23芳香烃-2022-2023学年高二化学素养目标讲义（人教版2019选择性必修3）

第二章第三节芳香烃榆次一中李金虎【学习目标】从化学键的特殊性了解苯的结构特点，进而理解苯性质的特殊性。掌握苯的同系物的性质，了解有机反应类型和分子结构特点的关系。【素养目标】通过认识苯及其同系物的组成和结构，来进一步研究它们的性质，培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。了解苯的同系物分子中苯环与烷基的相互影响及引起的化学性质变化，培养学生“变化观念与科学探究”的学科素养。必备知识与关键能力知识点一：苯的结构与性质1．苯的结构苯的分子为平面正六边形结构，其中的6个碳原子均采用sp2杂化，分别与氢原子及相邻碳原子以σ键结合，键角夹角均为120°，连接成六元环。每个碳碳键的键长完全相等，且介于碳碳单键和碳碳双键之间，与碳碳单键、碳碳双键均不同。每个碳原子余下的p轨道垂直于碳、氢原子构成的平面，相互平行重叠形成大π键，均匀地对称分布在苯环平面的上下两侧。苯分子的结构模型苯分子中的σ键和大π键示意图2．苯的物理性质苯是无色、有特殊气味的液体，有毒，密度比水的小，不溶于水，沸点是80.1℃，熔点是5.5℃。如果用冰冷却，苯可以凝结成无色晶体。3．苯的化学性质苯的结构比较稳定，但在一定条件下，如在催化剂作用下，苯可以发生取代和加成反应。(1)取代反应①卤代反应：+Br2+HBr溴苯是无色液体，不溶于水，密度比水的大。实验室制溴苯反应原理+Br2+HBr实验试剂苯、液溴、铁屑实验装置实验步骤①检查装置气密性；②将一定量的苯和少量液溴加入烧瓶中，加入少量铁屑；③反应完毕后，将烧瓶中的液体倒入盛有冷水的烧杯中；④将锥形瓶中的液体进行分液，下层的褐色油状液体为粗溴苯(因混有少量的溴而呈褐色)。要得到无色的纯溴苯，可用NaOH溶液清洗，再进行分液，即可得纯溴苯实验现象①常温时，很快观察到在导管口附近出现白雾(溴化氢遇水蒸气形成)；②反应完毕后，向锥形瓶内的液体中滴入AgNO3溶液，有淡黄色(溴化银)沉淀生成；③把烧瓶中的液体倒入盛有冷水的烧杯中，烧杯底部有褐色不溶于水的液体出现实验说明①试剂加入的顺序：苯→液溴→铁屑。液溴的密度比苯的大，先加苯再加液溴是为了使苯与液溴混合均匀，待加入铁屑后，立即发生剧烈反应，因此，试剂加入的顺序不能颠倒；②铁屑作催化剂，但真正起催化作用的是FeBr3，故也可加入FeBr3；③锥形瓶中的导管不能伸入水中，因为产物HBr极易溶于水，容易发生倒吸；④用NaOH溶液清洗粗溴苯的目的是除去溴苯中混有的少量溴，发生的反应为Br2+2NaOH=NaBr+NaBrO+H2O；⑤与烧瓶连接的导管有导气和冷凝回流的作用。因为苯与溴的反应放热，放出的热使一部分苯和溴变成蒸气，这些蒸气经垂直部分的导管冷凝又回流到烧瓶中，既减少了反应物的损失，又可避免生成物中混有过多的杂质②硝化反应：+HO—NO2+H2O硝基苯是无色、有苦杏仁味的油状液体，密度比水的大，不溶于水，有毒。实验室制硝基苯反应原理+实验试剂苯、浓硝酸、浓硫酸实验装置实验步骤①配制混合酸：先将1.5mL浓硝酸注入烧瓶中，再慢慢注入2mL浓硫酸，并及时摇匀并冷却；②向冷却后的混合酸中逐滴加入1mL苯，充分振荡使混合均匀；③将烧瓶放在50~60℃的水浴中加热实验现象将反应后的液体倒入一个盛有水的烧杯中，可以观察到烧杯底部有黄色油状物质实验说明①采用水浴加热的优点是反应物受热均匀，温度易于控制；②烧瓶导管起导气和冷凝的作用，防止苯挥发到大气中造成污染(2)加成反应+3H2(环己烷)+3Cl2六氯环己烷的分子式为C6H6Cl6，俗称六六六。(3)氧化反应①苯在空气或氧气中燃烧产生明亮的、带有浓烟的火焰。2+15O212CO2+6H2O②苯不能使KMnO4酸性溶液褪色，也不能使溴水褪色，但苯能将溴从溴水中萃取出来。典例1．下列关于苯的叙述正确的是()A．苯的分子式是C6H6，它不能使酸性KMnO4溶液褪色，所以苯属于饱和烃B．从苯的凯库勒式()看，分子中含有碳碳双键，所以苯属于烯烃C．在催化剂作用下，苯与液溴发生反应生成溴苯，该反应属于加成反应D．苯分子为平面正六边形结构，6个碳原子之间的键完全相同【答案】D【解析】苯不是饱和烃，A不正确；苯分子中不存在碳碳双键，C不正确；在催化剂作用下，苯与液溴反应生成溴苯，发生了取代反应，C不正确，所以正确的答案选D。典例2．下列关于苯的叙述正确的是()A．反应①为取代反应，有机产物与水混合浮在上层B．反应②为氧化反应，反应现象是火焰明亮并带有浓烟C．反应③为取代反应，有机产物是一种烃D．反应④中1mol苯最多与3molH2发生加成反应，是因为一个苯分子含有三个碳碳双键【答案】B【解析】反应①为苯的溴代，生成的溴苯密度比水大，沉降在水底，A错误；反应③为苯的硝化，发生取代反应，生成的硝基苯为烃的衍生物，C错误；苯分子中无碳碳双键，D错误。典例3．下列叙述正确的是()A．苯分子是环状结构，其性质跟环烷烃相似B．表示苯的分子结构，其中含有碳碳双键，因此苯的性质跟烯烃相同C．苯的分子式为C6H6，分子中的碳原子没有达到饱和，因此能使溴水褪色D．苯不能使KMnO4酸性溶液褪色，而苯的同系物却能使KMnO4酸性溶液褪色【答案】D【解析】苯分子中含有一种特殊的化学键，键长介于C—C和C=C之间，不存在单纯的单、双键，所以不具有烯烃的性质，也不具有环烷烃的性质；苯不能与溴水发生加成反应，也不能使酸性KMnO4溶液褪色；由于苯的同系物中。苯环对侧链的影响使侧链饱和烃基活泼，能使酸性KMnO4溶液褪色。知识点二：苯的同系物满足通式CnH2n6(n≥7，n为正整数)的含有一个苯环的所有的烃，都属于苯的同系物，如甲苯、乙苯、二甲苯等，苯的同系物属于芳香烃。苯乙烯、苯乙炔等不满足通式CnH2n6，它们均不属于苯的同系物。1．苯的同系物的物理性质甲苯(C7H8)、乙苯(C8H10)等简单的苯的同系物，在通常状况下都是无色液体，随着分子中碳原子数的增加，熔、沸点逐渐升高，有特殊的气味，密度比水的小，不溶于水，但都易溶于有机溶剂，同时它们本身也是常用的有机溶剂。2．苯的同系物的化学性质苯与其同系物的化学性质有相似之处，但由于苯环与侧链的相互影响，二者的化学性质也表现出许多不同之处。(1)苯的同系物与苯在化学性质上的相似之处①都能燃烧，燃烧时发出明亮的、带浓烟的火焰，其燃烧通式为CnH2n6+QUOTEO2nCO2+(n−3)H2O。②都能与卤素单质(X2)、浓硝酸、浓硫酸等发生取代反应。③都能与氢气等发生加成反应。(2)苯的同系物与苯在化学性质上的不同之处①由于侧链对苯环的影响，使苯的同系物的苯环上氢原子的活性增强，发生的取代反应有所不同。如：+HNO3+H2O+3HNO3+3H2O为2，4，6三硝基甲苯，是一种淡黄色、不溶于水的晶体，俗称TNT，是一种烈性炸药，通常情况下较稳定，若遇引爆剂，易爆炸。广泛用于国防、开矿、筑路、兴修水利等。②由于苯环对侧链的影响，使苯的同系物的侧链易被氧化。在苯的同系物中，如果侧链烃基中与苯环直接相连的碳原子上有氢原子，它就能被KMnO4酸性溶液氧化，侧链烃基通常被氧化为羧基(—COOH)。典例4．下列物质属于芳香烃，但不是苯的同系物的是()①②③④⑤⑥A．③④ B．②⑤C．①②⑤⑥ D．②③④⑤⑥【答案】B【解析】本题考查对概念的理解和辨析。题给有机物结构中都含有苯环，除含碳、氢元素，不再含有其他元素，故一定属于芳香烃。根据苯的同系物的通式和概念进行判断，①和⑥属于苯的同系物，②和⑤虽属于芳香烃，但不属于苯的同系物，故B项正确。典例5．在苯的同系物中加入少量酸性高锰酸钾溶液，振荡后褪色，正确的解释是()A．苯的同系物分子中碳原子数比苯多B．苯环受侧链影响，易被氧化C．侧链受苯环影响，易被氧化D．由于侧链与苯环的相互影响，使侧链和苯环均易被氧化【答案】C【解析】苯的同系物中苯环和侧链相互影响，苯环对侧链的影响是使侧链活泼，能够被酸性高锰酸钾溶液氧化；侧链对苯环的影响使苯环上取代基邻、对位的氢原子活泼性增强，易于发生取代反应。典例6．某苯的同系物分子式为C8H10，若苯环上的氢原子被氯原子取代，生成的一氯代物有3种同分异构体，则该苯的同系物可能有()A．4种 B．3种 C．2种 D．1种【答案】C【解析】分子式为C8H10的苯的同系物有4种同分异构体：、、、，若想知道苯环上的氢原子被氯原子取代得到的一氯代物的种类，只要分析出原来的同分异构体中苯环上不同化学环境的氢原子的种数即可。根据对称性分析如下:、、、，用氯原子取代上述四种结构中苯环上的氢原子，分别有3种、2种、3种、1种结构。故生成的一氯代物有3种同分异构体的该苯的同系物可能是或,有2种。知识点三：芳香烃的来源及其应用1．芳香族化合物的分类芳香族化合物是指含有苯环的化合物，其类别如下：含有苯环的有机物均属于芳香族化合物，包括芳香烃和芳香烃的衍生物，如硝基苯()、溴苯()、苯磺酸()、苯甲酸()、苯甲醛()、苯酚()等。2．芳香烃的来源芳香烃最初是从煤经过干馏得到的煤焦油中提取的，现代工业中是通过石油化学工业中的催化重整等工艺得到的。稠环芳香烃是由两个或两个以上的苯环共用相邻的2个碳原子而形成的芳香烃。如萘()和蒽()。3．芳香烃的应用苯、甲苯、二甲苯和乙苯等简单的芳香烃是基本的有机原料，可用于合成炸药、染料、药品、农药、合成材料等。典例7．联苯的结构简式为，下列有关说法正确的是()A．联苯分子中含有6个碳碳双键B．联苯的一氯代物有5种C．联苯可发生取代反应，但不能被酸性高锰酸钾溶液氧化D．联苯和蒽()互为同系物【答案】C【解析】苯分子不是单双键交替的结构，所以联苯分子中不含有碳碳双键，A错误；联苯中不同化学环境的氢原子有3种，则一氯代物有3种，B错误；联苯由两个苯环相连而成，与苯的性质相似，可发生取代反应，但不能被酸性高锰酸钾溶液氧化，C正确；联苯和蒽()的结构不相似，组成上也不是相差若干个CH2，二者不互为同系物，D错误。【归纳总结】各类烃与溴、高锰酸钾酸性溶液反应的比较类别溴水溴的四氯化碳溶液纯的液溴高锰酸钾酸性溶液烷烃不反应。液态烷烃能萃取溴水中的溴而发生分层，上层颜色深不反应。能与液态烷烃相互溶解且不出现分层现象不反应。能与液态烷烃相互溶解且不出现分层现象不反应。液态烷烃与溶剂水互不相溶，分层，上层为无色烯烃加成反应。溴水褪色且分层加成反应。溴的四氯化碳溶液褪色但不分层加成反应。液溴褪色，但不分层氧化反应。高锰酸钾酸性溶液褪色炔烃加成反应。溴水褪色且分层加成反应。溴的四氯化碳溶液褪色但不分层加成反应。液溴褪色，但不分层氧化反应。高锰酸钾酸性溶液褪色苯不反应。苯能萃取溴水中的溴而发生分层，上层颜色深不反应。能与苯相互溶解且不出现分层现象取代反应。常温下需要铁(溴化铁)作催化剂不反应。苯与溶剂水互不相溶，分层，上层为无色苯的同系物不反应。甲苯能萃取溴水中的溴而发生分层，上层颜色深不反应。能与甲苯相互溶解且不出现分层现象取代反应。常温下需要铁(溴化铁)作催化剂氧化反应。高锰酸钾酸性溶液褪色核心价值与学科素养【知识结构化】典例8．二异丙烯基苯是工业上常用的交联剂，可用于制备高性能超分子聚合物，其结构如下图所示。下列有关二异丙烯基苯的说法错误的是()A．在催化剂存在下可发生加聚反应B．与溴水混合后加入FeBr3可发生取代反应C．1mol该物质最多可以与5molH2反应D．其一氯代物有5种【答案】B【解析】二异丙烯基苯分子中含有碳碳双键，在催化剂存在下可发生加聚反应，A正确；苯与溴水不能发生取代反应，可与液溴在FeBr3的催化下可发生取代反应，二异丙烯基苯与溴水只能发生加成反应，B错误；碳碳双键、苯环都能与H2发生加成反应，所以1mol该物质最多可以与5molH2反应，C正确；二异丙烯基苯分子中有5种不同化学环境的氢原子，故其一氯取代产物有5种，D正确。典例9．苯系化合物为无色透明油状液体，具有强烈的芳香气味，易挥发为蒸气，易燃有毒，生活中的苯系化合物主要来源于各种胶、油漆、涂料和防水材料的溶剂或稀释剂。目前苯系化合物已经被世界卫生组织确定为强烈致癌物质，且对人体的各个组织器官损害严重。下列有关说法正确的是()A．甲苯与溴水在FeBr3催化条件下可生成B．乙苯和氯气光照条件下生成的产物有11种C．邻二甲苯和溴蒸气在光照下的取代产物可能为D．丙基苯()可使酸性高锰酸钾溶液褪色【答案】D【解析】甲苯与液溴在FeBr3催化条件下才能发生取代反应，与溴水不发生化学反应，A错误；光照下乙基上的氢原子被取代，则乙苯和氯气光照生成的氯代物有11种[一氯代物有2种、二氯代物有3种、三氯代物(与二氯代物数目相同)有3种、四氯代物(与一氯代物数目相同)有2种、五氯代物1种]，同时还有HCl生成，所以产物共有12种，B错误；光照条件下甲基上的氢原子会被溴原子取代，不会取代苯环上的氢原子，C错误；丙基苯中的侧链可以被酸性高锰酸钾氧化，使酸性高锰酸钾溶液褪色，D正确。【跟踪练习】基础过关1．下列事实中，能说明苯与一般烯烃在性质上有很大差别的是()A．苯难溶于水B．苯不能被酸性KMnO4溶液氧化C．1mol苯能与3molH2发生加成反应D．苯能够燃烧产生浓烟【答案】B【解析】苯既不能使酸性KMnO4溶液褪色，这是苯与烯烃的明显不同之处。2．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【答案】D【解析】A．b为苯，对应的同分异构体可为环状烃，也可为链状烃，如HC≡CCH=CHCH=CH2，则同分异构体不仅仅d和p两种，故A错误；B．d编号如图，对应的二氯代物，两个氯原子可分别位于1、2，1、3，1、4，2、3等位置，故B错误；C．p为饱和烃，与高锰酸钾不反应，且b也不反应，故C错误；D．d、p都含有饱和碳原子，具有甲烷的结构特点，则d、p所有原子不可能处于同一平面，只有b为平面形结构，故D正确，故选D。某有机化合物的结构如图，则下列说法正确的是()A．该物质为苯的同系物B．该物质的一氯取代物有3种C．该物质的分子式为C12H12D．在FeBr3存在时，该物质可以和溴水发生取代反应【答案】C【解析】该物质分子中含有两个苯环，不属于苯的同系物，A错误；该物质分子结构对称，故该物质的一氯取代物有4种()，B错误；由该物质的分子结构可知，其分子式为C12H12，C正确；在FeBr3存在时，该物质可以和液溴发生取代反应，而不是溴水，D错误。4．苯系化合物为无色透明油状液体,具有强烈的芳香气味,易挥发为蒸气,易燃有毒,生活中的苯系化合物主要来源于各种胶、油漆、涂料和防水材料的溶剂或稀释剂。目前苯系化合物已经被世界卫生组织确定为强烈致癌物质,且对人体的各个组织器官损害严重。下列有关说法正确的是()A．甲苯与溴水在FeBr3催化条件下可生成B．乙苯和氯气光照条件下生成的产物有11种C．邻二甲苯和溴蒸气在光照下的取代产物可能为D．丙基苯()可使酸性高锰酸钾溶液褪色【答案】D【解析】甲苯与液溴在FeBr3催化条件下才能发生取代反应，与溴水不发生化学反应，A错误；光照下乙基上的氢原子被取代，则乙苯和氯气光照生成的氯代物有11种[一氯代物有2种、二氯代物有3种、三氯代物(与二氯代物数目相同)有3种、四氯代物(与一氯代物数目相同)有2种、五氯代物1种]，同时还有HCl生成，所以产物共有12种，B错误；光照条件下甲基上的氢原子会被溴原子取代，不会取代苯环上的氢原子，C错误；丙基苯中的侧链可以被酸性高锰酸钾氧化，使酸性高锰酸钾溶液褪色，D正确。5．在一定条件下，甲苯可生成二甲苯混合物和苯。有关物质的沸点、熔点如下：对二甲苯邻二甲苯间二甲苯苯沸点/点/℃13−25−476下列说法不正确的是()A．该反应属于取代反应B．甲苯的沸点高于144℃C．用蒸馏的方法可将苯从反应所得产物中首先分离出来D．从二甲苯混合物中，用冷却结晶的方法可将对二甲苯分离出来【答案】B【解析】A、甲苯变二甲苯是甲苯苯环上的氢原子被甲基代替，属于取代反应，A正确；B、甲苯的相对分子质量比二甲苯小，故沸点比二甲苯低，B错误；C、苯的沸点与二甲苯的沸点相差较大，可以用蒸馏的方法分离，C正确；D、因为对二甲苯的熔点较高，冷却后容易形成固体，所以能用冷却结晶的方法分离出来，D正确。答案选B。能力达成人们对苯及芳香烃的认识有一个不断深化的过程。回答下列问题：(1)由于苯的含碳量与乙炔相同，人们认为它是一种不饱和烃，写出分子式为C6H6的一种含两个三键且无支链的链烃的结构简式：。(2)已知分子式为C6H6的有机物有多种，其中的两种为：(Ⅰ)和(Ⅱ)。①这两种结构的区别表现在以下两方面：定性方面(即化学性质方面)：Ⅱ能________(填字母)，而Ⅰ不能。a．被高锰酸钾酸性溶液氧化b．与溴水发生加成反应c．与溴发生取代反应d．与氢气发生加成反应定量方面(即消耗反应物的量方面)：1molC6H6与H2加成时：Ⅰ需______mol，而Ⅱ需______mol。②今发现C6H6还可能有一种如图所示的立体结构，该结构的二氯代物有______种。(3)萘也是一种芳香烃，它的分子式是C10H8，请你判断它的结构简式可能是________(填字母)。(4)萘的结构简式不能解释的事实是________(填字母)。a．萘不能使高锰酸钾酸性溶液褪色b．萘能与H2发生加成反应c．萘分子中所有原子在同一平面上d．一溴代萘(C10H7Br)只有两种同分异构体(5)现代化学认为，萘分子中碳碳键是。【答案】(1)(2)①ab；3；2②3(3)C(4)a(5)介于单键与双键之间的独特的键【解析】(1)按题中要求写出一种即可。(2)①由于Ⅱ中存在碳碳双键，故Ⅱ可被高锰酸钾酸性溶液氧化，也能与溴水发生加成反应，而苯中存在特殊的键不能发生上述反应，故应选ab；由于苯环上加氢后形成环己烷(C6H12)，故需3molH2，而Ⅱ分子中有两个碳碳双键，故需2molH2。②根据对称性即可写出(如右图所示)。(3)根据分子式可推断其结构简式。(4)由于含有不饱和键，故不能解释萘不能使高锰酸钾酸性溶液褪色的事实。(5)萘中的碳碳键应与苯中的碳碳键相同。7．下图是实验室制取溴苯的装置图：(1)三颈烧瓶内发生反应的化学方程式是__________________________________。(2)导管出口附近能发现的现象是_____________________________。(3)导管口不能插入锥形瓶中的液面之下，原因是________________________________。(4)采用冷凝管的作用是________，干燥管的作用是______________________________。(5)反应结束向三颈烧瓶中加入氢氧化钠溶液，作用是_________________________________。【答案】(1)+Br2+HBr(2)有白雾(3)HBr极易溶于水，防止倒吸(4)将挥发出的反应物蒸气冷凝