者分子式相同，结构不同，互为同分异构体，故C不选；D．CH3CH2CH2CH2CH3分子式为C5H12，的分子式为C4H10，两者分子式不同，不能互称为同分异构体，故D选；故选D。8．（2023下·广东清远·高二校考期中）下列关于同分异构体异构方式的说法中，不正确的是A．CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2属于碳链异构B．H3CC≡CCH3和CH2=CHCH=CH2属于官能团异构C．CH2=C(CH3)2和CH3CH=CHCH3属于官能团异构D．和属于位置异构【答案】C【解析】A．CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2，二者的碳骨架不同，前者没有支链，后者有支链，属于碳链异构，故A正确；B．H3CC≡CCH3的官能团为碳碳三键，CH2=CHCH=CH2的官能团为碳碳双键，二者的官能团不同，分子式相同，属于官能团异构，故B正确；C．CH2=C(CH3)2和CH3CH=CHCH3，二者官能团相同，不属于官能团异构，前者有支链，后者没有支链，属于碳链异构，故C错误；D．和，前者羟基在甲基的邻位，后者羟基在甲基的对位，属于位置异构，故D正确；故选C。9．（2023上·北京丰台·高二北京市第十二中学校考期末）下列化学式只表示一种纯净物的是A．C3H6 B．C4H6 C．CH2Br2 D．C2H4Br2【答案】C【解析】A．C3H6存在同分异构体，可能为丙烯和环丙烷的混合物，A与题意不符；B．C4H6存在同分异构体，可能为1丁烯、2丁烯和环丁烷等的混合物，B与题意不符；C．CH2Br2不存在同分异构体，为纯净物，C符合题意；D．C2H4Br2存在同分异构体，可能为1，1二溴乙烷和1，2二溴乙烷的混合物，D与题意不符；故选C。10．（2023上·湖南株洲·高二期中）下列各组物质中,互为同分异构体的是（）A．O2和O3 B．CH3CH3和CH2=CH2C．和 D．CH3CH2CH2CH2CH3和【答案】D【解析】A.氧气和臭氧是氧元素形成的不同种单质，互为同素异形体，故A错误；B.乙烷和乙烯都属于烃，但分子式不同，不可能互为同分异构体，故B错误；C.苯属于烃，溴苯属于烃的衍生物，分子式不同，不可能互为同分异构体，故C错误；D.正戊烷和异戊烷的分子式相同，结构不同，互为同分异构体，故D正确；故选D。11．（2023上·江苏淮安·高二月考）下列各组物质不属于同分异构体的是（

）A．CH3CH2OH和CH3CHO B．和C．和 D．和【答案】A【解析】A．CH3CH2OH和CH3CHO的分子式不同，不是同分异构体，A符合题意；B．和分子式相同，结构不同，二者互为同分异构体，B不符合题意；C．和分子式相同，结构不同，二者互为同分异构体，C不符合题意；D．和分子式相同，结构不同，二者互为同分异构体，D不符合题意；故选A。12．（2023下·福建泉州·高二校考期中）分子式为C3H7Cl同分异构体共有A．2种 B．3种 C．4种 D．5种【答案】A【解析】丙烷分子中含有2类氢原子，则分子式为C3H7Cl的卤代烃的所有同分异构体的结构简式为CH3CH2CH2Cl和CH3CHClCH3，共两种；故选A。13．（2024下·辽宁大连·高一调研）下列关于同分异构体的叙述中正确的是A．新戊烷()的一氯代物有三种B．丙烷中七个氢原子被溴原子取代的产物有两种C．丁烷的二氯代物有7种D．C4H9Cl有5种结构【答案】B【解析】A．新戊烷()的等效氢原子有一种，一氯代物有一种，A错误；B．CH3CH2CH3的七个氢原子被取代与一个氢原子被取代的产物种类相等，为两种，B正确；C．丁烷有两种碳链结构，C—C—C—C和，C—C—C—C的二氯代物有6种，的二氯代物有3种，共9种，C错误；D．C4H9—有4种(C—C—C—C—，)，故C4H9Cl有4种结构，D错误；故选B。14．（2024下·山东青岛·高一调研）教材中描述“己烷有5种同分异构体”。(1)写出其结构简式。(2)在上述结构中，有2个甲基(—CH3)的结构有种，有3个甲基的结构有种，有4个甲基的结构有种。【答案】(1)主链为6个碳原子时：CH3CH2CH2CH2CH2CH3；主链为5个碳原子时：(CH3)2CHCH2CH2CH3、CH3CH2CH(CH3)CH2CH3；主链为4个碳原子时：(CH3)2CHCH(CH3)2、(CH3)3CCH2CH3；共5种。(2)122【解析】（1）己烷的5种同分异构体为：主链为6个碳原子时：CH3CH2CH2CH2CH2CH3；主链为5个碳原子时：(CH3)2CHCH2CH2CH3、CH3CH2CH(CH3)CH2CH3；主链为4个碳原子时：(CH3)2CHCH(CH3)2、(CH3)3CCH2CH3；共5种。（2）由己烷5种同分异构体的结构简式可知，有2个甲基(—CH3)的结构有1种，有3个甲基的结构有2种，有4个甲基的结构有2种。15．（2023·湖北武汉·高二调研）下列烷烃发生一氯取代后，分别能得到几种异构体(不考虑立体异构)？(1)。(2)。(3)。(4)。【答案】(1)2(2)3(3)3(4)1【解析】（1）同一个碳上有两个甲基，且由结构可知，该物质为对称结构，则该结构中一共有2种等效氢，则其一氯取代物有2种；（2）左边碳上有个甲基，该结构左右不对称，一共有3种等效氢，则该结构中一共有3种等效氢