第2节 有机化合物的结构与性质
基础课时3 碳原子的成键方式
学 习 任 务 1.了解原子的成键特点和成键方式的多样性，能以此认识到有机化合物种类繁多的原因。培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。 2．了解单键、双键、三键的特点，知道碳原子的饱和程度对有机化合物性质的重要影响。培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。3．学会有机物分子结构的表示方法，熟知几种典型分子构型。培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
必备知识
一、碳原子的成键特点
1．碳原子的结构特点及成键方式
2．两类碳原子
(1)饱和碳原子：与四个原子形成共价键(单键)的碳原子。
(2)不饱和碳原子：成键原子数目小于四的碳原子。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)碳原子可以与氢、氧、氮、硫等非金属元素形成离子键或共价键。 (×)
(2)分子式为C4H8的有机物最多形成4个碳碳单键。 (√)
3．单键、双键和三键
碳碳单键 碳碳双键 碳碳三键
结构式 —C≡C—
成键条件 一个碳原子与周围四个原子成键；碳碳之间共用一对电子 一个碳原子与周围三个原子成键；碳碳之间共用两对电子 一个碳原子与周围两个原子成键；碳碳之间共用三对电子
成键特点 σ键 1个σ键1个π键 1个σ键2个π键
键角 109°28′ 120° 180°
空间构型 碳原子与其他四个原子形成四面体结构 双键碳原子及与之相连的原子处于同一平面上 三键碳原子及与之相连的原子处于同一直线上
成键特点 σ键 1个σ键1个π键 1个σ键2个π键
结构决定性质，根据烷烃、烯烃、炔烃中化学键的特点分析其化学性质存在差异的原因是什么？
提示：σ键轨道重叠程度大于π键，因此σ键的键能通常比π键的键能高，σ键更加稳定。烷烃分子中的单键都是σ键，烯烃碳碳双键中含一个σ键、一个π键，炔烃碳碳三键中含一个σ键、两个π键，所以烯烃和炔烃的化学性质更加活泼。
二、极性键和非极性键
1．极性键：不同元素的两个原子成键时，它们吸引共用电子的能力不同，共用电子将偏向吸引电子能力较强的一方，所形成的共价键是极性共价键，简称极性键。
2．非极性键：同种元素的两个原子成键时，它们吸引共用电子的能力相同，所形成的共价键是非极性共价键，简称非极性键。
3．有机化合物分子中常见共价键的类型
键型 极性键 非极性键
单键 H3C—H H3C—OHH3C—Cl H3C—Br H3C—CH3
双键 H2C===CH2
三键 CH3—C≡N HC≡CH
4.键的极性与有机化合物分子反应活性的关系
共价键是否具有极性及极性的强弱程度对有机化合物的性质有着重要影响。键的极性越强，越容易断裂，有机化合物分子的反应活性越强。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)CH3CH3分子中既含有极性键又含有非极性键。 (√)
(2)中碳氧之间是极性键，在化学反应中容易断裂。 (√)
乙醇和氯乙烷分子的结构式分别为。请利用碳原子成键方式的有关知识，分析和预测乙醇和氯乙烷分子在反应中可能的断键部位。
提示：
化学键分析 预测在反应中可能的断键部位
乙醇分子中碳氧单键、氧氢单键是极性键，共用电子偏向氧原子。
氯乙烷分子中碳氯键是极性键，共用电子偏向氯原子。
情境探究
学习任务 碳的成键方式与分子空间构型的关系探究
合作探究
[问题1] sp3杂化的中心原子，其空间构型是什么类型？
提示：正四面体构型。
[问题2] sp2杂化的中心原子，其空间构型是什么类型？
提示：平面构型。
[问题3] sp杂化的中心原子，其空间构型是什么类型？
提示：直线构型。
归纳总结
1．基本结构四类型
(1)甲烷——sp3杂化
(2)乙烯——sp2杂化
(3)苯——sp2杂化
(4)乙炔——sp杂化
2．组合结构
组合结构就是将前面的四种类型的基团按一定方式连接成某种有机物。如，作如下分析(图示)
其中可能共平面的原子最多有20个(M＋N)，最少有14个(N)，肯定共直线的原子最多有6个(L)。
方法技巧
有机物共线、共面问题的分析思路
(1)若要分析有机物中碳原子的共线、共面问题，要进行单元分割，必要时要兼顾分子对称性。
(2)单键可以旋转，双键和三键则不能旋转。
(3)若在分子结构中有一个碳原子形成四个单键，则该分子中不是所有原子都在同一平面上。
能力达成
1．下列分子中的所有碳原子均在同一条直线上的是( )
D [烷烃为饱和烃，为四面体结构的锯齿形，所以一定不共线，A项错误；碳碳双键的键角是120°，所以一定不是共线分子，B项错误；与碳碳三键直接相连的原子与碳碳三键是共线关系，苯环是平面形结构，但苯环上的所有碳原子一定不与碳碳三键都共线，C项错误；该分子中含有2个碳碳三键，所以每个与碳碳三键直接相连的原子与碳
碳三键是共线关系，所以该分子中所有碳原子共线，D项正确。]
2．(2021·黑龙江鹤岗一中高二期末)关于，下列结论正确的是( )
A．该有机物分子式为C13H16
B．该有机物属于苯的同系物
C．该有机物分子至少有4个碳原子共直线
D．该有机物分子最多有13个碳原子共平面
D [由有机物结构简式可知，有机物分子式为C13H14，A错误；苯的同系物中侧链应为饱和烃基，题中侧链含有不饱和键，不是苯的同系物，B错误；由乙烯和乙炔的结构可知，该有机物分子至少有3个碳原子共直线，C错误；已知苯环和乙烯为平面结构，两个面可以通过单键旋转而重合，乙炔为直线形结构且在乙烯的平面上，乙基两个碳原子旋转后可以与之共面，则所有的碳原子有可能都在同一平面上，D正确。]
知识脉络
随堂测评
1．下列有关碳原子成键特点的叙述中不正确的是( )
A．碳原子既可以跟自身，又可以跟其他原子(如氢原子)形成4个共价键
B．碳原子性质活泼，可以跟多种元素原子形成共价键
C．碳原子之间既可以形成稳定的单键，又可以形成双键和三键
D．多个碳原子可以形成长度不同的链(可以带有支链)及环，且链、环之间又可以相互结合
B [碳元素的原子最外层有4个电子，既不易失电子也不易得电子，故碳原子性质并不活泼，常温下比较稳定，B选项错误。]
2．大多数有机物分子里的碳原子与碳原子或碳原子与其他原子相结合的化学键是( )
A．只有非极性键 B．只有极性键
C．有非极性键和极性键 D．只有离子键
C [因碳原子有4个价电子，碳原子与碳原子或碳原子与其他原子相结合时均形成共价键。碳原子与碳原子之间以非极性键相结合，碳原子与其他原子之间以极性键相结合， C项正确。]
3．下列叙述中错误的是( )
A．只有成键两原子相同才有可能形成非极性键
B．极性键中吸引电子能力强的原子带部分正电荷
C．键的极性除了受成键原子吸引电子能力强弱的影响，还受邻近原子团的影响
D．不同元素原子的核内质子数不同，原子核对外层电子吸引作用的强弱程度就不同
B [要形成非极性键，必须保证成键原子相同，如果成键原子不同，则吸引电子能力强的原子带部分负电荷，并且键的极性也受相邻基团的影响，故B项错误。]
4．下列有机化合物分子中的所有碳原子不可能处于同一平面上的是( )
D [苯分子是平面形分子，甲基取代氢原子的位置，因此碳原子也在这个平面上，A项不合题意；乙炔分子是直线形分子，甲基取代氢原子的位置而与碳原子连接，所以甲基中的碳原子也在这条直线上，在一条直线上的原子一定会在一个平面上，B项不合题意；乙烯分子是平面形分子，两个甲基取代分子中的氢原子，所以甲基中的碳原子一定也在该平面内，C项不合题意；甲烷是正四面体结构，三个甲基取代甲烷的三个氢原子，所以碳原子一定在该四面体的顶点，即不是所有的碳原子都在同一个平面上，D项符合题意。]
5．酚酞是中学化学中常用的酸碱指示剂，其结构如图所示，回答下列问题：
(1)酚酞的分子式为__________________________________。
(2)1个酚酞分子中含有________个饱和碳原子和______个不饱和碳原子。
(3)酚酞分子中的双键有________种，是____________；极性键有___________________________________________(写两种即可)。
[解析] 根据碳原子的结构特点，与4个原子形成共价键的碳原子称为饱和碳原子，其他的碳原子称为不饱和碳原子，所以此分子中有19个不饱和碳原子，具有四面体结构的碳原子即为饱和碳原子，共有1个。此分子中只有碳氧双键一种双键；不同原子间形成的共价键为极性键。
[答案] (1)C20H14O4 (2)1 19 (3)1 H—O键、C—O键(或C===O键或C—H键)
1基础课时4 有机化合物的同分异构现象
有机化合物结构与性质的关系
学 习 任 务 1.认识有机化合物存在构造异构和立体异构等同分异构现象。学会同分异构体的书写方法，能判断有机物的同分异构体。培养证据推理与模型认知的化学核心素养。2．认识官能团、共价键的极性以及不同基团对有机化合物性质的影响。培养科学探究与创新意识的化学核心素养。3．理解“结构决定性质，性质反映结构”的关系。
必备知识
一、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的概念
碳原子成键方式的多样性导致有机化合物的同分异构现象，即分子组成相同而结构不同的现象。分子组成相同而结构不同的有机化合物互为同分异构体。同分异构现象是有机化合物种类繁多的原因之一。
2．常见同分异构现象的类型
(1)构造异构
①碳骨架异构
由于碳骨架不同，产生的异构现象。
②官能团异构
a．位置异构
由于官能团在碳链中位置不同而产生的同分异构现象，如CH3CH2CH===CH2与CH3—CH===CH—CH3。
b．类型异构
分子式相同，但具有不同的官能团而产生的同分异构现象，如CH3CH2OH与CH3—O—CH3。
(2)立体异构
①概念：原子或原子团的连接顺序相同，空间排布情况不同。
②顺反异构：当碳碳双键的两个碳原子所连接的其他两个原子或原子团不同时，就会产生顺反异构现象。如：。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)相对分子质量相同而结构不同的化合物互称为同分异构体。
(×)
(2)同分异构体之间由于分子组成相同，所以它们的性质相同。
(×)
(3)丙醛(CH3CH2CHO)和丙酮()互为官能团异构。
(√)
下列物质中属于碳骨架异构的是________，属于官能团位置异构的是________，属于官能团类型异构的是__________。
⑥CH3—CH2—CH2—OH
⑦CH3—CH===CH—CH3
⑧CH3—CH2—C≡CH
提示：③与⑤ ④与⑥、①与⑦ ②与⑧
二、有机化合物结构与性质的关系
1．官能团与有机化合物性质的关系
(1)有机化合物性质是由结构决定的：我们可以根据有机化合物的官能团中各键的极性强弱、碳原子饱和程度推测物质可能发生的化学反应。
(2)官能团与有机物性质的关系
2．不同基团间的相互影响与有机化合物性质的关系
(1)官能团与相邻基团之间也存在相互影响。
(2)羧酸和醇、醇和酚之所以化学性质不同，主要是因为羟基连接的原子团或基团不同。
(3)醛和酮化学性质不同，主要是因为羰基所连的原子团或基团不同。
苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，但是将甲苯通入酸性高锰酸钾溶液中，酸性高锰酸钾溶液的紫红色褪去，原因是什么？
提示：甲苯中甲基由于苯环的影响变得更活泼能被酸性高锰酸钾溶液氧化。
情境探究
学习任务 比较同位素、同素异形体、同系物和同分异构体四概念
情境素材
素材1 1946年，美国芝加哥大学利比教授发明了利用14C测定年代的技术，并于1960年获得诺贝尔化学奖。14C是碳元素的放射性同位素，半衰期是5 730年。例如，已死有机体中的比例值为活有机体比例值的一半，那么它的年龄就是14C的半衰期——5 730年。
素材2 纯净的金刚石是无色透明、正八面体形状的固体；石墨是一种深灰色有金属光泽而不透明的细鳞片状固体。石墨很软，在纸上划过可留下痕迹，有滑腻感。金刚石和石墨“形”或“性”有着天壤之别，但它们具有相同的“质”，它们是一对“孪生”兄弟，都由碳元素组成。
素材3 乳酸一般是在体内进行无氧代谢过程中产生的，左旋乳酸和右旋乳酸的结构简式如图所示：
合作探究
[问题1] 12C、13C、14C是同一种元素吗？它们是同素异形体吗？
提示：12C、13C、14C的质子数相同，是同一种元素。它们是同一元素的不同原子，互为同位素；它们不是单质，不互为同素异形体。
[问题2] 金刚石和石墨都是由碳元素组成的，它们互为同分异构体吗？
提示：金刚石和石墨都是由碳元素组成的不同单质，二者互为同素异形体；它们不是化合物，不互为同分异构体。
[问题3] 左旋乳酸和右旋乳酸是同一种物质吗？二者具有什么关系？
提示：不是同一种物质，二者互为同分异构体。
归纳探究
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 由同种元素组成的不同单质 结构相似，分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的有机化合物 分子组成相同，但结构不同的有机化合物
对象 原子 单质 有机化合物 有机化合物
特点 ①质子数相同②中子数不同③原子的核外电子排布相同，原子核结构不同 ①由同种元素组成②单质中原子的排列方式不同③化学式可相同，也可不同 ①符合同一通式②结构相似③分子式不同，组成上相差n(n≥1)个CH2 ①分子式相同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，物理性质有差异 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
实例 H、H和H；Cl和Cl O3和O2；金刚石(C)和石墨(C) 甲烷和乙烷 正戊烷、异戊烷和新戊烷
能力达成
1．下列说法正确的是( )
①1H2和2H2互为同位素
②乙烯和丙烯互为同系物
③互为同分异构体
④S4和S8互为同素异形体
A．①② B．②④
C．①③ D．③④
B [同位素的研究对象是同种元素的不同原子，1H2和2H2均为单质，不互为同位素，故①错误；乙烯和丙烯的结构相似，且分子组成上相差1个CH2原子团，两者互为同系物，故②正确；是同种物质，不互为同分异构体，故③错误；S4和S8是硫元素组成的不同单质，两者互为同素异形体，故④正确。]
2．下列各组物质中互为同分异构体的是( )
D [水与冰均由H2O分子构成，为同一种物质，故A错误；O2与O3是O元素形成的两种不同的单质，两者互为同素异形体，故B错误；与分子式相同，结构也相同，为同一物质，都是丙烷，故C错误；与的分子式都是C5H12，但结构不同，前者为异戊烷，后者为新戊烷，两者互为同分异构体，故D正确。]
学习任务 同分异构体的书写与判断
情境素材
同一种分子式出现不同的结构的现象，李比希和维勒在19世纪时就已发现，当时两人各自得到的两种性质完全不同的物质——氰酸和雷酸，但经测定这两种分子组成完全相同，随后由贝采里乌斯提出了“同分异性”，后改为“同分异构”。
合作探究
[问题1] 是否为同分异构体？说明理由。
提示：不是同分异构体，由于二者均为四面体结构，为同一种物质。
[问题2] CH3—CH===CH2 与互为同分异构体吗？同分异构体的化学性质一定相同吗？
提示：二者分子式相同，碳原子与碳原子间的连接方式不同，结构不同，是同分异构体；同分异构体可能是不同类的物质，如题干所述两种物质，它们的化学性质不同。
[问题3] C4H8属于烯烃的同分异构体有几种？试写出其结构简式。
提示：C4H8属于烯烃的结构有3种，其结构简式分别为CH2===CH—CH2—CH3、CH3—CH===CH—CH3、
归纳总结
1．同分异构体的书写
(1)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“减碳法”，可概括为“两注意、三原则、四顺序”。
实例：下面以己烷(C6H14)为例说明(为了简便易看，在所写结构式中省去了氢原子)。
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C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，即得多个带1个乙基或两个甲基、主链比母链少两个C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)
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：。
②位置异构：用箭头表示双键的位置，即。
故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
书写方法：一般按碳链异构→官能团位置异构→官能团类型异构的顺序来书写。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：
②官能团位置异构：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官能团类型异构：通式为CnH2n＋2O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，共有14种同分异构体。
2．同分异构体数目的判断
(1)基元法：如丁基有4种同分异构体，则丁醇有4种同分异构体。
(2)替代法：如二氯苯C6H4Cl2有3种同分异构体，四氯苯也有3种同分异构体(将H替代Cl、Cl替代H)。
(3)等效氢法：等效氢法是判断同分异构体数目的重要方法，其规律有：
①分子中同一个碳原子上的氢原子等效；
②与同一个碳原子相连的甲基上的氢原子等效。如新戊烷()分子中的12个氢原子是等效的；
③同一分子中处于轴对称位置或镜面对称位置上的氢原子是等效的。如分子中，在苯环所在的平面内有两条互相垂直的对称轴，故有两类等效氢原子；分子中的18个氢原子是等效的。
等效氢原子的种类数等于一元取代物的种类数。
(4)定一移一法
对于二元取代物(或含有官能团的一元取代物)的同分异构体的判断，可固定一个取代基的位置，再移动另一个取代基的位置以确定同分异构体的数目。
如分析C3H6Cl2的同分异构体，可先固定其中一个—Cl的位置，再移动另外一个—Cl的位置，从而得到其同分异构体为
能力达成
1．(2021·山东滕州一中月考)主链上含5个碳原子，有甲基、乙基2个取代基的烷烃有( )
A．2种 B．3种 C．4种 D．5种
A [主链含5个碳原子，则乙基只能连在主链的3号碳原子上。因此甲基的位置只有两种情况，即与乙基连在同一个碳原子上或连在与乙基所连碳原子相邻的碳原子上，故有两种，答案选A。]
2．(2021·黑龙江哈尔滨六中高二月考)青蒿素是抗疟特效药，属于萜类化合物，如图所示有机化合物也属于萜类化合物，该有机化合物的一氯代物有(不含立体异构) ( )
A．5种 B．6种 C．7种 D．8种
C [该分子不对称，分子中有7种不同化学环境的氢原子，即，则其一氯代物有7种，故C项正确。]
知识脉络
随堂测评
1．(双选)下列说法正确的是( )
A．两种烃相对分子质量相同，但结构不同，性质也不同，一定互为同分异构体
B．有机化合物和无机物之间可能出现同分异构现象
C．两种有机化合物若互为同分异构体，则它们一定不互为同系物
D．双键不像单键一样可以沿着键轴旋转，因此含有碳碳双键的有机化合物都会产生顺反异构现象
BC [两种烃相对分子质量相同，但结构不同，两者分子组成不一定相同，如C10H8和C9H20，则不一定互为同分异构体，故A错误；有机化合物和无机物之间可能出现同分异构现象，如尿素[CO(NH2)2]和氰酸铵(NH4CNO)，故B正确；同分异构体要求分子组成相同，而同系物要求分子组成相差一个或若干个CH2原子团，分子组成不相同，即互为同分异构体的两种有机化合物一定不互为同系物，故C正确；只有当碳碳双键的两个碳原子所连其他两个原子或原子团不同时，含有碳碳双键的有机化合物才会产生顺反异构现象，故D错误。]
2．与互为同分异构体的是( )
C [A项，二者为同系物，错误；B项，二者结构相同，分子式相同，属于同种物质，错误；C项，二者分子式相同，结构不同，互为同分异构体，正确；D项，二者结构相似，互为同系物，D错误。]
3．有机物分子中原子间(或原子与原子团间)的相互影响会导致物质化学性质不同。下列各项事实不能说明上述观点的是( )
A．甲苯能使酸性高锰酸钾溶液褪色，而甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色
B．乙烯能发生加成反应而乙烷不能发生加成反应
C．苯酚能和氢氧化钠溶液反应，而乙醇不能和氢氧化钠溶液反应
D．丙酮(CH3COCH3)分子中氢原子比乙烷分子中氢原子更容易被卤原子取代
B [甲苯分子中苯环使甲基活性增强，可以被酸性KMnO4溶液氧化，苯酚分子中苯环使羟基活性增强，丙酮分子中羰基使甲基活性增强，都说明原子团间的相互影响；B项中乙烯能发生加成反应是因为存在，故B项不能证明上述观点。]
4．下列各组物质中，属于同分异构体且属于位置异构的是( )
B [A中CH3CH2CH3和CH3CH(CH3)2分子式不同，不属于同分异构体；B中两种物质分子式相同，官能团位置不同，属于位置异构；C中物质、D中物质分子式相同，官能团不同，属于官能团异构。]
5．(2021·湖北孝感期中)有下列几组物质，请将字母填入下列横线上：
A．苯和乙苯
B．12C60和石墨
D.Cl和Cl
E．乙酸和乙二酸
(1)互为同位素的是________。
(2)互为同系物的是________。
(3)互为同素异形体的是________。
(4)互为同分异构体的是________。
(5)既不互为同系物，又不互为同分异构体，也不互为同素异形体，但可看成是同一类物质的是________。
[解析] A项，苯和乙苯均含苯环，结构相似，分子组成上相差2个CH2，二者互为同系物；B项，12C60和石墨是由碳元素组成的不同单质，二者互为同素异形体；C项，的分子式均为C7H7O2N，但二者结构不同，互为同分异构体；D项，Cl和Cl的质子数相同，中子数不同，是氯元素的两种不同核素，互为同位素；E项，乙酸和乙二酸均属于羧酸，但二者所含羧基官能团的数目不相等，属于同一类物质，但既不互为同系物，又不互为同分异构体，也不互为同素异形体。
[答案] (1)D (2)A (3)B (4)C (5)E
1
