最新人教版高中化学选修五第一章 第二节 有机化合物的结构特点

第二节有机化合物的结构特点
【学习目标】
1.结合甲烷的结构认识碳原子的成键特点,认识有机化合物的分子结构取决于原子间的连接顺序、成键方式和空间排布。

2.结合戊烷、丁烯认识到有机化合物存在同分异构现象。

【核心素养】
1.能从碳原子的结构、化学键等角度认识有机物种类繁多的原因,能采用球棍模型、比例模型等认识“同分异构现象”。

(宏观辨识与微观探析)
2.形成书写和判断同分异构体的思维模型,并运用模型书写和判断同分异构体。

(证据推理与模型认知)
一、有机化合物中碳原子的成键特点
1.碳原子形成有机物的成键特点分析
(1)碳原子的结构及成键特点
(2)有机物的结构特点:
碳原子的成键特点决定了含有原子种类和数目均相同的分子,其原子可能具有多种不同的结合方式,从而形成具有不同结构的分子。

2.甲烷的分子结构
(1)表示方法
分子式电子式结构式
CH4
结构简式球棍
模型
比例
模型
CH4
(2)立体结构:以碳原子为中心,4个氢原子位于四个顶点的正四面体立体结构。

在CH4分子中4个C—H键完全等同,两个碳氢键间的夹角均为109°28'。

【教材二次开发】教材中给出了甲烷分子的正四面体结构示意图,怎样可以证明甲烷分子为正四面体结构而不是平面结构?
提示:甲烷分子中键角(碳氢键的夹角)是109°28'而不是90°,可证明甲烷分子是正四面体结构;若CH4分子为平面结构,则CH2Cl2可有两种结构,而CH2Cl2分子的空间结构只有一种,证明甲烷分子是正四面体结构。

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
2.实例:戊烷的同分异构体如下表所示。

物质
名称
正戊烷异戊烷新戊烷分子式C5H12
结构简式CH3CH2CH2
CH2CH3
C(CH3)4
相同点分子式相同,都属于烷烃
不同点碳原子间的连接顺序不同3.同分异构体的类型
异构
方式
特点示例
碳链异构碳链骨架不同
CH3CH2CH2CH3与
位置异构官能团位置
不同
CH2＝CH—CH2—CH3与
CH3—CH＝CH—CH3
官能团异构官能团种类
不同
CH3CH2OH与CH3—O—CH3
【微思考】(1)CH3COOH与HCOOCH3是否属于同分异构体?若是,属于哪种类型的同分异构体?
提示:是,属于官能团异构。

CH3COOH与HCOOCH3的分子式相同,官能团分别为羧基和酯基。

(2)分子式为C4H10的烷烃一定为纯净物吗?
提示:C4H10不一定表示一种纯净物,因为有机物存在同分异构现象,它具有
CH3—CH2—CH2—CH3和CH3—CH(CH3)—CH3两种同分异构体,所以C4H10可能是以上两种的混合物。

知识点一有机物分子结构的表示方法
1.碳原子的成键方式与分子空间构型的关系
四面体平面形直线形平面形
2.常见有机化合物分子的空间构型
(1)四面体形:CH4、CH3Cl、CCl4(5个原子不在同一平面上,其中最多有3个原子共平面)。

(2)平面形:CH2＝CH2(6个原子位于同一平面上)、苯(12个原子位于同一平面上)。

(3)直线形:CH≡CH(4个原子位于同一直线上)。

3.表示有机物结构的五种式子和两种模型
(1)五种式子
种类含义或表示方法示例
分子式用元素符号表示物质分
子组成的式子,可反映出
一个分子中原子的种类
和数目
C2H4、C2H6
实验式(最简式) 用元素符号表示化合物
分子中各元素原子实验
整数比的式子
乙烯的实验式
是CH2
结构式用短线“—”来表示一对共用电子对,用“—”(单键)、“＝”(双键)或“≡”(三键)将原子连接起来
键线式省略碳、氢元素符号,只
表示分子中键的连接情
况,每个拐点和端点均表
示一个碳原子,每个碳原
子都形成四个共价键,不
足的用氢原子补足
可表示为
结构简式表示单键的“—”可以省
略,将与碳原子相连的其
他原子写在其旁边,并在
右下角注明其个数;表示
双键、三键的“＝”“≡”不
能省略;醛基()、
羧基
()可分别简化
成
—CHO、—COOH
CH3CH2OH、
CH3CH＝CH2、
HOOCCHO
四种式子关系:
(2)两种模型
种类特点实例
球棍模型小球表示原子,短
棍表示共价键
如乙烷:
比例模型用不同体积大小的
小球表示不同原子
如甲烷:
【误区警示】结构简式书写时的注意事项
(1)结构简式的书写是省略结构式中代表共价键的单键,而代表双键的“＝”、三键的“≡”不能省略。

(2)写结构简式时,同一个碳原子上的相同原子或原子团可以合并,直接相邻的且相同的原子团亦可以合并。

(3)结构简式不能表示有机物的真实结构,如从结构简式看,CH3CH2CH2CH3中的碳链是直线形的,而实际上是锯齿形的。

乙烷()的结构简式为CH3CH3,那么乙烯()的结构简式则为CH2CH2,你认为正确吗?(宏观辨识与微观探析)
提示:不正确。

乙烯的结构简式为CH2＝CH2,不是CH2CH2。

结构简式与结构式相比较,结构简式可以将表示单键的“—”省略,但是不能将表示碳碳双键的“＝”或表
示碳碳三键的“≡”省略。

其中醛基()、羧基()可简化为—CHO、—COOH。

【典例】下列有机物的结构表示不正确的是()
A.CH4的球棍模型为
B.1-丁烯的键线式为
C.乙醇的结构式为
D.葡萄糖的最简式为CH2O
【解题指南】解答本题应该注意以下3点:
(1)注意球棍模型和比例模型的区别。

(2)注意结构式与结构简式的区别。

(3)注意不能省略的官能团(如碳碳双键)及简写方法。

【解析】选A。

甲烷的球棍模型应该用小球和短棍表示,甲烷为正四面体结构且
碳原子半径大于氢原子,其正确的球棍模型为,故A错误;1-丁烯的结构简式为CH3CH2CH＝CH2, 键线式为,故B正确;结构式是用元素符号和短线表示有机化合物分子中各原子的排列和结合方式的式子,乙醇的结构简式为
CH3CH2OH,则其结构式为,故C正确;最简式是用元素符号表示化合物分子中各元素的原子个数最简整数比的式子,葡萄糖的分子式为C6H12O6,则其最简式为CH2O,故D正确。

【母题追问】(1)写出上题B项有机物的结构简式。

提示:CH3CH2CH＝CH2。

(2)写出上题C项同分异构体的结构简式。

提示:乙醇的同分异构体为甲醚,结构简式为CH3—O—CH3。

【规律方法】“三步法”判断化学用语的正误
科学资料显示,人类能够承受的极限高温为零上120 ℃,人类大约能在此温度环境中存活10 min,而在接近-100 ℃的极低温环境中,能存活约1 h。

由此可见,与极低温相比,极高温更加致命。

科学家在-100 ℃的低温下合成了一种烃X,该分子的球棍模型如图所示。

(1)X的分子式为________。

(2)该分子中每个碳原子均形成4个化学键,写出X的键线式________。

(3)1 mol X在一定条件下可与________ mol H2发生反应。

【解析】(1)X的1个分子由5个碳原子和4个氢原子构成,分子式为C5H4;(2)X 分子中间的C形成的是4单键,剩余四个碳原子形成了碳碳双键,键线式为;(3)
1 mol X含有
2 mol碳碳双键可与2 mol H2发生反应。

答案:(1)C5H4(2)
(3)2
知识点二同分异构体的书写
1.烷烃同分异构体的书写——减碳法:
(1)减碳法的“两注意、三原则、四顺序”
(2)具体规则:
(3)实例——己烷(C6H14)的同分异构体
(在结构式中的氢原子省略)
①将分子中全部碳原子连成直链作为母链。

C—C—C—C—C—C
②从母链的一端取下1个碳原子,依次连接在母链中心对称线一侧的各个碳原子上,即得到多个带有甲基、主链比母链少1个碳原子的异构体骨架。

③从母链上一端取下两个碳原子,使这两个碳原子相连(整连)或分开(散连),依次连接在母链所剩下的各个碳原子上,得多个带1个乙基或两个甲基、主链比母链少两个碳原子的异构体骨架。

故己烷(C6H14)共有5种同分异构体。

2.烯烃同分异构体的书写(限单烯烃范围内)——插入法
书写方法:先链后位,即先写出可能的碳链方式,再加上含有的官能团位置。

下面以C4H8为例说明。

①碳链异构:C—C—C—C 、。

②位置异构:用箭头表示双键的位置,即
C4H8在单烯烃范围内的同分异构体共有3种。

3.烃的含氧衍生物同分异构体的书写——顺序法
书写方法:一般按碳链异构→官能团位置异构→官能团异构(跨类异构)的顺序来书写。

下面以C5H12O为例说明。

(1)碳链异构:5个碳原子的碳链有3种连接方式:
C—C—C—C—C
(2)位置异构:对于醇类,在碳链各碳原子上连接羟基,用“↓”表示连接的不同位置。

(3)官能团异构:通式为C n O的有机物在中学阶段只能是醇或醚,对于醚类,位置异构是因氧元素的位置不同而导致的。

分析知分子式为C5H12O的有机物共有8种醇和6种醚,总共14种同分异构体。

【知识拓展】“四同”比较
同位素同素
异形体
同系物
同分
异构体
对象原子单质有机化合物
无机化合
物、有机化
合物
特①质子数相①由同种元①符合同一①分子式相
点同
②中子数不
同
③原子的电
子排布相同,
原子核结构
不同素组成
②单质的组
成或结构不
同
通式
②结构相似
③分子式不
同,组成上相
差n(n≥1)个
CH2
同
②结构不同
性质
化学性质几
乎相同,物理
性质有差异
化学性质相
似,物理性质
不同
化学性质相
似,物理性质
有递变性
化学性质相
似或不同,物
理性质有差
异
减碳法分析同分异构体的注意事项
(1)用减碳法分析出有机物分子的同分异构体种类和数目后,在书写同分异构体时,应用H原子补齐碳的四个价键;
(2)主链第一个碳原子不能连甲基,第二个碳原子不能连乙基,第三个碳原子不能连丙基,否则其主链碳原子数会改变,从而引起物质的重复;
(3)主链减少的碳原子数一般不超过总碳原子数的1
2,甚至低于1
2
,如戊烷只能减2
个碳原子,己烷只能减2个碳原子,而甲烷、乙烷、丙烷无同分异构体。

互为同分异构体的物质相对分子质量一定相等,相对分子质量相等的不同物质一定互为同分异构体吗?(宏观辨识与微观探析)
提示:不一定。

相对分子质量相等的不同物质可能具有相同的分子式,也可能具有不同的分子式,如CH3COOH与CH3CH2CH2OH、NO2与CH3CH2OH、CO与N2等,它们的相对分子质量相等,但分子式都不一样,不是同分异构体。

【典例】(1)烷烃分子可看作由—CH3、—CH2—、和等基团组成。

①如果某烷烃分子中同时存在这4种基团,所含碳原子数又最少,则该烷烃分子应含________个碳原子,其结构简式可能为______________。

②上述有机化合物与氯气在光照条件下发生________反应,这些同分异构体中,一氯代物有4种同分异构体的是____________________(填结构简式)。

(2)写出C5H10O的醛的同分异构体______________(写键线式)。

【思维建模】解答本类题目的思维流程如下:
【解析】(1)①—CH2—只能连接2个碳原子,不能连接氢原子;只能连接4个碳原子,不能连接氢原子;只能连接3个碳原子,不能连接氢原子。

所以有
、、,共3种结构。

②中含有4种不同类型的氢原子,故发生取代反应生成的一氯代物有4种,而另外2种同分异构体形成的一氯代物均有5种同分异构体。

(2)C5H10O的醛可看作C4H9—CHO,醛基的位置如下:
答案:(1)①8、
、
②取代
(2)、、、
【母题追问】(1)写出上题(1)中有机物的同分异构体中,一氯代物只有一种的结构简式。

提示:
(2)根据上题(2)的解题思路分析丁基(—C4H9)有几种结构?
提示:4种。

分别为—CH2CH2CH2CH3、
—CH(CH3)CH2CH3、—CH2CH(CH3)CH3、
—C(CH3)3。

【规律方法】同分异构体的书写规律
吸烟有害健康,烟草中的剧毒物质尼古丁会使人上瘾或产生依赖性,重复使用尼古丁也增加心脏负担和升高血压并降低食欲。

(1)该有机物________(填“是”或“否”)属于芳香族化合物。

(2)尼古丁的一氯代物有________种。

(3)尼古丁的分子式为________。

(4)尼古丁与属于________关系。

【解析】(1)结构中没有苯环,该有机物不属于芳香族化合物;(2)尼古丁结构不对称,含有9种不同化学环境的H原子,则一氯代物有9种;(3)尼古丁分子含有10个碳原子、2个氮原子和14氢原子,故分子式为C10H14N2;(4)尼古丁与
的分子式相同,结构不同,互为同分异构体。

答案:(1)否
(2)9(3)C10H14N2
(4)同分异构体
知识点三同分异构体数目的判断
1.基元法
2.换元法
3.定一移一法
4.等效氢法
5.结合法
苯环上两个支链的位置关系有邻、间、对三种,丁基有4种结构,则的苯环上的一氯代物有3×4=12种。

【误区警示】同分异构体判断三注意
(1)要有空间想象能力,看准碳架的对称性,避免重复。

(2)注意碳的“四价”原则,确定碳原子上有无氢原子以及氢原子的数目,这样可以确定该碳原子有无一元及二元代物。

(3)注意看清题目的限制条件:常见的限制条件有种类、性质、结构等方面。

四联苯()的一氯代物有几种?(证据推理与模型认知)
提示:5。

该物质高度对称,其对称中心为。

【典例】(2019·全国卷Ⅱ)分子式为C4H8BrCl的有机物共有(不含立体异构) ()
A.8种
B.10种
C.12种
D.14种
【解析】选C。

C4H8BrCl的同分异构体共有12种,如下:
(1)碳链:C—C—C—C
①Br、Cl处于同一碳原子上(2种):、;②Br、Cl处于相邻碳原子上(3种):、、;③Br、Cl处于间位碳原子上(3种):、、;
(2)碳链:
①Br、Cl处于同一碳原子上(1种):;②Br、Cl处于相邻碳原子上(2
种):、;③Br、Cl处于间位碳原子上(1种):。

【母题追问】(1)分子式为C4H9Br有几种不同的结构?
提示:4种。

丁基有4种,故C4H9Br有4种。

(2)C4H8Br2有几种不同的结构?
提示:共9种。

两个Br取代同一个碳有3种,
分别取代碳有6种,。

【规律方法】同分异构体的种类判断思路
立方烷(C8H8)为人工合成的烷烃,又称为五环辛烷,外观为有光泽的晶体。

八个碳原子对称地排列在立方体的八个角上。

人们曾一度认为其不可合成,因为碳碳键的键角均为90度,张力过大而不稳定。

不过当此物质被合成出以后,人们发现它在动力学上很稳定。

立方烷生成热、密度等均很大,因而备受瞩目。

(1)立方烷的一氯代物有几种?
提示:1种。

立方烷只有一类氢原子。

(2)立方烷的二氯代物有几种?
提示:3种。

二氯代物的同分异构体分别是:一条棱、面对角线、体对角线上的两个氢原子被氯原子代替,所以二氯代物的同分异构体有三种。

(3)立方烷的三氯代物有几种?
提示:3种。

立方烷的8个顶点上的氢原子等效,二氯代物有3种,其三氯代物也有3种。

三言两语话重点
1.碳原子成键特点:
(1)碳原子形成四个化学键;
(2)碳原子之间
①形成单键、双键()、三键(—C≡C—)。

②相互结合成碳环或碳链,且可以带有支链;碳环和碳链也可以相互结合。

2.同分异构体:
(1)同分异构体的“同”和“异”:
“同”——分子式相同;
“异”——结构不同。

(2)常见同分异构体的种类
①碳链异构②位置异构③官能团异构
1.下列有关化学用语能确定为丙烯的是()
A.
B.C3H6
C.
D.CH2＝CH—CH3
【解析】选D。

中的原子不一定是C、H原子,A错误;分子式为C3H6的可能是丙烯或环丙烷,B错误;C项分子式为C3H5,错误;D为丙烯的结构简式,正确。

2.下列说法正确的是 ()
A.碳骨架为的烃的结构简式为(CH3)2C＝CH2
B.有机物分子里一定既有非极性键也有极性键
C.有的烃分子中,一个碳原子形成3个共价键
D.乙醇的键线式为
【解析】选A。

B项,CH4中只含极性键;C项,烃分子中,每个C均形成4个共价键;D 项,乙醇的键线式为。

3.(2021·沈阳高二检测)下列各组物质不互为同分异构体的是()
A.CH3CH2OH和CH3CHO
B.和
C.和
D.和
【解析】选A。

B、C、D中物质的分子式相同,结构不同,互为同分异构体;而A 中前者分子式为C2H6O,后者分子式为C2H4O,不互为同分异构体。

【补偿训练】
关于同分异构体的下列说法中不正确的是()
A.具有相同分子式,但结构不同的化合物互为同分异构体
B.相对分子质量相同的不同化合物,互为同分异构体
C.互为同分异构体的有机物之间的转化属于化学变化
D.组成元素的质量分数相同,且相对分子质量也相同的不同化合物,互为同分异构体
【解析】选B。

有些物质具有相同的相对分子质量,但分子组成可能不同,不一定互为同分异构体;同分异构体之间的转化过程中生成了新物质,属于化学变化;不同化合物组成元素的质量分数相同,且相对分子质量也相同时,其分子式一定也相同,互为同分异构体。

4.(2021·昆明高二检测)分子式为C10H14的单取代芳烃,其可能的结构有()
A.2种
B.3种
C.4种
D.5种
【解析】选C。

分子式为C10H14的单取代芳烃为C6H5—C4H9,—C4H9为丁基,而丁基有4种:CH3—CH2—CH2—CH2—、、、
,所以其单取代芳烃也有4种。

【补偿训练】
下列物质中当有一个氢原子被溴取代时,生成同分异构体的种类最多的是 ()
A.(CH3)2CHCH(CH3)2
B.CH3CH2CH2CH3
C.
D.CH3CH2CH2CH2CH3
【解析】选C。

(CH3)2CHCH(CH3)2的一溴代物有2种,CH3CH2CH2CH3的一溴代
物有2种,的一溴代物有4种, CH3CH2CH2CH2CH3的一溴代物有3种。

5.人们使用四百万只象鼻虫和它们的215磅粪物,历经30多年时间弄清了棉子象鼻虫的四种信息素的组成,它们的结构可表示如下(括号内表示④的结构简式):
(1)以上四种信息素中互为同分异构体的是__________。

(2)以上四种信息素中互为同系物的是________。

(3)符合下列条件的②的同分异构体有________种。

a.比信息素②相对分子质量小28的同系物少两个氢原子;
b.含有苯环结构;
c.属于醇类。

【解析】(1)③和④的分子式都是C11H20O,但结构不同,互为同分异构体。

(2)①②的结构相似,分子组成相差1个CH2,互为同系物。

(3)符合a的有机物的分子式为C8H10O,除苯环外还有2个碳原子,当碳原子存在一个支链时,羟基在如图的两个位置时属于醇类;存在两个支链时,两
个支链存在邻间对3种位置关系,;故符合要求的同分异构体有5种。

答案:(1)③和④(2)①和②(3)5
【补偿训练】
如图所示为4个碳原子相互结合的方式。

小球表示碳原子,假设碳原子上其余的化学键都与氢原子结合。

回答下列问题:
(1)图中属于烷烃的是________(填字母)。

(2)在如图所示的有机化合物中,碳原子与碳原子之间不仅可以形成单键,还可以形成______________和________;不仅可以形成____________,还可以形成碳环。

(3)含有双键的是________(填字母,下同),含有三键的是________。

(4)图中互为同分异构体的是A与________;B与_________; D与________。

【解析】(1)分子中碳原子之间都以单键结合成链状的烃为烷烃,由此可以判断,题中属于烷烃的是A和C。

(2)(3)观察题中的有机化合物,可以看出碳原子与碳原子之间不仅可以形成单键,还可以形成双键,如B、E、F,也可以形成三键,如D、G;碳原子与碳原子之间不仅可以形成碳链,还可以形成碳环。

(4)每个小球表示一个碳原子,可知A的分子式为C4H10;B的分子式为C4H8,分子中存在双键;C的分子式为C4H10;D的分子式为C4H6,分子中存在三键;E的分子式为C4H8,分子中存在双键;F的分子式为C4H8,分子中存在双键;G的分子式为C4H6,
分子中存在三键;H的分子式为C4H8,分子中碳原子之间形成碳环。

A与C互为同分异构体,B与E、F、H互为同分异构体,D与G互为同分异构体。

答案:(1)AC(2)双键三键碳链
(3)BEF DG(4)C EFH G。