高中化学人教版 (2019)选择性必修3第三节 芳香烃学案

第三节　芳香烃

一、苯

1．芳香烃

在烃类化合物中，含有一个或多个苯环的化合物。最简单的芳香烃为苯。

2．苯的物理性质与应用

(1)物理性质

苯是一种无色、有特殊气味的液体，有毒，不溶于水。苯易挥发，沸点为80.1 ℃，熔点为5.5 ℃，常温下密度比水的小。

(2)应用：苯是一种重要的化工原料和有机溶剂。

3．苯的分子结构

(1)分子式为C6H6，结构简式为和，为平面正六边形结构。

(2)化学键形成

苯分子中的6个碳原子均采取sp2杂化，分别与氢原子及相邻碳原子以σ键结合，键间夹角均为120°，连接成六元环。每个碳碳键的键长相等，都是139 pm，介于碳碳单键和碳碳双键的键长之间。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。

4．苯的化学性质

苯的结构稳定，苯不与酸性KMnO4溶液、溴水反应。但苯可以萃取溴水中的溴。

(1)氧化反应：苯有可燃性，空气里燃烧产生浓重的黑烟，化学方程式为2C6H6＋15O212CO2＋6H2O。

(2)取代反应(写出有关化学反应方程式，后同)

③磺化反应：

。

(3)加成反应(与H2加成)

。

微点拨：

①纯净的溴苯为无色液体，有特殊的气味，不溶于水，密度比水的大。

②纯净的硝基苯为无色液体，有苦杏仁气味，不溶于水，密度比水的大。

③苯磺酸易溶于水，是一种强酸。

二、苯的同系物

1．苯的同系物是指苯环上的氢原子被烷基取代所得到的一系列产物，其分子中有一个苯环，侧链都是烷基，通式为CnH2n－6(n≥7)。

2．苯的同系物的物理性质

(1)苯的同系物为无色液体，不溶于水，易溶于有机溶剂，密度比水的小。

(2)三种二甲苯的熔、沸点与密度

①熔点：对二甲苯＞邻二甲基＞间二甲苯。

②沸点：邻二甲苯＞间二甲苯＞对二甲苯。

③密度：邻二甲苯＞间二甲苯＞对二甲苯。

3．苯的同系物的化学性质(以甲苯为例)

(1)氧化反应

①甲苯能使酸性KMnO4溶液褪色，这是由于甲苯上的甲基被酸性KMnO4氧化的结果。

②燃烧

燃烧的通式为CnH2n－6＋O2nCO2＋(n－3)H2O。

(2)取代反应

甲苯与浓硝酸和浓硫酸的混合物在加热条件下发生反应生成2,4,6­三硝基甲苯，发生反应的化学方程式为 。

(3)加成反应

在一定条件下甲苯与H2发生加成反应，生成甲基环己烷，化学反应方程式为

微点拨：2,4,6­三硝基甲苯又叫梯恩梯(TNT)，是一种淡黄色晶体，不溶于水，是一种烈性炸药。

三、稠环芳香烃

1．定义

由两个或两个以上的苯环共用相邻的两个碳原子的芳香烃是稠环芳香烃。

2．示例

(1)萘：分子式为C10H8，结构简式，是一种无色片状晶体，有特殊气味，易升华，不溶于水。

(2)蒽：分子式为C14H10，结构简式，是一种无色晶体，易升华，不溶于水，易溶于苯。

1．判断正误(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)符合CnH2n－6(n≥6)通式的有机物一定是苯及其同系物。  (　　)

(2)苯的邻、间、对位二元取代物都只有一种，均能证明苯分子中不存在单、双键交替结构。                            (　　)

(3)含有一个苯环的烃一定属于苯的同系物。  (　　)

(4) 中含有碳碳双键，与溴水可以反应。  (　　)

[答案]  (1)×　(2)×　(3)×　(4)×

2．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

3．有下列物质：

(1)属于芳香烃的是___________________________________。

(2)属于苯的同系物的是_______________________________。

(3)⑥的一氯代物有________种。

(4)①的硝化反应生成TNT的化学方程式为

_______________________________________________________

[答案]  (1)①②⑤⑥　(2)①⑥　(3)5

1．(1)向盛有苯和甲苯的试管中滴加溴水，用力振荡试管，静置，观察到的现象是什么？为什么？

(2)向盛有苯和甲苯的试管中加入酸性KMnO4溶液，用力振荡，静置，观察到的现象是什么？为什么？

[提示](1)两试管中液体分层，上层为橙红色，下层无色，苯和甲苯萃取溴水中的溴。

(2)盛苯的试管，上层无色，下层仍为紫红色，盛甲苯的试管，上层无色，下层无色。苯不能被酸性KMnO4氧化。甲苯中苯环使甲基活化，被酸性KMnO4溶液氧化，紫色褪去。

2．(1)在光照条件下，甲苯与氯气能发生类似甲烷与氯气的取代反应，请写出可能的有机产物的结构简式。分离提纯这些有机化合物的方法是什么？

(2)在FeBr3催化下，甲苯与溴发生取代反应可以生成一溴代甲苯，请写出该反应的主要有机产物的结构简式，并从化学键和官能团的角度分析反应中有机化合物的变化。   

(3)在Pt作催化剂和加热的条件下，  甲苯与氢气能发生类似苯与氢气的加成反应，请写出该反应的化学方程式。

(4)对比苯与甲苯的结构，以及二者发生硝化反应的产物，你能得出什么结论？

[提示]

(4)甲苯分子中的—CH3对苯环的影响，硝基取代的位置均以甲基的邻、对位为主。

1．苯及苯的同系物的组成与结构

(1)通式：CnH2n－6(n≥6)。

2．苯及苯的同系物的化学性质

(1)氧化反应：均可燃烧、苯不能与酸性KMnO4溶液反应。

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，如果侧链烷基中与苯环直接相连的碳原子上有氢原子，它就能被酸性KMnO4溶液氧化，侧链烷基通常被氧化为羧基(—COOH)。

(2)取代反应：①苯及其同系物均可发生溴代、硝化反应，但苯的同系物受烷基影响苯环上的氢活性增强，易发生取代。

②苯的同系物的烷基在光照下与X2发生取代反应。

(3)加成反应：苯及其同系物均可与H2发生加成，生成环烷烃。

1．有关苯的结构和性质，下列说法正确的是(　　)

A．苯分子中碳碳键是单键和双键交替排列的

B．易被酸性KMnO4溶液氧化

C．与溴水发生加成反应而使溴水褪色

D．苯分子中存在大π键，碳原子采取sp2杂化

D　[A项，苯分子中不存在C—C和C===C，而是介于C—C与C===C之间的特殊键；B、C项，苯与溴水、酸性KMnO4溶液不反应。]

2．如图是两种烃的球棍模型，以下说法正确的是(　　)

甲　　　　　　乙

A．二者与Cl2不能反应

B．二者互为同分异构体

C．都不能使酸性高锰酸钾溶液褪色

D．都不能发生加成反应

B　[分子中均有烷基，在光照下能与Cl2发生取代反应，A项错误；二者分子式相同，结构不同，互为同分异构体，B项正确；它们的侧链都能被酸性高锰酸钾溶液氧化为羧基，使酸性高锰酸钾溶液褪色，C项错误；二者都能够与氢气发生加成反应，D项错误。]

3．下列说法中正确的是(　　)

B　[苯的同系物指的是仅含一个苯环且苯环上的侧链均为烷基的芳香烃，故都不是苯的同系物，A项错误；该物质是具有对称结构的芳香烃，因C—C键能够旋转，  故其一氯代物只有4种()，C项错误；甲苯使溴水褪色是由于甲苯将溴从溴水中萃取出来，发生的是物理变化，苯乙烯使溴水褪色是由于苯乙烯与溴发生了加成反应，发生的是化学变化，可见两者褪色原理不同，D项错误。  ]

1．有下列有机物：①CH2===CH2　②CH3—C≡CH

请分析回答：

(1)上述有机物中所有原子可能共面的有________(填序号)。

(2)②中共线原子有________个。

(3)⑤中最多共面原子有________个。

[提示](1)①③　(2)4　(3)17

2．写出分子式为C9H12的所有芳香烃同分异构体，并命名。

[提示]　

1．有机物分子的共面、共线问题分析与判断

(1)四种代表物的空间结构：甲烷的四面体结构(其中3个原子共面)，乙烯的6原子共面结构，乙炔的4原子共线结构，苯的12原子共面结构。

(2)判断方法

①分子中出现饱和碳原子，整个分子不共面。

②分子中出现一个，至少有6个原子共面。

③分子中出现一个，至少有4个原子共线。

④分子中出现一个苯环，至少有12个原子共面。

2．苯的同系物的同分异构体及命名

(2)命名

①编序号：以最简取代基苯环上的碳原子为1号，且使取代基序号和最小。

②写名称：例如1,3­二甲基­2­乙基苯。

1．某烃的结构简式为，有关其结构说法正确的是(　　)

A．所有原子可能在同一平面上

B．所有原子可能在同一条直线上

C．所有碳原子可能在同一平面上

D．所有氢原子可能在同一平面上

C　[该分子可表示为

a　　　　　　　　　　+　b

根据乙烯、苯为平面结构，乙炔为直线形结构，CH4为四面体结构及单键能绕键轴旋转，双键和三键不能绕键轴旋转，从a、b两个图示中可得：当a、b中用虚线所围的两个面完全重合时共面的原子最多，此时所有的碳原子都共面，但共直线的碳原子只有a图中编号的5个碳原子。由于分子中有—CH3，故分子中所有原子不共面。]

2．某烃的分子式为C10H14，不能使溴水褪色，但可使酸性KMnO4溶液褪色，且可以被酸性KMnO4溶液氧化生成苯甲酸，则此烃的结构共有    (　　)

A．2种　　　B．5种　　　C．4种　　　D．3种

D　[该烃不能使溴水褪色，但可使酸性KMnO4溶液褪色，且可以被酸性KMnO4溶液氧化生成苯甲酸，分子式C10H14符合苯的同系物的通式，所以该烃为苯的同系物，苯环上有1个侧链，且与苯环直接相连的碳原子上至少有1个H原子，这样的侧链有3种，简单表示其碳骨架结构如下：，D正确。]

3．下列有机物的系统命名正确的是(　　)

C　[A项，主链选错，应为2­甲基丁烷；B项，邻二甲苯为习惯命名法；D项，命名应为2­甲基­1­丙烯。]

　硝基苯的制备及提纯

实验室通过苯与浓硫酸和浓硝酸的混合液在50～60 ℃的水浴中加热制备硝基苯。已知苯与硝基苯的某些物理性质如下表所示。

实验装置如图

(1)混合浓硫酸和浓硝酸的操作步骤是什么？

(2)写出生成硝基苯的化学方程式。

(3)水浴加热时应控制温度多少？水浴加热的优点有什么？

(4)试管上方的长导管的作用是什么？

(5)分离硝基苯和水混合物的方法是什么？分离硝基苯和苯混合物的方法是什么？

[提示](1)将浓硫酸沿试管内壁慢慢注入浓硝酸中，并振荡冷却。

(3)50～60 ℃，反应物均匀受热且容易控制温度。

(4)冷凝固流、减少反应物的挥发。

(5)分液法，蒸馏法。

通过实验制备和提纯硝基苯，培养学生的“科学探究与科学精神”的核心素养。

1．下列说法中，正确的是   (　　)

A．芳香烃的分子通式是CnH2n－6(n≥6)

B．苯的同系物是分子中仅含有一个苯环的所有烃类化合物

C．在苯的同系物分子中存在大π键，每个碳原子均采取sp2杂化

D．苯和甲苯都能与卤素单质、浓硝酸等发生取代反应

D　[芳香烃是分子中含一个或多个苯环的烃类化合物，而苯的同系物指分子中仅含有一个苯环，苯环的侧链全部为烷基的烃类化合物，其分子通式为CnH2n－6(n≥7，且n为正整数)；苯和甲苯都能与卤素单质、浓硝酸等发生取代反应，在苯的同系物分子中烷基碳原子为sp3杂化。]

2．下列物质中，既能因发生化学反应使溴水褪色，又能使酸性高锰酸钾溶液褪色，还能在光照条件下与溴发生取代反应的是(　　)

B　[甲苯能被酸性高锰酸钾溶液氧化而使其褪色，能在光照条件下与溴发生取代反应，但不能因发生化学反应使溴水褪色，A项不符合题意；CH3CH2CH===CH2含有碳碳双键，能与溴水发生加成反应而使其褪色，也能使酸性高锰酸钾溶液褪色，其中的—CH3具有烷烃的性质，在光照条件下与溴可发生取代反应，B项符合题意；CH3CH3具有烷烃的性质，不能使溴水、酸性高锰酸钾溶液褪色，C项不符合题意；苯的性质稳定，不能因发生化学反应而使溴水褪色，也不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，但苯能萃取溴水中的溴而使水层褪色，此过程属于物理变化，D项不符合题意。]

3．异丙苯[]是一种重要的化工原料，下列关于异丙苯的说法不正确的是  (　　)

A．异丙苯是苯的同系物

B．可用酸性高锰酸钾溶液区别苯与异丙苯

C．在光照条件下，异丙苯与Cl2发生取代反应生成的氯代物有三种

D．在一定条件下能与氢气发生加成反应

C　[在光照条件下，异丙苯与Cl2发生侧链上的取代反应，可生成多种氯代物，包括一氯代物、二氯代物等，C错误。]

4．关于化合物2­苯基丙烯()，下列说法正确的是(　　)

A．不能使稀高锰酸钾溶液褪色

B．可以发生加成聚合反应

C．分子中所有原子共平面 

D．易溶于水及甲苯

B　[A项，含有，可以使酸性KMnO4溶液褪色；C项，分子中含一个饱和碳原子，所有原子不可能共面；D项，烃难于水。]

5．苯的某些同系物可被酸性高锰酸钾溶液氧化，例如：

某分子式为C11H16的单烷基取代苯，已知它可以被氧化成苯甲酸的同分异构体共有7种，其中的3种是：

请写出其他4种的结构简式________________、________________、________________、________________。

[解析]　能被酸性KMnO4氧化的苯的同系物分子，连接苯环的碳原子上一定含有氢原子。