高中化学人教版 (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课时学案

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一、有机化合物中的共价键
在有机化合物的分子中，碳原子通过共用电子对与其他原子形成不同类型的共价键，共价键的类型和极性对有机化合物的性质有很大的影响。
1．有机化合物中共价键的类型
(1)根据原子轨道的重叠方式可分为σ键和π键。
(2)根据成键原子形成共用电子对的数目可分为单键、双键、三键，它们与σ键和π键的关系：
有机化合物的共价键eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(单键只含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))
(3)共价键的类型与有机反应类型的关系
σ键不易断裂，能发生取代反应，如CH4等；π键比较容易断裂，π键更活泼，能发生加成反应，如CH2==CH2、CH≡CH等。
2．共价键的极性与有机反应
由于不同的成键原子间电负性的差异，共用电子对会发生偏移。偏移的程度越大，共价键极性越强，在反应中越容易发生断裂。因此有机化合物的官能团及其邻近的化学键往往是发生化学反应的活性部位。
实例分析(教材实验1-1)
(1)水、无水乙醇分别与钠反应的比较
(2)乙醇与氢溴酸的反应
由于羟基中氧原子的电负性较大，乙醇分子中的碳氧键极性也较强，也可断裂，如乙醇与氢溴酸的反应：
＋H—Breq \(――→,\s\up7(△))＋H2O。
3．有机反应的特点
共价键的断裂需要吸收能量，而且有机化合物分子中共价键断裂的位置存在多种可能。相对无机反应，有机反应一般反应速率较小，副反应较多，产物比较复杂。
(1)σ键比π键牢固，所以不会断裂( )
(2)乙烯分子中含有π键，所以化学性质比甲烷活泼( )
(3)乙酸与钠反应比水与钠反应更剧烈，是因为乙酸分子中氢氧键的极性更强( )
(4)共价键的极性强弱不仅取决于成键原子双方电负性差值的大小，还取决于共价键所处的环境( )
(5)CH3COOH有酸性，而C2H5OH没有，体现了基团之间的相互影响( )
答案 (1)× (2)√ (3)√ (4)√ (5)√
1．请从化学键和官能团的角度分析下列反应中有机化合物的变化。
①CH4＋Cl2eq \(――→,\s\up7(光))CH3Cl＋HCl
②CH2==CH2＋Br2―→CH2Br—CH2Br
提示 化学键：甲烷分子中含有C—H σ键，能发生取代反应；在乙烯分子中，碳碳双键含有π键，能发生加成反应。
官能团：甲烷无官能团，一氯甲烷的官能团是碳氯键；乙烯的官能团是碳碳双键，加成反应产物的官能团是碳溴键。
2．某有机物分子的结构简式为，该分子中有8个σ键，2个π键，有(填“有”或“没有”)非极性键。根据共价键的类型和极性可推测该物质可发生加成反应和取代反应，与钠反应的剧烈程度比水与钠反应的剧烈程度大。原因是CH2==CHCOOH中中的氢氧键受酮羰基影响，极性更强，更易断裂。
1．(2022·吉林长春二中高二期末)乙酸、水和乙醇的分子结构如表所示，三者结构中的相同点是都含有氢氧键，下列说法错误的是( )
A.氢氧键的极性：乙酸>水>乙醇
B．与金属钠反应的剧烈程度：水>乙醇
C．氢氧键连接不同的基团可影响氢氧键的活性
D．三种分子中氢氧键极性不同的原因是其共价键类型不同
答案 D
2.碳酸亚乙烯酯是锂离子电池低温电解液的重要添加剂，其结构如图所示。下列说法错误的是( )
A．该分子含有极性键和非极性键
B．该分子中碳原子均采取sp2杂化
C．该分子中C—O极性较大，易断裂
D．该分子中σ键与π键的个数比为2∶1
答案 D
解析 该分子中含有极性键C—O、C==O、C—H，含有非极性键碳碳双键，A正确；该分子中的三个碳原子各形成一个双键，均为sp2杂化，B正确；C—O受酮羰基影响，极性较大易断裂，C正确；单键为σ键，一个双键中有一个σ键和一个π键，则该分子中σ键与π键个数比为8∶2＝4∶1(注意碳氢键未画出)，D错误。
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
(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。
(2)同分异构体：具有同分异构现象的化合物的互称。
(3)特点：一般情况下，有机化合物分子中的碳原子数目越多，其同分异构体的数目也越多。
(4)实例：如C5H12的三种同分异构体：正戊烷CH3—CH2—CH2—CH2—CH3、异戊烷、新戊烷。三者分子式相同，结构不同。
2．同分异构现象的类型
3．构造异构现象
1．对映异构
氯溴碘代甲烷，有两种异构体，互为镜像却不能重合，这种现象称为对映异构。一般来说，若碳原子连接四个不同的原子或原子团则称为手性碳原子，含有手性碳原子的化合物存在对映异构。
2．键线式
在表示有机化合物的组成和结构时，如果将碳、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，则得到键线式。如丙烯可表示为，乙醇可表示为。
(1)相对分子质量相同的化合物一定互为同分异构体( )
(2)同素异形体、同分异构体之间的转化是物理变化( )
(3)同系物之间可以互为同分异构体( )
(4)淀粉与纤维素是化学式为(C6H10O5)n的同分异构体( )
(5)CH3COOH与HCOOCH3互为同分异构体，属于官能团异构( )
(6)与互为同分异构体，属于立体异构( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)×
1．下列叙述错误的是( )
A．CH3CH(CH3)CH2CH3与CH3(CH2)3CH3属于碳架异构
B．CH3—CH==CH—CH3与CH2==CH—CH2—CH3属于官能团异构
C．CH≡C—CH2CH3与CH3—C≡C—CH3属于位置异构
D．和属于同一种物质
答案 B
解析 异戊烷和正戊烷中碳骨架不同，属于碳架异构，故A正确；两种有机化合物的官能团均为且数目相同，但官能团位置不同，应属于位置异构，故B错误；两种有机化合物的官能团均为碳碳三键且数目相同，但碳碳三键的位置不同，属于位置异构，故C正确；和的分子式均为C5H12，结构相同，属于同一种物质，故D正确。
2．已知下列有机化合物：
①CH3—CH2—CH2—CH3和
②CH2==CHCH2CH3和CH3CH==CHCH3
③CH3—CH2—OH和CH3—O—CH3
④和
⑤CH3CH2CH2Cl和CH3CHClCH3
⑥CH2==CH—CH==CH2和CH2—CH3—C≡CH
(1)属于同分异构体的是______________(填序号，下同)。
(2)属于碳架异构的是____________。
(3)属于位置异构的是____________。
(4)属于官能团异构的是____________。
(5)属于同一种物质的是____________。
(6)②中CH2==CH—CH2—CH3的键线式为____________。
答案 (1)①②③⑤⑥ (2)① (3)②⑤ (4)③⑥ (5)④ (6)
解析 解答此题的方法是先写出各物质的分子式，若分子式相同，再判断分子中含有的官能团是否相同，进一步再确定官能团的位置，最终对两种物质的关系做出判断。
三、多角度认识有机物的分子组成与结构
1．有机物分子的空间结构与碳原子成键方式的关系
注意 (1)通常把连接4个原子或原子团的碳原子称为饱和碳原子。全部由饱和碳原子构成的烃称为饱和烃，如烷烃。
(2)通常把连接的原子或原子团数目小于4的碳原子称为不饱和碳原子。含不饱和碳原子的烃称为不饱和烃，如烯烃、炔烃、芳香烃。
2．表示方法
有机物分子可以用分子式、电子式、结构式、结构简式、最简式(实验式)、球棍模型、空间填充模型等表示。如乙烯的分子式为C2H4，电子式为、结构式为，结构简式为CH2==CH2，最简式(实验式)为CH2，键线式为==，球棍模型为，空间填充模型为。
有机物的表示方法多种多样，下面是常用的几种表示方法：
① ② ③CH3CH3 ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩
(1)上述表示方法中，属于结构式的为__________(填序号，下同)，属于键线式的为__________，属于空间填充模型的为____________，属于球棍模型的为________。
(2)写出物质⑨的分子式：__________。
(3)写出物质⑩中官能团的电子式：_______________、________________。
(4)物质②的分子式为__________。
(5)物质⑥分子中所有的碳原子________(填“能”或“不能”)同时在一个平面上。
答案 (1)⑩ ①②⑥⑨ ⑤ ⑧ (2)C11H18O2 (3) (4)C6H12 (5)不能
解析 ①②⑥⑨是键线式，所有拐点和终点都有一个碳原子，碳原子不满足四个价键的由氢原子补足；⑤是CH4的空间填充模型；⑧是正戊烷的球棍模型；⑩是葡萄糖的结构式，其官能团有—OH和；②的分子式为C6H12。
题组一 有机化合物中的共价键
1．下列说法错误的是( )
A．一般情况下，仅含σ键的烃易发生取代反应，含有π键的烃易发生加成反应
B．一般情况下，共价键极性越强，在反应中越容易断裂
C．有机化合物分子中基团之间的相互影响不会影响官能团和物质的性质
D．CH2==CH—CH3分子中既有非极性键又含有π键
答案 C
2．下列说法不正确的是( )
A．π键由两个p轨道以“肩并肩”的形式重叠形成
B．通过π键连接的原子或原子团可绕键轴旋转
C．σ键和π键的强度不同
D．乙烷分子中的共价键全为σ键而乙烯分子中含σ键和π键
答案 B
解析 通过π键连接的原子或原子团不能绕键轴旋转，B项错误；σ键和π键因轨道重叠程度不同，强度不同，C项正确；乙烷分子中的共价键均为单键，单键均为σ键，乙烯分子中含碳碳双键，双键中有1个π键和1个σ键，D项正确。
3．某有机物的结构简式为CH2==CHC≡CH，则该有机物分子中含有σ键和π键的数目分别为( )
A．6、3 B．7、3 C．7、4 D．6、4
答案 B
解析 单键全部为σ键，双键中有1个σ键和1个π键，三键中有1个σ键和2个π键，故该有机物分子中含有σ键的数目为7，π键的数目为3。
题组二 共价键的极性
4．下列说法不正确的是( )
A．乙醇与Na反应比水与Na反应缓慢的原因为乙醇中H—O的极性弱
B．乙醇的酯化反应断裂的化学键是C—O σ键
C．乙醇与HBr反应断裂的化学键是乙醇中的C—O
D．有机反应一般反应速率较小，产物较复杂
答案 B
解析 乙醇的酯化反应断裂的化学键是O—H σ键。
5．下列物质既能发生加成反应又可以和钠反应的是( )
A．CH3—O—CH3 B．CH2==CHCH3
C． D．
答案 C
解析 B中碳碳双键中含有一个π键，可以发生加成反应，不能与钠反应；C中H—O的极性强，可以与钠反应，同时含有碳碳双键，可以发生加成反应；D中无π键，不能发生加成反应。
6．(2023·成都检测)已知下列反应：
①CH4＋Cl2eq \(――→,\s\up7(光))CH3Cl＋HCl
②CH2==CH2＋Br2―→CH2Br—CH2Br
③CH≡CH＋2HCl―→CH3—CHCl2
有极性键断裂的反应是( )
A．①② B．①③
C．②③ D．①②③
答案 B
解析 ①中断开C—H极性键和Cl—Cl非极性键；②中断开C==C和Br—Br非极性键；③中断开C≡C非极性键和H—Cl极性键。
题组三 有机化合物的同分异构现象
7．下列各组物质中，互为同分异构体的是( )
A．与
B．HC≡C(CH2)3CH3与
C．CH3CH2OCH2CH3与
D．与
答案 B
解析 A项和C项中物质的分子式不同，不互为同分异构体，错误；B项和D项中物质的分子式均相同，但是D项中两种物质结构相同，是同一物质，D项错误。
8．(2022·长沙调研)下列各组物质中，互为同分异构体且属于位置异构的是( )
A．CH3CH2CH3和CH3CH(CH3)2
B．和
C．CH3COOH和HCOOCH3
D．CH3CH2CHO和CH3COCH3
答案 B
解析 A中CH3CH2CH3和CH3CH(CH3)2分子式不同，不互为同分异构体；B中两种物质官能团的位置不同，属于位置异构；C、D中物质均是分子式相同，官能团类别不同，属于官能团异构。
9．下列关于同分异构体异构方式的说法不正确的是( )
A．CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2属于碳架异构
B．H3CC≡CCH3和CH2==CHCH==CH2属于官能团异构
C．与属于对映异构
D．和属于位置异构
答案 C
解析 A中CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2碳骨架不同，属于碳架异构；B中两物质官能团类别不同，属于官能团异构；C中二者属于同种物质；D中甲基与—OH在苯环上的位置不同，属于位置异构。
10．下列表示或说法不正确的是( )
A．C3H8的一氯代物有2种
B．丁烷有3种同分异构体
C．CH2ClCH2Cl和CH3CHCl2互为同分异构体
D．C3H6和C4H8不一定互为同系物
答案 B
解析 C3H6和C4H8均既可以是烯烃，也可以是环烷烃，故二者不一定互为同系物，D项正确。
11．乳酸分子为手性分子，如图为乳酸分子的两种空间结构模型：
下列关于乳酸分子的两种空间结构模型的说法正确的是( )
A．Ⅰ和Ⅱ的结构与性质完全不相同
B．Ⅰ和Ⅱ呈镜像对称，互为同素异形体
C．Ⅰ和Ⅱ都属于非极性分子
D．Ⅰ和Ⅱ中化学键的种类与数目完全相同
答案 D
解析 Ⅰ和Ⅱ呈镜像对称，化学性质不完全相同，有一定的相似性，故A错误；由同一种元素形成的不同单质互为同素异形体，Ⅰ和Ⅱ均为化合物，二者结构不同，分子式相同，互为同分异构体，故B错误；Ⅰ和Ⅱ都属于极性分子，故C错误；Ⅰ和Ⅱ呈镜像对称，化学键的种类与数目完全相同，故D正确。
12．(2022·烟台高二月考)医用酒精、含氯消毒剂(如“84”消毒液)等可以有效杀灭病毒。关于酒精和含氯消毒剂的有关说法正确的是( )
A．乙醇分子中与羟基相连的C原子是sp2杂化，另一个C原子是sp3杂化
B．乙醇是非极性分子，可与水以任意比例互溶
C．1个HClO分子中含有2个σ键
D．1个乙醇分子中含有6个σ键，1个π键
答案 C
解析 由乙醇的结构式()可知，分子中两个碳原子均形成4个单键，即4个σ键，没有孤电子对，两个碳原子均采取sp3杂化，故A、D错误；乙醇为极性分子，水也是极性分子，且乙醇分子与水分子之间能形成氢键，因此乙醇能与水以任意比例互溶，故B错误；由HClO的结构式H—O—Cl可知，1个HClO分子中含有2个σ键，故C正确。
13．利托那韦的结构简式如图，下列有关利托那韦的说法错误的是( )
A．分子式为C37H48N6O5S2
B．分子中既含有σ键又含有π键
C．分子中含有极性较强的化学键，化学性质比较活泼
D．分子中含有苯环，属于芳香烃
答案 D
解析 根据利托那韦的结构简式可知其分子式为C37H48N6O5S2，A正确；该分子中既含有单键又含有双键，所以既含有σ键又含有π键，B正确；该分子中含有O—H等极性较强的化学键，化学性质比较活泼，C正确；该分子中含有C、H、O、N、S元素，不属于烃，D错误。
14．已知有机物a和b的结构简式分别为和。下列说法正确的是( )
A．a分子中含有6个σ键，2个π键
B．a与苯互为同分异构体
C．b可使溴水褪色，反应时π键断裂
D．b中所有碳原子可能在同一平面上
答案 C
解析 a分子中含有14个σ键，2个π键，A项错误；a的分子式为C6H8，苯的分子式为C6H6，二者不互为同分异构体，B项错误；b分子中含有碳碳双键，与溴发生加成反应时，π键断裂，C项正确；b分子中有饱和C原子，则所有C原子不可能在同一平面上。
15.科学家在－100 ℃的低温下合成了一种烃X，该分子的结构模型如图所示。
(1)X的分子式为________。
(2)X分子中每个碳原子均形成4个共价键，则1个X分子中含有________个σ键，______个π键。
(3)1 ml X在一定条件下可与________ml H2发生反应。
(4)该分子碳原子的杂化类型为________。
答案 (1)C5H4 (2)10 2 (3)2 (4)sp2、sp3
16．同分异构现象在有机化学中普遍存在，中学阶段常见的同分异构体有三类：①官能团异构，②位置异构，③碳架异构。已知分子式为C5H12O的有机化合物有多种同分异构体，下面给出其中四种：
A．CH3—CH2—CH2—CH2—CH2OH
B．CH3—O—CH2—CH2—CH2—CH3
C．
D．
根据上述信息完成下列问题：
(1)根据所含官能团判断A属于________类有机化合物，B、C、D中，与A互为官能团异构的是______(填字母，下同)，与A互为碳架异构的是________；与A互为位置异构的是________。
(2)写出另一种与A互为位置异构的有机化合物(除B、C、D以外)的结构简式：____________
_______________________________________________________________________________。
(3)与A互为碳架异构的同分异构体共有5种，除B、C、D中的一种以外，其中两种的结构简式为、，写出另外两种同分异构体的结构简式：__________________________________、_________________________________。
答案 (1)醇 B D C
(2)
(3)
解析 (1)A属于醇类；B与A互为官能团异构，D与A互为碳架异构，C与A互为位置异构。(2)与A官能团位置不同，互为位置异构。(3)与A互为碳架异构的同分异构体，可以根据戊基的碳架异构来书写，戊基有CH3CH2CH2CH2CH2—，CH3CH2CH(CH3)CH2—，CH3CH2C(CH3)2—，(CH3)2CHCH2CH2—，(CH3)3CCH2—，(CH3)2CHCH(CH3)—，所以另外两种同分异构体的结构简式为、。σ键
π 键
原子轨道重叠方式
沿键轴方向以“头碰头”形式相互重叠
以“肩并肩”形式从侧面重叠
原子轨道重叠程度
大
小
键的强度
较大
较小
能否绕键轴旋转
能，化学键不会断裂
否
实验操作
实验现象
金属钠浮在水面上，反应剧烈
金属钠沉在底部，反应平稳
化学方程式
2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑
―→
＋H2↑
实验结论
CH3CH2—OH分子中氢氧键的极性比H—OH分子中氢氧键的极性弱，基团之间的相互影响使官能团中化学键的极性发生变化，从而影响官能团和物质的性质
物质
结构
乙酸
水
H—OH
乙醇
CH3—CH2—OH
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：CH2==CH—CH2—CH3、
1-丁烯
CH3—CH==CH—CH3
2-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
结构
碳原子的杂化方式
碳原子的成键方式
空间结构
sp3
σ键
四面体形
sp2
σ键、π键
平面形
—C≡C—
sp
σ键、π键
直线形