2.3 芳香烃-【新课程能力培养】2024-2025学年高中化学选择性必修3学习手册（人教版）

学 第二章 烃 得， 故等质量的乙炔与乙烯基乙炔完全燃烧 时的耗氧量是相同的。 （ 3 ） 环辛四烯的分 子式为 C 8 H 8 ， 其不饱和度为 5 ， 故芳香烃分 子的结构简式为 — CH CH 2 。 （ 4 ） 根 据“与苯互为同系物且一氯取代产物只有两 种的物质 ” 可写出 — CH 3 CH 3 — 、 CH 3 — CH 3 H 3 C 、 C （ CH 3 ） 3 — C （ CH 3 ） 3 （ CH 3 ） 3 C 等。 答案： （ 1 ） C 4 H 4 1 （ 2 ） D （ 3 ） — CH CH 2 （ 4 ） — CH 3 CH 3 — CH 3 — CH 3 H 3 C 学 习 目 标 1. 了解苯及其同系物的组成与结构， 理解苯 及其同系物的性质及应用， 培养 “宏观辨 识与微观探析” 的核心素养。 2． 了解苯的同系物分子中的苯环与烷基的相 互影响及引起的化学性质变化， 培养 “变 化观念与科学探究” 的核心素养。 知 识 梳 理 苯是芳香烃的母体， 苯环上的氢原子被 其他烷基取代所得到的产物， 即为苯的同 系物。 知识点 1 苯的同系物的物理性质 1. 甲苯、 二甲苯、 乙苯等简单苯的同系物在 通常状况下都是无色液体， 有特殊气味， 密度比水小， 不溶于水， 易溶于有机溶 剂， 本身也是有机溶剂。 2. 递变规律 随着碳原子数的递增， 熔、 沸点逐渐升 高， 密度逐渐增大。 知识点 2 苯的同系物的化学性质 苯的同系物与苯的化学性质相似， 但由 于苯环和烷基的相互影响， 使苯的同系物的 化学性质与苯和烷烃又有所不同。 1. 相同点 （ 1 ） 均能燃烧， 火焰明亮、 冒浓烟； 燃烧通 式为： C n H 2n-6 + 3n-3 2 O 2 点燃 nCO 2 + （ n-3 ） H 2 O 。 （ 2 ） 均能和卤素单质、 硝酸等发生苯环上的 取代反应。 （ 3 ） 均能和氢气发生加成反应， 但比较困难。 2. 不同点 （ 1 ） 氧化反应 苯不能被酸性 KMnO 4 溶液氧化， 甲苯、 二甲苯等苯的同系物能被酸性 KMnO 4 溶液 第三节 芳 香 烃 33 学 高中化学选择性必修 3 （人教版） 氧化 ， 反应的关系式为 — R KMnO 4 （ H + ）溶液 — COOH ， 可利用此性质区别苯和某些 苯的同系物。 （ 2 ） 取代反应 ① 硝化： — CH 3 +3HNO 3 浓 H 2 SO 4 △ — CH 3 — NO 2 — NO 2 O 2 N — + 3H 2 O 产物 2 ， 4 ， 6鄄 三硝基甲苯又叫 TNT ， 不 溶于水， 是一种烈性炸药。 ② 卤代： — CH 3 +Br 2 FeBr 3 — CH 3 — Br （或 Br — CH 3 — ） +HBr — CH 3 +Br 2 光 — CH 2 Br +HBr 知识点 3 芳香烃的来源及其应用 芳香烃： 分子中含有一个或多个苯环的 碳氢化合物。 1. 芳香烃的来源 （ 1 ） 来自煤焦油中。 （ 2 ） 来自石油的催化重整。 2. 芳香烃的应用 简单的芳香烃 （苯、 甲苯、 二甲苯、 乙 苯等） 是基本的有机化工原料， 可用于合成 炸药、 染料、 药品、 农药、 合成材料等。 知识点 4 苯的同系物的命名 1. 以苯为母体 （ 1 ） 一个取代基： 称 “某基苯”， 简称 “某 苯”。 （ 2 ） 两个取代基： 根据两个取代基的位置不 同， 用 “邻” “间” “对” 来表示。 “邻”： 两个取代基相邻 （系统命名编号 为 1 ， 2鄄 ）， 称为 “邻某 （基） 某 （基） 苯” 或 “邻二某 （基） 苯”， 如： CH 3 CH 3 邻二甲苯 1 ， 2鄄 二甲苯 “间”： 两个取代基间隔一个碳位 （系统 命名编号为 1 ， 3鄄 ）， 称为 “间某 （基） 某 （基） 苯” 或 “间二某 （基） 苯” 如： 间二甲苯 1 ， 3鄄 二甲苯 CH 3 — CH 3 教材拓展 苯的同系物异于苯的化学性质的原 因： （以甲苯为例） 苯的同系物分子中， 苯环与侧链相 互影响， 苯环影响侧链， 使侧链烃基性 质活泼而易被氧化； 侧链烃基影响苯环， 使苯环邻、 对位的氢原子更活泼而易被 取代。 教材拓展 用集合图示表示芳香族化合物、 芳 香烃、 苯的同系物三者之间的关系如下： 芳香族 化合物 芳香烃 苯的 同系物 分子中含有苯环的化合物 分子中含有苯环的烃 分子中含有一个苯环， 苯环 上的侧链全为烷基的芳香烃 34 学 第二章 烃 “对”： 两个取代基隔两个碳位 （系统命 名编号为 1 ， 4鄄 ） ， 称为 “对某 （基 ） 某 （基） 苯” 或 “对二某 （基） 苯” 如： — CH 3 — CH 3 对二甲苯 1 ， 4鄄 二甲苯 （ 3 ） 有三个及以上取代基： 常用编号表示取 代基的位置， 如： CH 3 — CH 3 CH 3 1 ， 3 ， 5鄄 三甲苯 2. 以苯为支链 当取代基复杂或较长时， 以苯为取代 基， 命名同烷烃。 知识点 5 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。 稠环芳香烃不属于苯的同系物。 2． 示例 （ 1 ） 萘： 分子式为 C 10 H 8 ， 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 C 14 H 10 ， 结 构 简 式 ， 是一种无色晶体， 易升华， 不溶于水， 易溶于苯。 归纳总结 1. 有机物的命名规则 2. 有机物命名的 “五原则” 和 “五必须” （ 1 ） 五原则 ① 最长碳链原则： 含有官能团时必须选 择含有官能团且碳原子数最多的碳链 为主链。 ② 最多支链原则： 多条等长碳链时， 必 须选择含支链最多的碳链作主链。 ③ 最近编号原则： 离支链最近一端编号， 含官能团时， 离官能团最近一端编号。 支链最近编号定位次 写名称 选最长碳链为主链 习惯命名 烷基 系统 命名 烷烃 命名 烯烃、 炔烃 命名 定义 系统 命名 选含双、 三键 最长碳链为主链 双、 三键最近编号 定位次 标双、 三键， 写名称 苯的 同系 物的 命名 定义 邻、 间、 对某苯习惯命名 小取代基编号 ， 称某苯 系统命名 有 机 物 的 命 名 温馨提示 1. 苯的同系物名称中， 系统名称和习惯 名称通常是混用的。 2. 其他含有官能团的芳香族化合物的命 名通常是将苯环作为取代基处理 。 如 — CH CH 2 称 为 苯 乙 烯 ， — CH 2 OH 称为苯甲醇。 35 学 高中化学选择性必修 3 （人教版） 要 点 精 析 要点 1 苯和苯的同系物的性质比较 典例 1 下列关于苯的叙述正确的是 （ ） A. 反应 ① 常温下不能进行， 需要加热 B. 反应 ② 不发生， 但是仍有分层现象， 紫 色层在下 C. 反应 ③ 为加成反应， 产物是一种烃的衍 生物 D. 反应 ④ 能发生， 从而证明苯中是单双键 交替结构 解析： 常温下苯与液溴在催化剂作用下发生 取代反应生成溴苯， 故 A 错误； 苯不含碳碳 双键， 不能被酸性高锰酸钾溶液氧化， 苯密 度小于水， 不溶于水， 有分层现象， 故 B 正 确； 反应 ③ 为苯与硝酸在浓硫酸作催化剂条 件下发生取代反应生成硝基苯， 故 C 错误； 反应 ④ 中 1 mol 苯最多与 3 mol H 2 发生加成 反应， 但是苯分子不含碳碳双键， 故 D 错误。 答案： B 点拨： 苯分子中独特的化学键 （一种介于碳 碳单键和碳碳双键之间的特殊共价键） 决定 了其独特的化学性质： 苯易发生取代反应， 但不同于烷烃； 能发生加成反应， 但不同于 烯烃 （不能使溴水或溴的四氯化碳溶液褪 色）； 难被氧化 （不能使酸性高锰酸钾溶液 褪色）， 但可燃烧。 典例 2 苯和甲苯相比较， 下列叙述中错误 的是 （ ） A. 都属于芳香烃 B. 都能使酸性高锰酸钾溶液褪色 C. 都能在空气中燃烧 D. 都能发生取代反应 解析： 苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色， 但 甲苯能使酸性高锰酸钾溶液褪色。 答案： B 变式训练 1 某烃的分子式为 C 10 H 14 ， 不能使溴水褪 色， 但可使酸性 KMnO 4 溶液褪色， 且可以 被酸性 KMnO 4 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 要点 2 苯环和侧链的相互影响 典例 3 下列有关甲苯的实验事实中， 能说 明侧链对苯环性质有影响的是 （ ） A. 甲苯与浓硝酸在一定条件下发生取代反 应生成 2 ， 4 ， 6鄄 三硝基甲苯 ④ 最简原则： 支链位次相同时， 从最简 支链一端开始编号。 ⑤ 最小编号： 支链编号代数和最小。 （ 2 ） 五必须 ① 注明取代基的位置时， 必须用阿拉伯 数字。 ② 取代基合并后的总数， 必须用汉字。 ③ 阿拉伯数字间， 必须用 “，” 隔开。 ④ 阿拉伯数字与汉字必须用 “ 鄄 ” 隔开。 ⑤ 简单取代基必须写在前。 浓 HNO 3 ， 浓 H 2 SO 4 /△ ③ 液溴 /FeBr 3 ① H 2 / 催化剂 ④ KMnO 4 /H + ② 36 学 第二章 烃 B. 甲苯能使酸性 KMnO 4 溶液褪色 C. 甲苯燃烧时火焰明亮且带有浓烈的黑烟 D. 1 mol 甲苯最多与 3 mol 氢气发生加成 反应 解析： 甲苯中苯环由于受到侧链的影响， 使 苯环上甲基邻、 对位上的氢原子的活泼性增 强， 所以硝化反应时， 能得到 2 ， 4 ， 6鄄 三硝 基甲苯， 而通常苯与硝酸反应时只能生成一 硝基取代产物； C 、 D 两项表现的是苯环的 性质； B 项说明苯环对侧链的影响。 答案： A 要点 3 芳香烃的性质 典例 4 下图是一种形状酷似一条小狗的有 机物键线式结构图 ， 化学家 将 其 取 名 为 “ doggycene ” 。 下 列 有 关 “ doggycene ” 的说法中正确的是 （ ） A. “ doggycene ” 的分子式为 C 26 H 30 B. 该物质在常温下呈气态 C. 该分子中所有原子可能处于同一平面 D. 1 mol 该物质在氧气中完全燃烧生成 CO 2 和 H 2 O 的物质的量之比为 2 ∶ 1 解析： 结合 doggycene 的结构简式可确定分 子式为 C 26 H 26 ， A 项错误； 含有 26 个碳原子 的有机物常温下不可能为气态， B 项错误； doggycene 是一种芳香烃， 从结构上看分子 中所有原子不可能处于同一平面， C 项错 误； 1 mol 该物质在 O 2 中完全燃烧生成的 CO 2 和 H 2 O 的物质的量之比为 2 ∶ 1 ， D 项正 确。 答案： D 要点 4 芳香烃的空间结构和同分异构体 典例 5 有下列有机物： ①CH 2 CH 2 ； ②CH 3 — C CH ； ③ — CH CH 2 ； ④ — C 2 H 5 ； ⑤ — CH 3 CH CH 2 。 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。 解析： （ 1 ） 乙烯为共面有机物， 乙炔为共 线有机物。 （ 2 ） ② 中 3 个 C 原子和与 1 号 C 原子相连 的 H 原子共线。 （ 3 ） 甲基中有 2 个 H 原子无法与其余原子共 平面， 故有 17 个原子共面。 答案： （ 1 ） ①③ （ 2 ） 4 （ 3 ） 17 典例 6 写出分子式为 C 9 H 12 的所有芳香烃 同分异构体， 并命名。 答案 ： 正丙苯 、 异丙苯 、 1鄄 甲基 鄄2鄄 乙基苯 、 1鄄 甲基 鄄3鄄 乙基苯 、 1鄄 甲基 鄄4鄄 乙基苯 、 1 ， 2 ， 3鄄 三甲基苯、 1 ， 2 ， 4鄄 三甲基苯 、 37 学 高中化学选择性必修 3 （人教版） 1 ， 3 ， 5鄄 三甲基苯。 变式训练 2 下列有机物的系统命名正确的是 （ ） CH 3 — CH — CH 3 CH 2 CH 3 — 2鄄 乙基丙烷 A. 邻二甲苯 B. — CH 3 — CH 3 1 ， 2 ， 4鄄 三甲基苯 C. H 3 C — CH 3 CH 3 CH 2 CH 3 — 2鄄 甲基 鄄 丙烷 D. CH 3 — C CH 2 要点 5 烃的性质比较 典例 7 现有 4 种无色液态物质： 己烯、 己烷、 苯和甲苯， 符合下列各题要求的分别是： （ 1 ） 不能与溴水和酸性 KMnO 4 溶液反应， 但在铁屑作用下能与液溴反应的是 ， 生成物的名称是 ， 反应 的化学方程式为 ， 此反应属于 反应。 （ 2 ） 不能与溴水或酸性 KMnO 4 溶液反应的 是 。 （ 3 ） 能与溴水和酸性 KMnO 4 溶液反应的是 。 （ 4 ） 不与溴水反应但能与酸性 KMnO 4 溶液 反应的是 。 解析： 4 种物质中， 既能和溴水反应， 又能 和酸性 KMnO 4 溶液反应的只有己烯； 均不 能反应的为己烷和苯； 不能与溴水反应但能 被酸性 KMnO 4 溶液氧化的是甲苯； 苯在铁 屑的作用下能与液溴发生取代反应生成溴苯。 答 案 ： （ 1 ） 苯 溴 苯 +Br 2 Fe — Br+HBr 取代 （ 2 ） 苯 、 己烷 （ 3 ） 己烯 （ 4 ） 甲苯 方法规律 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 C C ， 至少有 6 个 原子共面。 ③ 分子中出现一个— C C —， 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 取代基的异构体 取代基的个数 苯环上的位置 （邻、 间、 对） 同分异构体 （ 3 ） 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鄄 二甲基 鄄2鄄 乙基苯。 38 学 第二章 烃 典例 8 欧美三位科学家因 “分子机器的设 计与合成” 研究而荣获 2016 年诺贝尔化学 奖。 纳米分子机器研究进程中常见机器的 “车轮” 组件如下图所示。 下列说法正确的 是 （ ） A. ① 可发生加成反应而 ③ 不能 B. ①②③④ 均属于烃 C. ①④ 的一氯代物均为 3 种 D. ②④ 互为同分异构体 解析： ③ 中含有碳碳双键， 也可发生加成反 应， A 项错误； ③ 中只有碳原子， 不是烃， B 项错误； ④ 的一氯代物有 2 种， C 项错 误； ②④ 的分子式均为 C 10 H 16 ， D 项正确。 答案： D ① （三蝶烯） ② （扭曲烷） ③ （富勒烯） ④ （金刚烷） 方法规律 烃与液溴、 溴水、 溴的四氯化碳溶 液、 酸性高锰酸钾溶液反应。 （见下表） 烃 液溴 溴水 溴的四 氯化碳 溶液 酸性高 锰酸钾 溶液 烷 烃 与溴蒸气在 光照条件下 发生取代反 应 不反应， 液 态烷烃与溴 水可以发生 萃取从而使 溴水层褪色 不反应 ， 溶解不褪 色 不反应 烯 烃 常温加成褪 色 常温加成褪 色 常温加成 褪色 氧化褪色 炔 烃 常温加成褪 色 常温加成褪 色 常温加成 褪色 氧化褪色 苯 催化条件下 可取代 不反应， 发 生萃取而使 溴水层褪色 不反应 ， 互溶不褪 色 不反应 苯 的 同 系 物 光照条件下 发生侧链上 的取代， 催 化条件下发 生苯环上的 取代 不反应， 发 生萃取而使 溴水层褪色 不反应 ， 互溶不褪 色 氧化褪色 思维延伸 烃燃烧的有关规律及计算 1． 烃燃烧的有关规律 C x H y ＋ x+ y 4 ! " O 2 点燃 xCO 2 ＋ y 2 H 2 O （ 1 ） 烃燃烧时的现象 烃燃烧时， 火焰的明亮程度以及是 否有黑烟与含碳量有关， 烃中碳元素的 质量分数越大， 燃烧时火焰越明亮， 黑 烟越浓。 （ 2 ） 烃完全燃烧时的耗氧量 ① 当烃的物质的量相同时， x+ y 4 ! " 越大， 耗氧量越大。 ②C ～ O 2 ～ CO 2 ， 4H ～ O 2 ～ 2H 2 O 12 g 1 mol 4 g 1 mol 当烃的质量相同时， y x 越大， 耗氧 量越大 （最简式相同的烃， 无论以何种 比例混合， 耗氧量都相同）。 （ 3 ） 气态烃燃烧时气体体积的变化 ① 若温度大于 100 ℃ ， 即 H 2 O 为气态 ， 则 1+x+ y 4 ! " 可当作参加反应的气体体 积， x+ y 2 ! " 可当作生成的气体体积 ， 39 学 高中化学选择性必修 3 （人教版） 变式训练答案 1. D ２. C 故体积变化量 ΔV＝1－ y 4 ， 则当 y=4 时， ΔV=0 ， 即反应前后气体体积不变； y>4 时， ΔV<0 ， 即反应后气体体积增大； y<4 时， ΔV>0 ， 即反应后气体体积减小 ! # # # # # " # # # # # $ 。 ② 若温度小于 100 ℃ ， 即 H 2 O 呈非气态， 则反应前后气体体积的变化量 ΔV＝1＋ x＋ y 4 -x=1+ y 4 ， 即反应后气体体积减 小。 2． 平均值法确定混合物的组成 （ 1 ） M 对于任何烃混合物， M 在 16~26 之 间， 一定含 CH 4 ； 对于任何烯烃混合物， M 在 28~42 之间， 一定含 C 2 H 4 ； 对于任何炔烃混合物， M 在 26~40 之间， 一定含 C 2 H 2 ! # # # # # # # # # # # # # " # # # # # # # # # # # # # $ 。 （ 2 ） 平均分子式 C x H y 中 x＜2 时， 烃中一 定含 CH 4 。 例 25 ℃ 、 101 kPa 时， 乙烷、 乙炔和丙 烯组成的混合烃 32 mL 与过量氧气混合 并完全燃烧， 除去水蒸气， 恢复到原来 的温度和压强， 气体总体积缩小了 72 mL ， 原混合烃中乙炔的体积分数为 （ ） A． 12.5% B． 25% C． 50% D． 75% 解析： 乙烷、 乙炔和丙烯完全燃烧的化 学方程式分别为 C 2 H 6 ＋ 7 2 O 2 点燃 2CO 2 ＋3H 2 O …… ① C 2 H 2 ＋ 5 2 O 2 点燃 2CO 2 ＋H 2 O …… ② C 3 H 6 ＋ 9 2 O 2 点燃 3CO 2 ＋3H 2 O …… ③ 由 ①②③ 式知， 在 25 ℃ 、 101 kPa 时， 1 mL C 2 H 6 完 全 燃 烧 ， 气 体 会 减 少 1+ 7 2 - % & 2 mL＝2.5 mL ； 1 mL C 2 H 2 完 全 燃 烧 ， 气 体 会 减 少 1+ 5 2 - % & 2 mL＝1.5 mL ； 1 mL C 3 H 6 完 全 燃 烧 ， 气 体 会 减 少 1+ 9 2 - % & 3 mL＝2.5 mL ； 设 C 2 H 6 和 C 3 H 6 共 x mL ， C 2 H 2 为 y mL ， 可列方程组： x+y=32 2.5x+1.5y=7 7 2 解得 x＝24 ， y＝8 。 故原混合烃中乙炔的体积分数为 8 32 × 100%＝25% 。 答案： B 40