3.2 芳香烃（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中化学选择性必修3（苏教版2019）

第二单元　芳香烃 课程标准 核心素养 　　能运用宏观和微观相结合的方法推测苯的结构；能描述苯的分子结构特征与性质之间的关系；能通过实验探究认识苯及其同系物的化学性质；能举例说明有机物中基团之间的相互作用对有机物性质的影响；能举例说明反应条件对有机反应产物的影响与意义；认识芳香烃对人类生活和现代社会发展的影响。 1.(宏观辨识与微观探析)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。 2．(变化观念与平衡思想)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。 一、芳香烃及苯的结构 1．芳香烃 (1)概念：分子中含有苯环的碳氢化合物。 (2)分类 ①苯的同系物：苯分子中的氢原子被烷基取代后的产物。 分子结构特点：分子中只含一个苯环，侧链是烷基。 分子组成通式：CnH2n－6(n≥6，n为整数)。 ②多环芳烃 a．多苯代脂肪烃：多个苯环通过脂肪烃基连在一起，如二苯甲烷()。 b.联苯(联多苯)：苯环之间通过碳碳单键直接相连，如联苯()。 c．稠环芳烃：苯环间通过共用苯环的若干条环边而形成，如蒽()。 2．苯的分子组成及结构特点 (1)苯分子为平面正六边形结构，分子中12个原子共平面。 (2)苯分子中不存在独立的碳碳单键(C—C)和碳碳双键(C===C)，6个碳碳键完全相同，是一种介于碳碳单键和碳碳双键之间的独特的化学键。 二、苯的化学性质 1．取代反应 (1)苯的溴化 实验 装置 实验 现象 将苯和液溴加入三颈烧瓶，剧烈反应，出现沸腾现象，烧瓶中充满红棕色气体，导管口有白雾冒出，反应完毕，加入NaOH溶液，下层红褐色油状液体变为无色油状液体 结论 在FeBr3作催化剂时，苯和溴单质发生取代反应，生成溴苯和溴化氢，反应的化学方程式为 实验问题探究： ①直形冷凝管中冷凝水的流向为下口进(填“上口”或“下口”，下同)，上口出，冷凝管除导气外还兼起冷凝回流作用。 ②导气管末端应接近液面而不能伸入液面以下，原因为HBr易溶于水，防止液体倒吸。 ③碱石灰的作用为吸收尾气，防止污染空气。 [微点拨]　直接向锥形瓶中加入硝酸银溶液不能证明有溴化氢生成，应先用四氯化碳除去挥发出来的溴单质。 (2)苯的硝化反应 实验装置： 反应原理： 现象：加热几分钟，反应完毕，将混合液倒入盛有水的烧杯中，在烧杯底部出现无色油状液体。 [微点拨]　①硝基苯难溶于水，密度比水的大，有苦杏仁味。 ②长导管作用：平衡气压，冷凝回流挥发的苯和硝酸。 ③水浴加热的原因 a．使反应物受热均匀，便于控制温度。 b．防止温度过高，导致反应物挥发和硝酸分解。 ④如温度升高至100～110 ℃时，会生成间二硝基苯，反应的化学方程式为 ＋2HNO3＋2H2O ⑤温度计的放置：温度计应放在水浴中，控制水浴温度。 2．加成反应 在催化剂镍的作用下，苯和H2在180～250 ℃、压强为18 MPa条件下，发生加成反应，化学方程式为。 三、芳香烃的来源及应用 1．芳香烃的来源 芳香烃最初来源于煤焦油中，随着石油化学工业的兴起，现代工业生产中芳香烃主要来源于石油化学工业中的催化重整和裂化。 2．芳香烃的应用 (1)苯是生产苯酚、硝基苯、苯胺、环己烷、二氯苯、氯苯、苯乙烯等重要有机化合物的原料。通过这些有机化合物又可生产多种合成树脂、合成纤维、染料、医药、洗涤剂、合成橡胶、炸药等。 (2)苯和二甲苯是制造多种合成树脂、合成橡胶、合成纤维的原料，也是应用广泛的有机溶剂。乙苯是制苯乙烯的原料，生活中常见的包装材料、泡沫塑料等大多是由苯乙烯为单体聚合成的聚苯乙烯制成。高级烷基苯是制造表面活性剂的重要原料，稠环芳烃中萘是制造染料和增塑剂的重要原料。 四、苯的同系物及化学性质 1．苯的同系物的组成及结构特点 (1)甲苯(C7H8)结构简式为 (2)分子式C8H10对应的苯的同系物有4种同分异构体，分别为 2．苯的同系物的化学性质 (1)氧化反应 实验探究： ①向盛有甲苯和二甲苯的试管中分别滴加3～5滴酸性KMnO4溶液，振荡试管； ②实验现象：酸性KMnO4溶液褪色； ③原理：； 。 ④实验结论 a．苯的同系物大多能被酸性KMnO4溶液氧化，。 只有与苯环直接相连的碳原子上连接有氢原子，该苯的同系物才能使酸性KMnO4溶液褪色。 b．鉴别苯和甲苯的方法：各滴加3～5滴酸性KMnO4溶液，溶液褪色的是甲苯。 (2)甲苯在不同条件下发生硝化反应的化学方程式。 2，4，6­三硝基甲苯为淡黄色针状晶体，可作烈性炸药，俗称TNT。 (3)甲苯与氢气发生加成反应的化学方程式： 微辨析(判一判) (1)甲苯能使酸性KMnO4溶液褪色而苯不能，是因为甲基对苯环产生了影响(　　×　　) (2)甲苯在一定条件下与硝酸反应生成2，4，6­三硝基甲苯，说明苯环对甲基产生了影响(　　×　　) (3)现代工业中芳香烃可通过石油的常压分馏及减压分馏获得(　　×　　) (4)苯的一氯代物只有一种结构，说明苯分子中的碳碳键完全相同，不存在单双键交替排列的形式(　　×　　) (5)苯分子中6个碳碳键键长、键能都相等，说明苯分子中不存在单双键交替结构(　　√　　) (6) 和为同一物质，说明苯环中的碳碳键完全相同(　　√　　) 探究一 苯及其同系物的化学性质 仔细观察苯、甲苯与酸性高锰酸钾溶液、溴水混合后现象。 [问题探究] (1)苯为何不能使酸性高锰酸钾溶液褪色？ 提示：苯中碳碳键没有单、双键之分。 (2)苯使溴水褪色是化学变化过程吗？ 提示：是萃取，属于物理过程。 (3)甲苯为何能使酸性高锰酸钾溶液紫色褪去？ 提示：苯环对甲基产生了影响，使甲基活性增强。 1．苯和苯的同系物的比较 苯 苯的同系物 相同点 组成与 结构 ①分子中都含有一个苯环 ②都符合分子式通式CnH2n－6(n≥6，n为整数) 化学 性质 ①燃烧时现象相同，火焰明亮，伴有浓烟，燃烧通式为CnH2n－6＋(n－1)O2nCO2＋(n－3)H2O ②都易发生苯环上的取代反应 ③都能发生加成反应，但反应都比较困难 不同点 取代 反应 易发生取代反应，主要得到一元取代产物 更容易发生取代反应，常得到多元取代产物 氧化 反应 难被氧化，不能使酸性KMnO4溶液褪色 易被氧化剂氧化，能使酸性KMnO4溶液褪色 差异 原因 苯的同系物分子中，苯环与侧链相互影响，苯环影响侧链，使侧链烷烃基性质活泼而易被氧化。侧链烷烃基影响苯环，使苯环邻、对位的氢更活泼而易被取代 2.苯环与侧链的关系 苯的同系物分子中，苯环与侧链相互影响，使苯的同系物与苯的性质有不同之处： (1)苯环影响侧链：使侧链烷烃基性质活泼而易被氧化。苯的同系物被氧化时，不论它的侧链长短如何，氧化都发生在跟苯环直接相连的碳原子上。 (2)侧链对苯环的影响：使苯环上侧链相连的碳原子的邻、对位碳原子上的氢原子变得活泼。甲苯与硝酸在100 ℃下反应时，生成三硝基甲苯，而苯与硝酸在100～110 ℃下反应时才能生成二硝基苯。 【例1】 某化学课外小组的同学用如图所示装置制取溴苯。 先向分液漏斗中加入苯和液溴，再将混合液慢慢滴入反应器A中(A下端活塞关闭)。 (1)写出A中反应的化学方程式：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)A中观察到的现象是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)实验结束时，打开A下端的活塞，让反应液流入B中，充分振荡，目的是______________________，写出有关的化学方程式：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)C中盛放CCl4的作用是__________________________________________________。 (5)要证明苯和液溴发生的是取代反应，而不是加成反应，可向试管D中加入AgNO3溶液，若产生淡黄色沉淀，即能证明。另一种验证的方法是向试管D中加入____________，现象是________________。 答案：(1)2Fe＋3Br2===2FeBr3、 ＋Br2 ＋HBr (2)剧烈反应，有红棕色气体充满A容器，溶液底部有红褐色油状液体出现 (3)除去溶于溴苯中的溴　Br2＋2NaOH===NaBr＋NaBrO＋H2O(或3Br2＋6NaOH===5NaBr＋NaBrO3＋3H2O) (4)除去溴化氢气体中的溴蒸气等 (5)石蕊溶液(其他合理答案均可)　溶液变红色 解析：在铁存在的条件下，苯和液溴在装置A中反应，生成的HBr及挥发出的少量苯和溴蒸气由长导管进入CCl4中，苯和溴蒸气被吸收，HBr进入装置D中被H2O吸收。反应结束后，A中混合液放入装置B中，多余的Br2被NaOH溶液消耗，A中反应生成的溴苯和苯处于装置B液体的下层。 1．实验室制备硝基苯的实验装置如图所示(夹持装置已略去)。下列说法不正确的是(　　) A．水浴加热的优点为使反应物受热均匀，容易控制温度 B．仪器a的作用是冷凝回流，提高原料的利用率 C．浓硫酸、浓硝酸和苯混合时，应先向浓硫酸中缓缓加入浓硝酸，待冷却至室温后，再将苯逐滴滴入 D．反应完全后，可用蒸馏的方法分离苯和硝基苯 C　解析：水浴加热的优点为使反应物受热均匀，容易控制温度，A正确；球形冷凝管可冷凝回流反应物，则仪器a的作用是冷凝回流，提高原料的利用率，B正确；混合时先加浓硝酸，后向浓硝酸中缓缓加入浓硫酸，最后加苯，则混合时，应向浓硝酸中逐滴滴入浓硫酸，待冷却至室温后，再向所得混合物中加入苯，C错误；苯和硝基苯混溶，可根据沸点差异利用蒸馏的方法分离苯和硝基苯，D正确。 探究二 苯及其同系物的结构 认识下列有机物： ①CH2===CH2　②CH3—C≡CH ③ CH===CH2　④ C2H5 ⑤ CH===CH2CH3 [问题探究] (1)③、④的名称是什么？ 提示：CH===CH2的名称是苯乙烯；C2H5的名称是乙苯。 (2)上述有机物中，所有原子可能在同一平面上的有哪些？ 提示：CH2===CH2、CH===CH2。 (3)④的同分异构体有多种，其中属于芳香烃的结构有几种？ 提示：3种。 1．苯的同系物同分异构体数目的判断 由于苯环的结构特殊并具有高度对称性，因此含有苯环结构的有机物的同分异构体也有其特殊的地方。 (1)对称法： 苯分子中所有的氢原子的化学环境相同，含有多条对称轴，但是苯环上连有取代基时，其对称性就会受到影响，如邻二甲苯有1条对称轴，间二甲苯有1条对称轴，而对二甲苯有2条对称轴，故邻二甲苯苯环上的一氯代物有2种，而间二甲苯苯环上的一氯代物有3种，对二甲苯苯环上的一氯代物有1种。如图所示(箭头方向表示可以被氯原子取代的氢原子位置)： (2)换元法： 对于芳香烃，若苯环上氢原子数为m，且有a＋b＝m，则该芳香烃苯环上的a元卤代物和b元卤代物的同分异构体种类相同。如对二甲苯苯环上的一氯取代物共有1种，则其苯环上的三氯取代物也为1种。 (3)定一(或二)移一法： 苯环上连有两个取代基时，可固定一个，移动另一个，从而写出邻、间、对三种同分异构体；苯环上连有三个取代基时，可先固定两个取代基，得到几种结构，再逐一插入第三个取代基，从而确定出同分异构体的数目。 2．有机物分子的共面、共线问题 (1)四种代表物的空间结构 甲烷呈四面体形结构，其中3个原子共面；乙烯的6个原子共面，为平面形结构；乙炔的4个原子共线，为直线形结构；苯的12个原子共面，为平面正六边形结构。 (2)判定有机化合物分子中原子共线、共面的基本方法 ①以上4种分子中的氢原子如果被其他原子(如C、O、N、Cl等)所取代，则取代后的分子构型基本不变。 ②共价单键可以自由旋转，共价双键和共价三键则不能旋转。 ③若在分子结构中有一个碳原子形成四个单键，则该分子中所有原子不可能共面。 ④若两个平面形结构通过一个碳碳单键相连接，则所有原子可能共平面。在中学所学的有机化合物中，所有的原子能够共平面的有CH2===CH2、CH≡CH、C6H6、CH===CH2、CH2===CH—CH===CH2、等。 ⑤分子中，结构中的所有原子共平面，把甲基看作一个可旋转的方向盘，连接苯环和甲基的单键看作该方向盘的轴，通过旋转仅能使甲基中的一个氢原子转到苯环所在的平面内。 【例2】 某烃的结构简式为C≡C—CH===CH—CH3，有关其结构的说法正确的是(　　) 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　解析：该分子可表示为 根据乙烯、苯为平面形结构，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，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．下列说法正确的是(　　) A. 、都是苯的同系物 B．苯和甲苯都能发生取代反应 C．的一氯取代产物有8种 D.甲苯和苯乙烯都能使溴水褪色，两者褪色原理相同 B　解析：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CH===CH2、都不是苯的同系物，A错误；是具有对称结构的芳香烃，因C—C能够旋转，故其一氯代物只有4种，C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错误。 1．分子式为C10H14的苯的同系物，共有3个甲基，符合条件的结构有(　　) A．3种 B．6种 C．9种 D．10种 D　解析：分子式为C10H14的苯的同系物，共有3个甲基，可能为苯环上连有—C(CH3)3，只有1种可能结构；也可能为苯环上连有—CH3、—CH(CH3)2，有邻、间、对3种可能结构；还可能为苯环上连有—CH3、—CH3、—CH2CH3，先固定—CH3、—CH3，在苯环上分别处于邻、间、对三种位置，再移动—CH2CH3，分别有2种、3种、1种可能结构，因此总共有10种符合条件的结构。 2．下列能说明苯环对侧链的性质有影响的是(　　) A．甲苯在100 ℃时与硝酸发生取代反应生成三硝基甲苯 B．甲苯能使热的酸性KMnO4溶液褪色 C．甲苯在FeBr3催化下能与液溴反应 D．1 mol甲苯最多能与3 mol H2发生加成反应 B　解析：甲苯和苯都能与浓硝酸、浓硫酸发生取代反应，甲苯生成三硝基甲苯说明了甲基对苯环的影响，A错误；甲苯可看作是CH4中的1个H被—C6H5取代，苯、甲烷均不能被酸性KMnO4溶液氧化而使其褪色，甲苯能被酸性KMnO4溶液氧化为苯甲酸，苯环未变化，侧链甲基被氧化为羧基，说明苯环影响甲基的性质，B正确；甲苯和苯在FeBr3催化作用下都能与液溴发生取代反应，所以不能说明苯环对侧链有影响，C错误；苯、甲苯都能与H2发生加成反应，是苯环体现的性质，不能说明苯环对侧链的性质产生影响，D错误。 3．苯并芘是一种致癌物、致畸源及诱变剂，也是多环芳香烃中毒性最大的一种强致癌物。已知废旧橡胶含多环芳香烃苯并芘，其结构如图所示，该物质高度致癌。下列说法正确的是(　　) A．该物质的分子式为C20H18 B．该分子中所有碳原子共面 C．该物质为苯的同系物 D．该分子能使溴的四氯化碳溶液褪色 B　解析：由结构简式可以知道苯并芘的分子式为C20H12，A错误；该分子中苯环为平面结构，所以分子中所有碳原子都在同一平面上，B正确；该分子中含有多个苯环结构单元，而苯的同系物中只有1个苯环，结构不相似，则不是苯的同系物，C错误；该分子中不含碳碳双键结构，不能使溴的四氯化碳溶液褪色，D错误。 4．芳香烃最初来源于煤，通过煤的干馏获得，下列有关煤的综合利用的说法正确的是(　　) 已知：酚类分子中含有羟基。 A．干馏是将煤在空气中加强热使其分解的过程，为化学变化 B．煤焦油通过蒸馏分离的苯、甲苯、二甲苯、萘和蒽都属于苯的同系物 C．B为CH3OH时，原子利用率可达到100% D．萘、蒽和酚类物质都含有苯环，属于芳香烃 C　解析：干馏是在隔绝空气的条件下进行的，A错误；通过蒸馏可以分离出甲苯、苯、二甲苯、萘和蒽，但萘()和蒽()不属于苯的同系物，B错误；气体A为CO和H2，合成CH3OH的反应为CO＋2H2CH3OH，原子利用率为100%，C正确；酚类分子中含有羟基，属于芳香族化合物，不属于芳香烃，D错误。 5．下列苯的同系物分别与液溴和铁粉发生反应，苯环上的氢原子被取代，所得一溴代物有三种同分异构体的是(　　) A．邻二甲苯 B．CH3C2H5 C.对二甲苯 D．乙苯 D　解析：苯的同系物可通过画对称轴来判断同分异构体的种类，对称位置上的取代产物是同一种取代产物。例如，邻二甲苯的对称轴为，其中3和6、4和5是对称位置，则邻二甲苯苯环上的一元取代产物只有两种，用同样的方法可判断出乙苯苯环上的一元取代物有三种同分异构体，对二甲苯苯环上的一元取代物只有一种。B项苯环上的一元取代物有四种同分异构体。 [课时梯级训练(7)见P167] 学科网（北京）股份有限公司 $$