2.1 烷烃【基础必牢】化学人教版选择性必修3

2.1 烷烃 一、甲烷的结构及性质 1．甲烷分子的组成与结构 分子式 电子式 结构式 结构简式 球棍模型 空间充填模型 CH4 CH4 结构特点 CH4的空间结构为正四面体形，碳原子位于正四面体的中心，4个氢原子分别位于4个顶点。分子中的4个C－H的长度和强度相同，相互之间的夹角相等，键角为109°28′ 2．甲烷的物理性质：无色、无味、极难溶于水、密度比空气小的气体 3．甲烷的化学性质——通常情况下，甲烷比较稳定，与强酸、强碱或高锰酸钾等强氧化剂等不反应 （1）甲烷的氧化反应——燃烧反应 甲烷与氧气燃烧的化学方程式：CH4＋2O2CO2＋2H2O ①甲烷是优良的气体燃料，通常状况下，1 mol甲烷在空气中完全燃烧，生成二氧化碳和水，放出890 kJ热量。因此以甲烷为主要成分的天然气、沼气是理想的清洁能源 ②甲烷具有可燃性，点燃甲烷之前一定要检验甲烷的纯度 ③煤矿中的爆炸事故多与CH4气体爆炸有关。为了保证安全生产，必须采取通风、严禁烟火等措施 易错提醒 （2）甲烷的取代反应 ①实验探究 实验过程 取两支试管，均通过排饱和食盐水的方法先后各收集半试管CH4和半试管Cl2，分别用铁架台固定好。将其中一支试管用铝箔套上，另一试管放在光亮处(不要放在日光直射的地方)。静置，比较两支试管内的现象 实验装置 实验现象 A装置 ①试管内气体颜色逐渐变浅 ②试管内壁有油状液滴出现 ③试管中有少量白雾生成 ④试管内液面上升 ⑤水槽中有固体析出 B装置 无明显现象 实验结论 CH4与Cl2在光照时才能发生化学反应 ②反应的机理 ③化学反应方程式 CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl CH3Cl＋Cl2CH2Cl2＋HCl CH2Cl2＋Cl2CHCl3＋HCl CHCl3＋Cl2CCl4＋HCl ④取代反应：有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应叫做取代反应 a．反应条件：光照，其光照为漫射光，在室温暗处不发生反应，但不能用日光或其他强光直射，以防爆炸 b．对反应物状态的要求：卤素单质的气态，如甲烷和溴蒸气、碘蒸气在光照条件下也能发生取代反应，但CH4与氯水、溴水则不反应 c．反应产物：虽然反应物的比例、反应时间的长短等因素会造成各种产物的比例不同，但甲烷与氯气反应生成的产物都是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4四种有机物与HCl形成的混合物。反应产物中HCl的物质的量最多 d．反应特点——连锁反应：甲烷分子中的氢原子被氯原子逐步取代，第一步反应一旦开始，后续反应立即进行，且各步反应可同时进行。即当n(CH4)∶n(Cl2)＝1∶1时，并不只发生反应CH4＋Cl2 CH3Cl＋HCl，其他反应也在进行 e．定量关系——n(X2)＝n(一卤代物)＋2n(二卤代物)＋3n(三卤代物)＋…＝n(HX) 易错提醒 （3）甲烷的受热分解：CH4C＋2H2 (分解温度通常在1000°C以上，说明甲烷的热稳定性很强) 二、烷烃的结构和性质 1．烷烃的结构特点 （1）烷烃的概念：有机化合物中只含有碳和氢两种元素，分子中的碳原子之间都以单键结合，碳原子的剩余价键均与氢原子结合，使碳原子的化合价都达到“饱和”，称为饱和烃，又称烷烃 （2）典型烷烃分子结构的分析 名称 球棍模型 结构简式 分子式 碳原子的杂化方式 分子中共价键的类型 甲烷 CH4 CH4 sp3 C－H σ键 乙烷 CH3CH3 C2H6 sp3 C－H σ键、 C－C σ键 丙烷 CH3CH2CH3 C3H8 sp3 C－H σ键、 C－C σ键 正丁烷 CH3CH2CH2CH3 C4H10 sp3 C－H σ键、 C－C σ键 正戊烷 CH3CH2CH2CH2CH3 C5H12 sp3 C－H σ键、 C－C σ键 （3）烷烃的结构特点 ①杂化方式：烷烃的结构与甲烷的相似，其分子中的碳原子都采取sp3杂化，以伸向四面体4个顶点方向的sp3杂化轨道与其他碳原子或氢原子结合，形成σ键 ②空间结构：以碳原子为中心形成若干四面体空间结构，碳链呈锯齿状排列 ③键的类型：烷烃分子中的共价键全部是单键(C－C、C－H) ④呈链状(直链或带支链)：多个碳原子相互连接成链状，而不是封闭式环状结构 （4）链状烷烃的通式：CnH2n＋2(n≥1) 2．烷烃的物理性质 几种常见烷烃的熔点、沸点和密度 名称 分子式 结构简式 常温下状态 熔点/0C 沸点/0C 密度/( g·cm－3) 甲烷 CH4 CH4 气 －182 －164 0.423 乙烷 C2H6 CH3CH3 气 －172 －89 0.545 丙烷 C3H8 CH3CH2CH3 气 －187 －42 0.501 正丁烷 C4H10 CH3CH2CH2CH3 气 －138 －0.5 0.579 正戊烷 C5H12 CH3(CH2)3CH3 液 －129 36 0.626 正壬烷 C9H20 CH3(CH2)7CH3 液 －54 151 0.718 十一烷 C11H24 CH3(CH2)9CH3 液 －26 196 0.740 十六烷 C16H34 CH3(CH2)14CH3 液 18 280 0.775 十八烷 C18H38 CH3(CH2)16CH3 固 28 308 0.777 （1）状态：一般情况下，1～4个碳原子烷烃(烃)为气态，5～16个碳原子为液态，16个碳原子以上为固态 （2）溶解性：都难溶于水，易溶于有机溶剂 （3）熔、沸点：随着碳原子数增加，烷烃的相对分子质量逐渐增大，范德华力逐渐增大，烷烃分子的熔、沸点逐渐升高；分子式相同的烷烃，支链越多，熔、沸点越低，如熔、沸点：正丁烷＞异丁烷 （4）密度：随着碳原子数的递增，密度逐渐增大，但比水的小 3．烷烃的化学性质 烷烃的化学性质比较稳定，常温下不能被酸性高锰酸钾溶液氧化，也不与强酸、强碱及溴的四氯化碳溶液反应 （1）烷烃的氧化反应——可燃性 ①烷烃燃烧的通式：CnH2n＋2＋O2nCO2＋(n＋1)H2O ②在空气或氧气中点燃烷烃，完全燃烧的产物为CO2和H2O，相但在同状况下随着烷烃分子里碳原子数的增加往往会燃烧越来越不充分，使燃烧火焰明亮，甚至伴有黑烟 （2）烷烃的特征反应——取代反应 ①烷烃的取代反应：CnH2n＋2＋X2CnH2n＋1X＋HX，CnH2n＋1X可与X2继续发生取代反应 ②光照条件下，乙烷与氯气发生取代反应：CH3CH3＋Cl2CH3CH2Cl＋HCl (只要求写一氯取代) a．原因：之所以可以发生取代反应，是因为C－H有极性，可断裂，CH3CH2Cl会继续和Cl2发生取代反应，生成更多的有机物 b．化学键变化情况：断裂C－H键和Cl－Cl键，形成C－Cl键和H－Cl键 a．烷烃的取代反应是在光照条件下与纯净的卤素单质反应 b．反应的特点：烷烃与X2取代反应为连锁反应，烷烃中的氢原子被卤素原子逐步取代，多步反应同时进行，即第一步反应一旦开始，后续反应立即进行，所以产物较为复杂，不适宜制备卤代烃 c．反应产物：烷烃与氯气也可以是溴蒸气在光照条件下发生的取代反应，随着烷烃碳原子数的增多，产物越将会越来越多，但HCl最多；而生成的取代产物的种类将会更多，如甲烷的氯代物有：一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷共四种氯代物，乙烷的氯代物产物将会更多(9种) d．定量关系：1 mol卤素单质只能取代1 mol H，同时生成1 mol HX 易错提醒 （3）烷烃的分解反应(高温裂化或裂解)——应用于石油化工和天然气化工生产中 烷烃受热时会分解，生成含碳原子数较少的烷烃和烯烃，如：C16H34C8H16＋C8H18 4．烷烃的存在：天然气、液化石油气、汽油、柴油、凡士林、石蜡等，它们的主要成分都是烷烃 三、同系物 名称 甲烷 乙烷 丙烷 分子式 CH4 C2H6 C3H8 相邻分子间关系 相邻烷烃分子在组成上均相差一个CH2原子团 1．定义：结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质，互称为同系物 如：CH4、C2H6、C3H8互为同系物 2．判断方法 ①一差：两种物质分子组成上相差一个或多个“CH2”原子团 ②二同：具有相同的通式，两种物质属于同一类物质 ③二相似：两种物质结构相似，化学性质相似 ①同系物的研究对象一定是同类有机物，根据分子式判断一系列物质是不是属于同系物时，一定要注意这一分子式表示的是不是一类物质，如：CH2==CH2(乙烯)与(环丙烷)不互为同系物 ②同系物的结构相似，主要指化学键类型相似，分子中各原子的结合方式相似。对烷烃而言就是指碳原子之间以共价单键相连，其余价键全部结合氢原子。同系物的结构相似，并不是相同。如：和CH3CH2CH3，前者有支链，而后者无支链，结构不尽相同，但两者的碳原子均以单键结合成链状，结构相似，故为同系物 ③根据物质的结构简式判断物质是不是属于同系物，要注意所给的物质是不是分子式相同，如：CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2属于同分异构体 ④同系物一定满足同一通式，但通式相同的有机物不一定是同系物，如：CH2==CH2和均满足通式CnH2n(n≥2，n为正整数)，但因二者结构不相似，故不互为同系物 ⑤同系物的组成元素相同，同系物之间相对分子质量相差14n(n＝1，2，3……) ⑥同系物一定具有不同的分子式 ⑦同系物的化学性质相似，物理性质随着碳原子数的增加而发生规律性的变化 易错提醒 四、烃基和烷基的概念 1．烃基：烃分子中去掉1个氢原子后剩余的基团称为烃基，烃基一般用“－R”来表示 2．烷基：像这样由烷烃去掉一个氢原子后剩余的基团叫烷基，烷基的组成通式为－CnH2n＋1。常见的烷基有： 名称 甲基 乙基 正丙基 异丙基 结构简式 －CH3 －CH2CH3或－C2H5 －CH2CH2CH3 3．特点：中性基团，不能独立存在，烃基中短线表示一个电子 4．基团的质子数和电子数的算法：直接等于各原子的质子数和电子数之和 质子数 电子数 甲基(－CH3) 6＋3＝9 6＋3＝9 羟基(－OH) 8＋1＝9 8＋1＝9 5．根和基的区别：“根”带电荷，“基”不带电荷；根能独立存在，而基不能单独存在 五、烷烃的习惯命名法 1．原则：碳原子数后加“烷”字 2．碳原子数的表示方法 （1）碳原子数在十以内的，依次用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸来表示；碳原子数在十以上的用汉字数字表示 n≤10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷 己烷 庚烷 辛烷 壬烷 癸烷 n＞10 用汉字数字代表，如：C11H24叫十一烷，C17H36叫十七烷 （2）同分异构体数目较少时：“正”“异”“新”区别，如分子式为C5H12的同分异构体有3种 名称 正戊烷 异戊烷 新戊烷 结构简式 CH3CH2CH2CH2CH3 六、烷烃的系统命名法 1．选主链，称“某烷”：最长、最多定主链 (选主链的原则：优先考虑长等长时考虑支链最多) （1）最长：选定分子中最长的碳链作为主链，并按照主链上碳原子的数目称为“某烷”，连接在主链上的支链作为取代基。如： 应选含6个碳原子的碳链为主链，如虚线所示，称为“己烷” （2）最多：当出现两条或多条等长的碳链时，要选择连有取代基数目多的碳链为主链。如： 主链最长(7个碳)时，选主链有a、b、c三种方式，其中：a有3个支链、b有2个支链、c有2个支链，所以方式a正确 2．编号位，定支链 (编号位的原则：首先要考虑“近”；同“近”，考虑“简” ；同“近”，考虑“小”) （1）最近：选定主链中离取代基最近的一端为起点，用1、2、3等阿拉伯数字给主链上的各个碳原子编号定位，以确定取代基在主链中的位置。即：首先要考虑“近”，如： （2）最简：若有两个不同的支链，且分别处于距主链两端同近的位置，则从较简单的支链一端开始编号。即：同“近”，考虑“简”。如： （3）最小：若有两个相同的支链，且分别处于距主链两端同近的位置，而中间还有其它支链，从主链的两个方向编号，可得两种不同的编号系列，两系列中各支链位次之和最小者即为正确的编号。即：同“近”、同“简”时考虑“小”。(或从离第三个支链最近的一端开始编号)。如： 方式一的位号和为2＋4＋5＝11 方式二的位号和为2＋3＋5＝10，10＜11 所以方式二正确 3．写名称：按“取代基位次－取代基名称－母体名称”的顺序书写 格式：位号－支链名－位号－支链名某烷 （1）取代基，写在前，标位置，短线连：将支链的名称写在主链名称的前面，在支链的前面用阿拉伯数字注明它在主链上所处的位置，并在数字与名称之间用一短线隔开 名称 2－甲基丁烷 （2）不同基，简到繁：如果主链上有几个不同的支链，把简单的写在前面，把复杂的写在后面 名称 4－甲基－3－乙基庚烷 （3）相同基，合并算：如果主链上有相同的支链，可以将支链合并起来，用“二”、“三”等数字表示支链的个数。两个表示支链位置的阿拉伯数字之间需用“，”隔开 名称 2，3－二甲基己烷 （1）表示取代基位号的阿拉伯数字“2，3，4......”等数字相邻时，必须用“，”相隔，不能用“、” （2）名称中阿拉伯数字与汉字相邻时，必须用短线“－”隔开 （3）取代基的位号必须用阿拉伯数字“2、3、4......”表示，位号没有“1” （4）相同取代基合并算，必须用中文数字“二、三、四......”表示其个数，“一”省略不写 （5）若有多种取代基，不管其位号大小如何，都必须把简单的写在前面，复杂的写在后面 （6）在烷烃命名中不可能出现“1－甲基、2－乙基，3－丙基”这样的取代基 易错提醒 七、同分异构体、同分异构现象 正丁烷和异丁烷物理性质的比较 名称 分子式 结构简式 熔点/0C 沸点/0C 相对密度 正丁烷 C4H10 CH3CH2CH2CH3 －138.4 －0.5 0.5788 异丁烷 C4H10 －159.6 －11.7 0.557 1．同分异构体、同分异构现象 （1）同分异构现象：化合物具有相同的分子式，但具有不同的结构的现象 （2）同分异构体：具有同分异构现象的化合物互称为同分异构体 （3）同分异构体特点 ①分子式相同，即：化学组成和相对分子质量相同 ②可以是同类物质，也可以是不同类物质 ③结构不同，性质可能相似也可能不同 ④同分异构体之间的转化是化学变化 ①同分异构体要求分子式相同，但结构不同，二者缺一不可；分子式相同，则相对分子质量相等，但相对分子质量相等的物质，分子式不一定相同，如：CO和C2H4 ②结构不同意味着同分异构体不一定是同类物质，如：CH3CH2CH==CH2和 ③同分异构体的结构一定不同，因此它们的物理性质存在差异；如果同分异构体的结构相似，属于同类物质，则它们的化学性质相似；如果同分异构体是不同类别的物质，则它们的化学性质不同 ④烷烃中，甲烷、乙烷、丙烷不存在同分异构体，其他烷烃均存在同分异构体，且同分异构体的数目随碳原子数的增加而增多，如：丁烷有2种同分异构体、己烷有5种同分异构体、癸烷有75种同分异构体。同分异构现象是有机物种类繁多的原因之一 易错提醒 2．同系物、同分异构体、同位素、同素异形体的比较 同位素 同素异形体 同系物 同分异构体 概念 质子数相同而中子数不同的同一种元素的不同原子 由同种元素形成的不同单质 结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质 分子式相同，但结构不同的化合物 对象 原子 单质 有机化合物 无机化合物、有机化合物 性质 化学性质几乎完全相同，物理性质略有差异 化学性质相似，物理性质差异较大 化学性质相似，熔沸点、密度规律性变化 化学性质相似或不同，物理性质有差异 八、烷烃同分异构体的书写：烷烃只存在碳链异构，书写烷烃同分异构体时一般采用“减碳对称法” 1．书写步骤：以C6H14为例 第一步 将分子中所有碳原子连成直链作为主链 第二步 从主链一端取下一个碳原子作为支链(即甲基)，依次连在主链对称轴一侧的各个碳原子上，此时碳骨架有两种，甲基不能连在①位和⑤位碳原子上，否则与原直链时相同；对于(b)中②位和④位碳原子等效，只能用一个，否则重复 第三步 从主链上取下两个碳原子作为一个支链(即乙基)或两个支链(即两个甲基)依次连在主链对称轴一侧的各个碳原子上，此时碳骨架结构有两种，②位或③位碳原子上不能连乙基，否则主链上会有5个碳原子，则与(b)中结构重复 故C6H14共有5种同分异构体 （1）两注意：①选择碳原子数最多的碳链为主链；②找出对称轴 （2）四句话：主链由长到短，支链由整到散，位置由心到边，排列对、邻到间 （3）取代基不能连在末端，否则与原直链时相同 （4）从母链上取上的碳原子数，不得多于母链所剩余的碳原子数 易错提醒 2．常见烷烃同分异构体书写——CnH2n+2，只可能存在碳链异构 （1）甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的找法 烷烃 甲烷 乙烷 (C2H6) 丙烷 (C3H8) 丁烷 (C4H10) 结构简式 CH4 CH3－CH3 CH3－CH2－CH3 个数 1 1 1 2 （2）戊烷、己烷、庚烷的找法 烷烃 结构简式 个数 戊烷 C5H12 3 己烷 C6H14 5 庚烷 C7H16 9 九、烷烃烃基的找法、一卤代烃的找法和多卤代烃的找法 1．烷烃烃基的找法 （1）甲基、乙基、丙基的找法 烷烃 甲基 乙基 丙基 结构简式 －CH3 －CH2CH3或－C2H5 个数 1 1 2 （2）丁基、戊基的找法 烷烃 结构简式 个数 丁基 4 戊基 、 8 2．等效氢原子法(对称法) （1）同一个碳原子上连接的氢原子等效，如：甲烷(CH4)分子中4个氢原子是等效的 （2）同一个碳原子上所连接的甲基上的氢原子等效，如：新戊烷()分子中四个甲基等效，各甲基上的氢原子完全等效，也就是说新戊烷分子中的12个H原子是等效的 （3）分子中处于对称位置上的氢原子是等效的，如：正丁烷(CH3CH2CH2CH3)分子中两端的甲基6个氢原子等效，中间的两个亚甲基的4个氢原子也是等效的 3．烷烃一元取代物的找法：烃分子中有多少中结构不同的氢原子，其一元取代物就有多少种同分异构体 （1）根据烷基的种类确定一元取代物种类 如：丁基(－C4H9)的结构有4种，戊基(－C5H11)的结构有8种，则C4H9Cl有4种，C5H11Cl有8种 （2）等效氢法：有几种等效氢原子就有几种一元取代物 ①CH3Cl、C2H5Cl、C3H7Cl的找法 烷烃 CH3Cl C2H5Cl C3H7Cl 结构简式 CH3Cl C2H5Cl 个数 1 1 2 ②C4H9Cl、C5H11Cl的找法 烷烃 结构简式 个数 C4H9Cl 4 C5H11Cl 8 4．烷烃多元取代物种类——分次定位法 （1）二氯代物的找法：先找一氯代物，再用氯原子取代一氯代物上的氢原子 如：C3H8的二氯代物，先找一氯代物，再利用等效氢法，再用氯原子取代一氯代物上的氢原子 ①CH2Cl2、C2H4Cl2、C3H6Cl2的找法 烷烃 CH2Cl2 C2H4Cl2 C3H6Cl2 结构简式 CH2Cl2 个数 1 2 4 ②C4H8Cl2的找法 烷烃 结构简式 个数 C4H8Cl2 9 （2）三氯代物的找法：先找二氯代物，再用氯原子取代二氯代物上的氢原子 烷烃 CHCl3 C2H3Cl3 C3H5Cl3 结构简式 CHCl3 个数 1 2 5 5．等同转换法：将有机物分子中的不同原子或基团进行等同转换 如：乙烷分子中共有6个H原子，若有一个H原子被Cl原子取代所得一氯乙烷只有一种结构，那么五氯乙烷有多少种？假设把五氯乙烷分子中的Cl原子转换为H原子，而H原子转换为Cl原子，其情况跟一氯乙烷完全相同，故五氯乙烷也有一种结构。同样，二氯乙烷有两种结构，四氯乙烷也有两种结构 【结论】若烃CxHy的m元取代物有n种同分异构体，则其(y－m)元取代物也有n种同分异构体 学科网（北京）股份有限公司 $ 2.1 烷烃 一、甲烷的结构及性质 1．甲烷分子的组成与结构 分子式 电子式 结构式 结构简式 球棍模型 空间充填模型 CH4 CH4 结构特点 CH4的空间结构为 ，碳原子位于正四面体的中心，4个氢原子分别位于4个顶点。分子中的4个C－H的长度和强度相同，相互之间的夹角相等，键角为109°28′ 2．甲烷的物理性质： 、 、 溶于水、密度比空气 的气体 3．甲烷的化学性质——通常情况下，甲烷比较稳定，与强酸、强碱或高锰酸钾等强氧化剂等不反应 （1）甲烷的氧化反应——燃烧反应 甲烷与氧气燃烧的化学方程式： ①甲烷是优良的气体燃料，通常状况下，1 mol甲烷在空气中完全燃烧，生成二氧化碳和水，放出890 kJ热量。因此以甲烷为主要成分的天然气、沼气是理想的清洁能源 ②甲烷具有可燃性，点燃甲烷之前一定要检验甲烷的纯度 ③煤矿中的爆炸事故多与CH4气体爆炸有关。为了保证安全生产，必须采取通风、严禁烟火等措施 易错提醒 （2）甲烷的取代反应 ①实验探究 实验过程 取两支试管，均通过排饱和食盐水的方法先后各收集半试管CH4和半试管Cl2，分别用铁架台固定好。将其中一支试管用铝箔套上，另一试管放在光亮处(不要放在日光直射的地方)。静置，比较两支试管内的现象 实验装置 实验现象 A装置 ①试管内气体颜色 ②试管内壁有 出现 ③试管中有少量 生成 ④试管内液面 ⑤水槽中有固体析出 B装置 无明显现象 实验结论 CH4与Cl2在光照时才能发生化学反应 ②反应的机理 ③化学反应方程式 CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl CH3Cl＋Cl2CH2Cl2＋HCl CH2Cl2＋Cl2CHCl3＋HCl CHCl3＋Cl2CCl4＋HCl ④取代反应：有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应叫做取代反应 a．反应条件：光照，其光照为漫射光，在室温暗处不发生反应，但不能用日光或其他强光直射，以防爆炸 b．对反应物状态的要求：卤素单质的气态，如甲烷和溴蒸气、碘蒸气在光照条件下也能发生取代反应，但CH4与氯水、溴水则不反应 c．反应产物：虽然反应物的比例、反应时间的长短等因素会造成各种产物的比例不同，但甲烷与氯气反应生成的产物都是CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3和CCl4四种有机物与HCl形成的混合物。反应产物中HCl的物质的量最多 d．反应特点——连锁反应：甲烷分子中的氢原子被氯原子逐步取代，第一步反应一旦开始，后续反应立即进行，且各步反应可同时进行。即当n(CH4)∶n(Cl2)＝1∶1时，并不只发生反应CH4＋Cl2CH3Cl＋HCl，其他反应也在进行 e．定量关系——n(X2)＝n(一卤代物)＋2n(二卤代物)＋3n(三卤代物)＋…＝n(HX) 易错提醒 （3）甲烷的受热分解： (分解温度通常在1000°C以上，说明甲烷的热稳定性很强) 二、烷烃的结构和性质 1．烷烃的结构特点 （1）烷烃的概念：有机化合物中只含有 和 两种元素，分子中的碳原子之间都以单键结合，碳原子的剩余价键均与氢原子结合，使碳原子的化合价都达到“饱和”，称为 ，又称烷烃 （2）典型烷烃分子结构的分析 名称 球棍模型 结构简式 分子式 碳原子的杂化方式 分子中共价键的类型 甲烷 CH4 CH4 sp3 C－H σ键 乙烷 CH3CH3 C2H6 sp3 C－H σ键、 C－C σ键 丙烷 CH3CH2CH3 C3H8 sp3 C－H σ键、 C－C σ键 正丁烷 CH3CH2CH2CH3 C4H10 sp3 C－H σ键、 C－C σ键 正戊烷 CH3CH2CH2CH2CH3 C5H12 sp3 C－H σ键、 C－C σ键 （3）烷烃的结构特点 ①杂化方式：烷烃的结构与甲烷的相似，其分子中的碳原子都采取 杂化，以伸向四面体4个顶点方向的sp3杂化轨道与其他碳原子或氢原子结合，形成σ键 ②空间结构：以碳原子为中心形成若干 空间结构，碳链呈锯齿状排列 ③键的类型：烷烃分子中的共价键全部是 键(C－C、C－H) ④呈链状(直链或带支链)：多个碳原子相互连接成链状，而不是封闭式环状结构 （4）链状烷烃的通式：CnH2n＋2(n≥1) （1）烷烃的碳原子均采取sp3杂化(　　) （2）分子通式为CnH2n＋2的烃一定是烷烃(　　) （3）烷烃分子中的所有原子不可能共平面(　　) （4）丙烷分子中所有碳原子在一条直线上(　　) （5）同系物一定具有相同的通式，官能团的种类、数目也相同(　　) 参考答案：　（1）√　（2）√　（3）√　（4）×　（5）√ 易错辨析 2．烷烃的物理性质 几种常见烷烃的熔点、沸点和密度 名称 分子式 结构简式 常温下状态 熔点/0C 沸点/0C 密度/( g·cm－3) 甲烷 CH4 CH4 气 －182 －164 0.423 乙烷 C2H6 CH3CH3 气 －172 －89 0.545 丙烷 C3H8 CH3CH2CH3 气 －187 －42 0.501 正丁烷 C4H10 CH3CH2CH2CH3 气 －138 －0.5 0.579 正戊烷 C5H12 CH3(CH2)3CH3 液 －129 36 0.626 正壬烷 C9H20 CH3(CH2)7CH3 液 －54 151 0.718 十一烷 C11H24 CH3(CH2)9CH3 液 －26 196 0.740 十六烷 C16H34 CH3(CH2)14CH3 液 18 280 0.775 十八烷 C18H38 CH3(CH2)16CH3 固 28 308 0.777 （1）状态：一般情况下，1～4个碳原子烷烃(烃)为 态，5～16个碳原子为 态，16个碳原子以上为 态 （2）溶解性：都 溶于水，易溶于有机溶剂 （3）熔、沸点：随着碳原子数增加，烷烃的相对分子质量逐渐 ，范德华力逐渐增大，烷烃分子的熔、沸点逐渐 ；分子式相同的烷烃，支链越多，熔、沸点越低，如熔、沸点：正丁烷＞异丁烷 （4）密度：随着碳原子数的递增，密度逐渐 ，但比水的小 3．烷烃的化学性质 烷烃的化学性质比较稳定，常温下不能被酸性高锰酸钾溶液氧化，也不与强酸、强碱及溴的四氯化碳溶液反应 （1）烷烃的氧化反应——可燃性 ①烷烃燃烧的通式： ②在空气或氧气中点燃烷烃，完全燃烧的产物为CO2和H2O，相但在同状况下随着烷烃分子里碳原子数的增加往往会燃烧越来越不充分，使燃烧火焰明亮，甚至伴有黑烟 （2）烷烃的特征反应——取代反应 ①烷烃的取代反应：CnH2n＋2＋X2CnH2n＋1X＋HX，CnH2n＋1X可与X2继续发生取代反应 ②光照条件下，乙烷与氯气发生取代反应： (只要求写一氯取代) a．原因：之所以可以发生取代反应，是因为C－H有极性，可断裂，CH3CH2Cl会继续和Cl2发生取代反应，生成更多的有机物 b．化学键变化情况：断裂C－H键和Cl－Cl键，形成C－Cl键和H－Cl键 a．烷烃的取代反应是在光照条件下与纯净的卤素单质反应 b．反应的特点：烷烃与X2取代反应为连锁反应，烷烃中的氢原子被卤素原子逐步取代，多步反应同时进行，即第一步反应一旦开始，后续反应立即进行，所以产物较为复杂，不适宜制备卤代烃 c．反应产物：烷烃与氯气也可以是溴蒸气在光照条件下发生的取代反应，随着烷烃碳原子数的增多，产物越将会越来越多，但HCl最多；而生成的取代产物的种类将会更多，如甲烷的氯代物有：一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷共四种氯代物，乙烷的氯代物产物将会更多(9种) d．定量关系：1 mol卤素单质只能取代1 mol H，同时生成1 mol HX 易错提醒 （3）烷烃的分解反应(高温裂化或裂解)——应用于石油化工和天然气化工生产中 烷烃受热时会分解，生成含碳原子数较少的烷烃和烯烃，如：C16H34C8H16＋C8H18 （1）所有的烷烃在光照条件下都能与氯气发生取代反应(　　) （2）在光照下，乙烷通入溴水中，可使溴水褪色(　　) （3）1 mol丙烷与氯气发生取代反应，最多能消耗Cl2的物质的量为8 mol(　　) （4）标准状况下，11.2 L己烷所含共价键的数目为9.5NA(　　) （5）戊烷的三种同分异构体中，沸点最低的是新戊烷(　　) 参考答案：（1）√　（2）×　（3）√　（4）×　（5）√ 易错辨析 4．烷烃的存在：天然气、液化石油气、汽油、柴油、凡士林、石蜡等，它们的主要成分都是烷烃 三、同系物 名称 甲烷 乙烷 丙烷 分子式 CH4 C2H6 C3H8 相邻分子间关系 相邻烷烃分子在组成上均相差一个CH2原子团 1．定义：结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质，互称为同系物 如：CH4、C2H6、C3H8互为同系物 2．判断方法 ①一差：两种物质分子组成上相差一个或多个“CH2”原子团 ②二同：具有相同的通式，两种物质属于同一类物质 ③二相似：两种物质结构相似，化学性质相似 ①同系物的研究对象一定是同类有机物，根据分子式判断一系列物质是不是属于同系物时，一定要注意这一分子式表示的是不是一类物质，如：CH2==CH2(乙烯)与(环丙烷)不互为同系物 ②同系物的结构相似，主要指化学键类型相似，分子中各原子的结合方式相似。对烷烃而言就是指碳原子之间以共价单键相连，其余价键全部结合氢原子。同系物的结构相似，并不是相同。如：和CH3CH2CH3，前者有支链，而后者无支链，结构不尽相同，但两者的碳原子均以单键结合成链状，结构相似，故为同系物 ③根据物质的结构简式判断物质是不是属于同系物，要注意所给的物质是不是分子式相同，如：CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2属于同分异构体 ④同系物一定满足同一通式，但通式相同的有机物不一定是同系物，如：CH2==CH2和均满足通式CnH2n(n≥2，n为正整数)，但因二者结构不相似，故不互为同系物 ⑤同系物的组成元素相同，同系物之间相对分子质量相差14n(n＝1，2，3……) ⑥同系物一定具有不同的分子式 ⑦同系物的化学性质相似，物理性质随着碳原子数的增加而发生规律性的变化 易错提醒 四、烃基和烷基的概念 1．烃基：烃分子中去掉1个氢原子后剩余的基团称为烃基，烃基一般用“－R”来表示 2．烷基：像这样由烷烃去掉一个氢原子后剩余的基团叫烷基，烷基的组成通式为－CnH2n＋1。常见的烷基有： 名称 甲基 乙基 正丙基 异丙基 结构简式 －CH3 －CH2CH3或－C2H5 －CH2CH2CH3 3．特点：中性基团，不能独立存在，烃基中短线表示一个电子 4．基团的质子数和电子数的算法：直接等于各原子的质子数和电子数之和 质子数 电子数 甲基(－CH3) 6＋3＝9 6＋3＝9 羟基(－OH) 8＋1＝9 8＋1＝9 5．根和基的区别：“根”带电荷，“基”不带电荷；根能独立存在，而基不能单独存在 五、烷烃的习惯命名法 1．原则：碳原子数后加“烷”字 2．碳原子数的表示方法 （1）碳原子数在十以内的，依次用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸来表示；碳原子数在十以上的用汉字数字表示 n≤10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷 己烷 庚烷 辛烷 壬烷 癸烷 n＞10 用汉字数字代表，如：C11H24叫十一烷，C17H36叫十七烷 （2）同分异构体数目较少时：“正”“异”“新”区别，如分子式为C5H12的同分异构体有3种 名称 正戊烷 异戊烷 新戊烷 结构简式 CH3CH2CH2CH2CH3 六、烷烃的系统命名法 1．选主链，称“某烷”： 、 定主链 (选主链的原则：优先考虑长等长时考虑支链最多) （1）最长：选定分子中最长的碳链作为主链，并按照主链上碳原子的数目称为“某烷”，连接在主链上的支链作为取代基。如： 应选含6个碳原子的碳链为主链，如虚线所示，称为“己烷” （2）最多：当出现两条或多条等长的碳链时，要选择连有取代基数目多的碳链为主链。如： 主链最长(7个碳)时，选主链有a、b、c三种方式，其中：a有3个支链、b有2个支链、c有2个支链，所以方式a正确 2．编号位，定支链 (编号位的原则：首先要考虑“近”；同“近”，考虑“简” ；同“近”，考虑“小”) （1）最近：选定主链中离取代基最近的一端为起点，用1、2、3等阿拉伯数字给主链上的各个碳原子编号定位，以确定取代基在主链中的位置。即：首先要考虑“近”，如： （2）最简：若有两个不同的支链，且分别处于距主链两端同近的位置，则从较简单的支链一端开始编号。即：同“近”，考虑“简”。如： （3）最小：若有两个相同的支链，且分别处于距主链两端同近的位置，而中间还有其它支链，从主链的两个方向编号，可得两种不同的编号系列，两系列中各支链位次之和最小者即为正确的编号。即：同“近”、同“简”时考虑“小”。(或从离第三个支链最近的一端开始编号)。如： 方式一的位号和为2＋4＋5＝11 方式二的位号和为2＋3＋5＝10，10＜11 所以方式二正确 3．写名称：按“取代基位次－取代基名称－母体名称”的顺序书写 格式：位号－支链名－位号－支链名某烷 （1）取代基，写在前，标位置，短线连：将支链的名称写在主链名称的前面，在支链的前面用阿拉伯数字注明它在主链上所处的位置，并在数字与名称之间用一短线隔开 名称 2－甲基丁烷 （2）不同基，简到繁：如果主链上有几个不同的支链，把简单的写在前面，把复杂的写在后面 名称 4－甲基－3－乙基庚烷 （3）相同基，合并算：如果主链上有相同的支链，可以将支链合并起来，用“二”、“三”等数字表示支链的个数。两个表示支链位置的阿拉伯数字之间需用“，”隔开 名称 2，3－二甲基己烷 （1）表示取代基位号的阿拉伯数字“2，3，4......”等数字相邻时，必须用“，”相隔，不能用“、” （2）名称中阿拉伯数字与汉字相邻时，必须用短线“－”隔开 （3）取代基的位号必须用阿拉伯数字“2、3、4......”表示，位号没有“1” （4）相同取代基合并算，必须用中文数字“二、三、四......”表示其个数，“一”省略不写 （5）若有多种取代基，不管其位号大小如何，都必须把简单的写在前面，复杂的写在后面 （6）在烷烃命名中不可能出现“1－甲基、2－乙基，3－丙基”这样的取代基 易错提醒 （1）烃分子中有几种处于不同化学环境的氢原子就有几种烃基(　　) （2）乙烷、丙烷没有同分异构体，乙基、丙基也只有一种(　　) （3）链状烷烃命名时，1号碳原子上不可能连甲基，2号碳原子上不可能连乙基(　　) （4）某烷烃的名称为2,3,3-三甲基丁烷(　　) 参考答案：（1）√　（2）×　（3）√　（4）× 易错辨析 七、同分异构体、同分异构现象 正丁烷和异丁烷物理性质的比较 名称 分子式 结构简式 熔点/0C 沸点/0C 相对密度 正丁烷 C4H10 CH3CH2CH2CH3 －138.4 －0.5 0.5788 异丁烷 C4H10 －159.6 －11.7 0.557 1．同分异构体、同分异构现象 （1）同分异构现象：化合物具有相同的 ，但具有不同的 的现象 （2）同分异构体：具有同分异构现象的化合物互称为同分异构体 （3）同分异构体特点 ①分子式相同，即：化学组成和相对分子质量相同 ②可以是同类物质，也可以是不同类物质 ③结构不同，性质可能相似也可能不同 ④同分异构体之间的转化是化学变化 ①同分异构体要求分子式相同，但结构不同，二者缺一不可；分子式相同，则相对分子质量相等，但相对分子质量相等的物质，分子式不一定相同，如：CO和C2H4 ②结构不同意味着同分异构体不一定是同类物质，如：CH3CH2CH==CH2和 ③同分异构体的结构一定不同，因此它们的物理性质存在差异；如果同分异构体的结构相似，属于同类物质，则它们的化学性质相似；如果同分异构体是不同类别的物质，则它们的化学性质不同 ④烷烃中，甲烷、乙烷、丙烷不存在同分异构体，其他烷烃均存在同分异构体，且同分异构体的数目随碳原子数的增加而增多，如：丁烷有2种同分异构体、己烷有5种同分异构体、癸烷有75种同分异构体。同分异构现象是有机物种类繁多的原因之一 易错提醒 2．同系物、同分异构体、同位素、同素异形体的比较 同位素 同素异形体 同系物 同分异构体 概念 质子数相同而中子数不同的同一种元素的不同原子 由同种元素形成的不同单质 结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质 分子式相同，但结构不同的化合物 对象 原子 单质 有机化合物 无机化合物、有机化合物 性质 化学性质几乎完全相同，物理性质略有差异 化学性质相似，物理性质差异较大 化学性质相似，熔沸点、密度规律性变化 化学性质相似或不同，物理性质有差异 八、烷烃同分异构体的书写：烷烃只存在碳链异构，书写烷烃同分异构体时一般采用“减碳对称法” 1．书写步骤：以C6H14为例 第一步 将分子中所有碳原子连成直链作为主链 第二步 从主链一端取下一个碳原子作为支链(即甲基)，依次连在主链对称轴一侧的各个碳原子上，此时碳骨架有两种，甲基不能连在①位和⑤位碳原子上，否则与原直链时相同；对于(b)中②位和④位碳原子等效，只能用一个，否则重复 第三步 从主链上取下两个碳原子作为一个支链(即乙基)或两个支链(即两个甲基)依次连在主链对称轴一侧的各个碳原子上，此时碳骨架结构有两种，②位或③位碳原子上不能连乙基，否则主链上会有5个碳原子，则与(b)中结构重复 故C6H14共有5种同分异构体 （1）两注意：①选择碳原子数最多的碳链为主链；②找出对称轴 （2）四句话：主链由长到短，支链由整到散，位置由心到边，排列对、邻到间 （3）取代基不能连在末端，否则与原直链时相同 （4）从母链上取上的碳原子数，不得多于母链所剩余的碳原子数 易错提醒 2．常见烷烃同分异构体书写——CnH2n+2，只可能存在碳链异构 （1）甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的找法 烷烃 甲烷 乙烷 (C2H6) 丙烷 (C3H8) 丁烷 (C4H10) 结构简式 CH4 CH3－CH3 CH3－CH2－CH3 个数 1 1 1 2 （2）戊烷、己烷、庚烷的找法 烷烃 结构简式 个数 戊烷 C5H12 3 己烷 C6H14 5 庚烷 C7H16 9 九、烷烃烃基的找法、一卤代烃的找法和多卤代烃的找法 1．烷烃烃基的找法 （1）甲基、乙基、丙基的找法 烷烃 甲基 乙基 丙基 结构简式 －CH3 －CH2CH3或－C2H5 个数 1 1 2 （2）丁基、戊基的找法 烷烃 结构简式 个数 丁基 4 戊基 、 8 2．等效氢原子法(对称法) （1）同一个碳原子上连接的氢原子等效，如：甲烷(CH4)分子中4个氢原子是等效的 （2）同一个碳原子上所连接的甲基上的氢原子等效，如：新戊烷()分子中四个甲基等效，各甲基上的氢原子完全等效，也就是说新戊烷分子中的12个H原子是等效的 （3）分子中处于对称位置上的氢原子是等效的，如：正丁烷(CH3CH2CH2CH3)分子中两端的甲基6个氢原子等效，中间的两个亚甲基的4个氢原子也是等效的 3．烷烃一元取代物的找法：烃分子中有多少中结构不同的氢原子，其一元取代物就有多少种同分异构体 （1）根据烷基的种类确定一元取代物种类 如：丁基(－C4H9)的结构有4种，戊基(－C5H11)的结构有8种，则C4H9Cl有4种，C5H11Cl有8种 （2）等效氢法：有几种等效氢原子就有几种一元取代物 ①CH3Cl、C2H5Cl、C3H7Cl的找法 烷烃 CH3Cl C2H5Cl C3H7Cl 结构简式 CH3Cl C2H5Cl 个数 1 1 2 ②C4H9Cl、C5H11Cl的找法 烷烃 结构简式 个数 C4H9Cl 4 C5H11Cl 8 4．烷烃多元取代物种类——分次定位法 （1）二氯代物的找法：先找一氯代物，再用氯原子取代一氯代物上的氢原子 如：C3H8的二氯代物，先找一氯代物，再利用等效氢法，再用氯原子取代一氯代物上的氢原子 ①CH2Cl2、C2H4Cl2、C3H6Cl2的找法 烷烃 CH2Cl2 C2H4Cl2 C3H6Cl2 结构简式 CH2Cl2 个数 1 2 4 ②C4H8Cl2的找法 烷烃 结构简式 个数 C4H8Cl2 9 （2）三氯代物的找法：先找二氯代物，再用氯原子取代二氯代物上的氢原子 烷烃 CHCl3 C2H3Cl3 C3H5Cl3 结构简式 CHCl3 个数 1 2 5 5．等同转换法：将有机物分子中的不同原子或基团进行等同转换 如：乙烷分子中共有6个H原子，若有一个H原子被Cl原子取代所得一氯乙烷只有一种结构，那么五氯乙烷有多少种？假设把五氯乙烷分子中的Cl原子转换为H原子，而H原子转换为Cl原子，其情况跟一氯乙烷完全相同，故五氯乙烷也有一种结构。同样，二氯乙烷有两种结构，四氯乙烷也有两种结构 【结论】若烃CxHy的m元取代物有n种同分异构体，则其(y－m)元取代物也有n种同分异构体 学科网（北京）股份有限公司 $