第一章 第一节　有机化合物的结构特点 第2课时　有机化合物中的共价键 学案（含解析）

第2课时　有机化合物中的共价键
【课程标准要求】　
1.认识有机化合物的分子结构决定于原子间的连接顺序、成键方式和空间排布。
2.认识有机化合物分子中共价键的类型、极性及其与有机反应的关系，知道有机化合物分子中基团之间的相互影响会导致键的极性发生改变，从化学键的角度认识官能团与有机化合物之间是如何相互转化的。
一、共价键的类型
根据成键原子的重叠方式的不同，分为σ键和π键。
1.σ键
以甲烷分子为例：
(1)形成：氢原子的1s轨道与碳原子的一个sp3杂化轨道沿着两个原子核间的键轴，以“头碰头”的形式相互重叠。
(2)特点：通过σ键连接的原子或原子团可绕键轴旋转而不会导致化学键的破坏。
(3)σ键的对称性：轴对称。
2.π键
以乙烯分子为例：
　
乙烯分子中σ键和π键示意图
(1)形成：在乙烯分子中，两个碳原子均以sp2杂化轨道与氢原子的1s轨道及另一个碳原子的sp2杂化轨道进行重叠，形成4个C—H σ键与1个C—C σ键；两个碳原子未参与杂化的p轨道以“肩并肩”的形式从侧面重叠，形成了π键。
(2)特点：π键的轨道重叠程度比σ键的小，所以不如σ键牢固，比较容易断裂而发生化学反应。通过π键连接的原子或原子团不能绕键轴旋转。
(3)π键的对称性：镜面对称。
【微自测】
1.下列叙述中，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)CH4与CH3Cl均为正四面体结构分子(　　)
(2)有机物分子中均有σ键和π键(　　)
(3)含有π键的有机物一般容易发生加成反应(　　)
(4)乙烯分子中存在4个σ键和1个π键(　　)
(5)有机物分子中的碳原子均为sp2或sp杂化(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　
二、共价键的极性与有机反应
1.共价键的极性
由于不同的成键原子间电负性的差异，共用电子对会发生偏移。偏移的程度越大，共价键极性越强，在反应中越容易发生断裂。
有机化合物的官能团及其邻近的化学键往往是发生化学反应的活性部位。
2.钠与水、乙醇的反应
(1)金属钠与水反应的化学方程式为2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑；
(2)金属钠与乙醇反应的化学方程式为2Na＋2CH3CH2OH―→2CH3CH2ONa＋H2↑。
3.乙醇与氢溴酸的反应
(1)化学方程式：CH3CH2OH＋HBrCH3CH2Br＋H2O。
(2)反应类型：取代反应。
(3)反应机理：羟基中氧原子的电负性较大，乙醇分子中的碳氧键极性也较强，在反应中碳氧键发生了断裂。
4.有机反应特点
共价键的断裂需要吸收能量，而且有机化合物分子中共价键断裂的位置存在多种可能。相对无机反应，有机反应一般反应速率较小，副反应较多，产物比较复杂。
【微自测】
2.乙醇分子中不同的化学键如图所示。
关于乙醇有关性质的说法不正确的是(　　)
A.和金属钠反应键①断裂
B.在铜催化下和O2反应键①④断裂
C.乙醇与金属钠反应比水与金属钠反应缓慢
D.钠与乙醇反应时，钠熔化成一个小球在乙醇表面不断的游动
答案　D
解析　A项，和金属钠反应键①断裂，正确；B项，在铜催化下和O2反应键①④断裂，正确；C项，乙醇与金属钠反应比水与金属钠反应缓慢，正确；D项，钠与乙醇反应时，由于Na的密度比乙醇大，所以钠沉在乙醇的底部，错误。
一、有机化合物中的共价键
【活动探究】
乙烷、丙烯和乙炔分子的化学键如下图所示：
1.从结构上分析，乙烯的化学性质为什么比甲烷活泼？
提示　乙烯分子中含有π键，比甲烷分子中的C—H σ键更易断裂，更容易发生反应。
2.根据上述结构推测，乙烯和乙炔性质是否有相似之处？为什么？
提示　乙烯和乙炔分子的双键和三键中含有π键，都可以发生加成反应。
3.根据结构，预测丙烯分子能否发生取代反应、加成反应？
提示　丙烯分子中的甲基与乙烷分子类似，均为C—H σ键，能发生取代反应；丙烯分子与乙烯分子类似，具有碳碳双键， π键容易断裂发生加成反应。
4.乙炔分子与溴发生加成反应时，消耗溴分子的量与丙烯分子有何不同？
提示　乙炔分子中有2个π键，均能断裂发生加成反应，丙烯分子中只有1个π键，因此乙炔分子与溴发生加成反应时消耗溴分子的量是丙烯分子的2倍。
【核心归纳】
1.共价键的分类
(1)从原子轨道重叠方式分为σ键和π键。
(2)从共价键的极性分为极性键和非极性键。
(3)从共价键的共用电子对数分为单键、双键和三键。
2.σ、π键个数的计算
一般情况下，有机化合物中的单键是σ键，双键中含有一个π键和一个σ键，三键中含有一个σ键和两个π键。
3.共价键的类型与有机反应类型的关系
(1)烷烃分子中含有C—H σ键，能发生取代反应；
(2)乙烯和乙炔分子的双键和三键中含有π键，能发生加成反应。
碳原子成键特点
(1)在有机物中，碳原子有4个价电子，价键总数为4(成键数目多)。
(2)碳原子既可以与其他原子形成共价键，碳原子之间也可相互成键，既可以形成单键，也可以形成双键或三键(成键方式多)。
①碳原子间的成键方式：、—C≡C—；
②有机物中常见的共价键：、—C≡C—、、—C≡N、、苯环；
③在有机物分子中，仅以单键方式成键的碳原子称为饱和碳原子，连接在双键、三键或在苯环上的碳原子(所连原子的数目少于4)称为不饱和碳原子；
④单键可以旋转而(或三键)不能旋转。
(3)多个碳原子可以相互结合成长短不一的碳链和碳环，碳链和碳环还可以相互结合。
【实践应用】
1.在乙烯分子中有σ键和π键，下列说法不正确的是(　　)
A.中心原子采用sp2杂化
B.乙烯分子中有4个σ键和2个π键
C.杂化轨道形成σ键，未杂化的2p轨道形成π键
D.乙烯分子中所有原子一定在同一平面
答案　B
解析　乙烯分子中C原子上含有3个σ键，中心原子采用sp2杂化，故A正确；乙烯分子中含有一个双键和4个单键，则含有5个σ键和1个π键，故B错误；在乙烯分子中杂化轨道形成σ键，未杂化的2p轨道形成π键，故C正确；乙烯分子中中心原子采用sp2杂化，属于平面结构，所以乙烯分子中所有原子一定在同一平面，故D正确；故选B。
2.下列有机化合物中σ键与π键个数比为3∶2的是(　　)
A.CH3CH3 B.CH2===CH2
C.CH≡CH D.CH4
答案　C
3.计算1 mol下列有机物中σ键和π键的数目(用NA表示，NA为阿伏加德罗常数的值)。
答案　(1)13NA　NA　(2)14NA　3NA
二、共价键的极性对有机反应的影响
【活动探究】
向两只分别盛有蒸馏水和无水乙醇的烧杯中各加入同样大小的钠(约绿豆大)，观察现象。
1.金属钠与水、乙醇反应的现象有何相同点和不同点？
提示　(1)相同点：金属钠与水和乙醇反应均有气体产生。
(2)不同点：①金属钠浮在水面上而沉在乙醇底部；②钠块与水反应产生气泡较快。
2.从化学键的角度分析产生上述现象的原因是什么？
提示　(1)水和乙醇分子中的氢氧键极性较强，都能够发生断裂与钠能发生反应放出氢气。
(2)同样条件下，乙醇分子中氢氧键的极性比水分子中氢氧键的极性弱。
3.已知乙酸的结构为，乙酸与钠反应的剧烈程度比水、乙醇与钠反应更剧烈，试分析其原因。
提示　由于羰基()对—OH的影响，使得乙酸分子中的O－H键更容易断裂，乙酸与金属钠反应更剧烈。
【核心归纳】
1.共价键的极性对有机反应的影响
(1)乙醇分子从结构上看是乙烷分子的一个氢原子被羟基取代后的产物，但其分子中的共价键种类却比乙烷分子的多，化学性质也更复杂。
(2)由于受非金属性比较强的氧原子的影响，使得：
①和氧直接相连的O—H键、C—O键极性较强，容易断裂；
②和氧不直接相连的C—H键极性也相应增强，在化学反应中，上述化学键都有断裂的可能。
但是①是主角，可以单独断裂，②是配角，一般和①组合在一起断裂。
2.大多数有机化合物分子中存在两个或多个极性键，决定了断键位置可能有多种情况，导致副反应较多，产物比较复杂。例如乙醇分子中，不仅O—H能断裂，C—O的极性也较强。
+H2O。
【实践应用】
4.比较乙烷和乙醇的结构，下列说法错误的是(　　)
A.分子中两个碳原子都以单键相连
B.分子中都含有6个性质相同的氢原子
C.乙基与一个氢原子相连就是乙烷分子
D.乙基与一个羟基相连就是乙醇分子
答案　B
解析　乙醇分子里的6个氢原子不是完全相同的，羟基氢原子与其他5个氢原子的活泼性不同。
5.下列各组分子中按共价键的极性由强到弱排序正确的是(　　)
A.HF、H2O、NH3、CH4 B.CH4、NH3、H2O、HF
C.H2O、HF、CH4、NH3 D.HF、H2O、CH4、NH3
答案　A
解析　共价键极性的比较，主要看成键的两个原子吸引电子能力的差别，差别越大，则电子对偏移程度越大，键的极性越强。F、O、N、C四种元素的非金属性依次减弱，则它们吸引电子的能力也依次减弱，形成的氢化物中共价键的极性也依次减弱。
6.乙酸、水和乙醇的分子结构如表所示，三者结构中的相同点是都含有羟基，下列说法错误的是(　　)
乙酸
水
乙醇 CH3—CH2—OH
A.羟基的极性：乙酸＞水＞乙醇
B.与金属钠反应的剧烈程度：水＞乙醇
C.羟基连接不同的基团可影响羟基的活性
D.羟基极性不同的原因是羟基中的共价键类型不同
答案　D
解析　与Na反应越剧烈，羟基氢原子的活泼性越强，对应羟基的极性越强，与Na反应的剧烈程度；乙酸＞水＞乙醇，则羟基的极性：乙酸＞水＞乙醇，A、B项正确；题给3种化合物中均含有羟基，但羟基连接的基团不同，导致羟基的活性不同，C项正确；羟基中的O—H都是σ键，D项错误。
核心体系建构
1.有人认为化合物中数量、品种最多的是ⅣA族的碳的化合物，下列关于其原因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.碳原子性质非常活泼，易跟多种原子形成共价键
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、支链及环，且链、环之间又可以相互结合
答案　B
解析　碳四价理论是有机化学中的基础理论，4次成键机会造成多种成键方式，使由碳形成的有机物丰富多彩。
2.下列分子中仅含有σ键不含有π键的是(　　)
A.CH3CH3 B.N2
C.C2H4 D.CO2
答案　A
3.下列关于苯乙炔的说法错误的是(　　)
A.该分子有8个σ键和5个π键
B.该分子中碳原子有sp和sp2杂化
C.该分子中存在非极性键
D.该分子中有8个碳原子在同一平面上
答案　A
解析　苯乙炔分子中含有14个σ键，苯环中有1个大π键，—C≡C—键中有2个π键，故共含有3个π键，故A错误；苯环中碳原子都采取sp2杂化，碳碳三键碳原子采取sp杂化，该分子中碳原子有sp和sp2杂化，故B正确；同种原子间形成的共价键为非极性键，该分子中碳原子间形成非极性键，故C正确；苯环是平面形结构，碳碳三键是直线形结构，因此该分子中有8个碳原子在同一平面上，故D正确。
4.对于分子式为C5H8的有机化合物结构的说法中不正确的是(　　)
A.可能是分子中只有一个双键的链烃
B.分子中可能有两个双键
C.分子中可能只含有一个三键
D.分子中含有一个双键的环烃
答案　A
解析　含5个碳原子的饱和烃应含有12个氢原子，C5H8较饱和烃少了12－8＝4个氢原子，每减少2个氢原子就增加一个不饱和度，所以该分子结构有四种可能：①两个双键，②一个三键，③一个双键和一个环，④两个环。故A项不合理。
5.有下列物质：①CH3CH3　②CH3—CH===CH—CH3
③CH3—C≡CH　④CH3CH2OH
请思考回答：
(1)上述4种有机物分子中只含有σ键的有________(填序号)。
(2)②分子中σ键与π键的个数比为________。
(3)②③分子中碳原子的杂化类型有________。
(4)④发生酯化反应时，一般断裂的共价键为________键。
(5)④与HBr反应时④中断裂的共价键为________键。
答案　(1)①④　(2)11∶1　(3)sp3、sp2、sp　(4)O—H　(5)C—O
一、选择题(本题包含12个小题，每小题只有一个选项符合题意)
1.下列物质的分子中，没有π键的是(　　)
A.CO2 B.N2
C.CH≡CH D.HClO
答案　D
解析　HClO分子结构中不含双键或三键，没有π键。
2.下列关于σ键和π键的理解错误的是(　　)
A.σ键一般能单独形成，而π键一般不能单独形成
B.σ键可以绕键轴旋转，π键一定不能绕键轴旋转
C.CH3—CH3、CH2===CH2、CH≡CH中σ键都是C—C键，所以键能都相同
D.碳碳双键中有一个σ键，一个π键，碳碳三键中有一个σ键，两个π键
答案　C
解析　σ键可以单独形成，且可以绕键轴旋转，而π键不能单独形成也不能绕键轴旋转，A、B两项正确；C项三种物质中σ键为C—C键和C—H键，C错误。
3.如图是氢原子的电子云重叠示意图。以下说法中错误的是(　　)
A.图中电子云重叠意味着电子在核间出现的概率增大
B.氢原子核外的s轨道重叠形成共价键
C.氢原子的核外电子呈云雾状，在两核间分布得浓一些，将两核吸引
D.氢原子之间形成s－s σ键
答案　C
解析　电子云重叠说明电子在核间出现的概率增大，A选项正确；两个H原子之间形成s－s σ键，B、D选项正确；电子云是对核外电子运动状态的形象化描述，原子间通过共用电子对(即电子云重叠)形成共价键，C选项不正确。
4.大多数有机化合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
答案　C
解析　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，故C项正确。
5.下列化学式及结构式中，从成键情况看来不合理的是(　　)
答案　B
解析　从元素的化合价分析可得答案。
6.下列说法正确的是(　　)
A.羟基与氢氧根有相同的化学式和电子式
B.乙醇的官能团是—OH，乙醇是含—OH的化合物
C.常温下，1 mol乙醇可与足量的Na反应生成11.2 L H2
D.乙醇分子中键的极性比—O—H键的极性强
答案　B
解析　羟基的化学式是—OH，电子式是，氢氧根的化学式是OH－，电子式是，所以A选项错误；1 mol乙醇与足量的Na反应可以生成0.5 mol H2，但在常温下不是11.2 L，C选项错误；乙醇分子中—O—H键的极性更强，D选项错误。
7.下列表示不正确的是(　　)
A.乙烯的结构式：
B.甲酸甲酯的结构简式：C2H4O2
C.2－甲基丁烷的键线式：
D.甲基的电子式：
答案　B
解析　乙烯的分子式为C2H4，结构式为，A正确；甲酸甲酯的结构简式为HCOOCH3，B错误；2－甲基丁烷的结构简式为，键线式为，C正确；甲基为电中性基团，电子式为，D正确。
8.关于乙醇的说法中正确的是(　　)
A.乙醇结构中有—OH，所以乙醇溶解于水可以电离出OH－而显碱性
B.乙醇与乙酸反应生成乙酸乙酯，所以乙醇显碱性
C.乙醇与钠反应可以产生氢气，所以乙醇显酸性
D.乙醇与钠反应放出H2，所以乙醇羟基上的氢原子比其他氢原子活泼
答案　D
解析　乙醇是非电解质，既不属于碱也不属于酸，不能电离出OH－；B项中，属于酯化反应不是酸碱中和反应。
9.下列关于乙醇和水分别与钠反应的比较中不正确的是(　　)
A.乙醇和水分别与钠的反应都是置换反应
B.乙醇与钠反应缓慢是因为其羟基上的氢原子不如水中的氢原子活泼
C.钠沉在乙醇的底部而浮在水面，说明乙醇的密度<钠的密度<水的密度
D.相同质量的乙醇和水分别与足量钠反应，同温同压下产生氢气的体积相同
答案　D
解析　乙醇和水的摩尔质量(相对分子质量)不同，同质量的乙醇和水的物质的量不同，与钠反应时产生氢气的体积不同。
10.下列关于丙烯(CH3—CH===CH2)的说法错误的是(　　)
A.丙烯分子中有8个σ键、1个π键
B.丙烯分子中3个碳原子都采取sp3杂化
C.丙烯分子中存在非极性键
D.丙烯分子中最多有7个原子在同一平面
答案　B
解析　丙烯分子中含有6个C—H键、1个C—C键和1个C===C键，其中C—C键、C—H键均为σ键，C===C键中有1个σ键和1个π键，则丙烯分子中有8个σ键和1个π键，A正确；甲基C原子采取sp3杂化，双键C原子采取sp2杂化，B错误；同种非金属元素原子之间形成非极性键，则丙烯分子中碳原子间存在非极性键，C正确；碳碳双键为平面结构，甲基为四面体结构，通过单键旋转，丙烯分子中最多有7个原子在同一平面上，D正确。
11.一种植物生长调节剂的分子结构如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.该物质含有3种官能团
B.该物质中C—O键、O—H键在化学反应中易断裂
C.该物质中碳原子采取两种杂化方式
D.该物质属于脂环烃
答案　D
解析　该物质含有羧基、羰基、羟基3种官能团，A正确；该物质中C—O键、O—H键极性较强，在化学反应中容易断裂，B正确；该物质中含有甲基、亚甲基和次甲基，碳原子采取sp3杂化，还含有C===O键，碳原子采取sp2杂化，C正确；该物质含有O元素，为烃的衍生物，D错误。
12.下列羧酸的酸性最弱的是(　　)
A.CH3COOH B.CH2FCOOH
C.HCOOH D.CHF2COOH
答案　A
解析　根据与羧基(—COOH)相连的基团中共价键或基团的特点进行判断。—CH3是推电子基团，导致羧基中O—H的极性减弱，酸性减弱，故酸性HCOOH＞CH3COOH；F的电负性最大，C—F的共用电子对偏向F，通过传导作用，导致羧基中O—H的极性增强，酸性增强，F原子数越多，酸性越强，故酸性CHF2COOH＞CH2FCOOH＞CH3COOH，故选A。
二、非选择题(本题共2小题)
13.已知下列物质：
①CH4　②CH≡CH　③CH2===CH2　④　⑤CCl4
其中，只含有极性键的是________，既含有极性键又含有非极性键的是________；既含单键又含双键的是________。
答案　①⑤　②③④　③
解析　CH4中只含有C—H键，C—H为极性键；CH≡CH中含有—C≡C—键(非极性键)与C—H键(极性键)；CH2===CH2中含有非极性键C—H键和极性键C—H键；苯中碳和碳之间是非极性键，C—Cl键是极性键；CCl4中只含有极性键C—Cl键。
14.某有机物的结构如图所示：
根据该有机物的结构回答下列问题：
(1)该物质的1个分子中含有________个不饱和碳原子。
(2)分子中的单键分别为________(写名称，下同)；
分子中的双键分别为________；1个分子中三键的数目为________。
(3)写出两种极性键：________；
写出两种非极性键：________。
答案　(1)4
(2)碳氢键、碳氯键、碳硫键、碳碳单键　碳氧双键、碳碳双键　1
(3)碳氢键、碳氯键、碳硫键、碳氧双键、碳氮三键(写两种即可)　碳碳单键、碳碳双键
解析　(1)根据饱和碳原子和不饱和碳原子的定义可以判断1个该物质分子中含有1个饱和碳原子，4个不饱和碳原子。(2)该物质分子中含有的单键分别是碳氢单键(4个)、碳氯单键(1个)、碳硫单键(2个)、碳碳单键(2个)；双键分别是碳氧双键(1个)、碳碳双键(1个)；三键是碳氮三键(1个)。(3)含有的极性键有碳氢单键、碳氯单键、碳硫单键、碳氧双键、碳氮三键；含有的非极性键为碳碳单键、碳碳双键。