第二章 烃 第三节　芳香烃（学案）（含答案）——2022-2023学年高二化学人教版（2019）选择性必修3

第三节　芳香烃
【学习目标】
1.从化学键的特殊性了解苯的结构特点，进而理解苯性质的特殊性。
2.根据平面正六边形模型，能判断含苯环有机物分子中原子之间的空间位置关系。
3.掌握苯的同系物的性质，了解有机反应类型与分子结构特点的关系。
【基础知识】
一、苯
1、芳香烃
分子里含有 苯环 的 烃类 化合物。最简单的芳香烃是 苯 。
2、苯的分子结构
(1)分子结构
苯分子为平面 正六边形 结构，分子中 12 个原子共平面，碳原子均采取 sp2 杂化，每个碳的杂化轨道分别与氢原子及相邻碳原子的 sp2 杂化轨道以σ键结合，键间夹角均为120° ，连接成六元环状。每个碳原子余下的p轨道 垂直于 碳、氢原子构成的平面，相互 平行重叠 形成 大π 键，均匀地对称分布在苯环平面的上下两侧。
(2)分子组成和结构的不同表示方法
3、苯的物理性质
颜色 状态 密度 熔、沸点 溶解性 毒性 挥发性
无 色 液体 比水 小 较低 不 溶于水 有毒 易挥发
4、苯的化学性质
二、苯的同系物
1、组成和结构特点
(1)苯的同系物是苯环上的氢原子被 烷基 取代后的产物。
(2)分子中只有一个 苯环 ，侧链都是 烷基 。
(3)通式为 CnH2n－6 (n≥7)。
2、常见的苯的同系物
名称 结构简式
甲苯
乙苯
二甲苯 邻二甲苯
间二甲苯
对二甲苯
3、物理性质
一般具有 类似苯 的气味， 无 色液体， 不 溶于水， 易 溶于有机溶剂，密度比水的 小 。
4、化学性质
苯的同系物与苯都含有苯环，因此和苯具有相似的化学性质，能在一定条件下发生 溴代 、硝化 和 催化加氢 反应，但由于 苯环和烷基 的相互影响，使苯的同系物的化学性质与苯和烷烃又有所不同。
(1)氧化反应
①苯的同系物大多数能被酸性KMnO4溶液 氧化 而使其 褪色 。
②均能燃烧，燃烧的通式：
CnH2n－6＋O2nCO2＋(n－3)H2O。
(2)取代反应
(3)加成反应
甲苯与氢气反应的化学方程式：
＋3H2。
5、苯与苯的同系物在分子组成、结构和性质上的异同
苯 苯的同系物
相同点 结构组成 ①分子中都含有一个苯环②都符合分子通式CnH2n－6(n≥6)
化学性质 ①燃烧时现象相同，火焰明亮，伴有 浓烟 ②都易发生苯环上的 取代 反应 ③都能发生加成反应，但都比较困难
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，使侧链烃基活化而易被氧化；侧链烃基影响苯环，使苯环上烃基邻、对位的氢原子活化而被取代
6、芳香族化合物、芳香烃、苯的同系物的关系如下图
【考点剖析】
考点一　苯的结构和性质
1．下列各组物质，不能用分液漏斗分离的是(　　)
A．苯和水 B．苯和二甲苯
C．溴苯和水 D．汽油和水
答案　B
解析　苯和水互不相溶，可用分液漏斗分离，A不符合；苯和二甲苯互溶，不能用分液漏斗分离，B符合；溴苯和水互不相溶，可用分液漏斗分离，C不符合；汽油和水互不相溶，可用分液漏斗分离，D不符合。
2．下列实验操作中正确的是(　　)
A．将溴水、铁粉和苯混合加热即可制得溴苯
B．除去溴苯中红棕色的溴，可用稀NaOH溶液反复洗涤，并用分液漏斗分液
C．苯和浓HNO3在浓H2SO4催化下反应制取硝基苯时需水浴加热，温度计应放在混合液中
D．制取硝基苯时，应先加2 mL浓H2SO4，再加入1.5 mL浓HNO3，然后再滴入约1 mL苯，最后放在水浴中加热
答案　B
解析　苯和液溴在Fe催化作用下反应可得溴苯，而溴水不行。苯和浓HNO3在浓H2SO4催化作用下反应制取硝基苯时需水浴加热，温度计应放在水浴中测水的温度，控制在50～60 ℃，混合浓硫酸和浓硝酸时，应将浓硫酸加入浓硝酸中，且边加边振荡(或搅拌)散热，冷却后再加入苯。
3．下列对有机物结构或性质的描述，错误的是(　　)
A．一定条件下，Cl2可与甲苯发生苯环上的取代反应
B．乙烷和丙烯的物质的量共1 mol，完全燃烧生成3 mol H2O
C．光照条件下，2,2-二甲基丙烷与Br2反应，其一溴取代物只有一种
D．苯的二氯代物有3种，说明苯分子是由6个碳原子以单双键交替结合而形成的六元环状结构
答案　D
解析　Cl2在催化剂存在的条件下会发生苯环上的取代反应，A项说法正确；C2H6、C3H6分子中均含6个氢原子，所以1 mol混合物中含6 mol 氢原子，燃烧后生成3 mol H2O，B项说法正确；2,2-二甲基丙烷的结构简式为C(CH3)4，只有一种化学环境的氢原子，其一溴取代物只有一种，C项说法正确；无论是否含有双键，苯的二氯化物均为3种，D项说法错误。
4．下列关于苯的叙述正确的是(　　)
A．反应①为取代反应，有机产物与水混合浮在上层
B．反应②为氧化反应，反应现象是火焰明亮并带有浓烟
C．反应③为取代反应，有机产物是一种烃
D．反应④中1 mol苯最多与3 mol H2发生加成反应，是因为苯分子中含有三个碳碳双键
答案　B
解析　反应①为苯的溴代，生成的溴苯密度比水大，沉在水底，A错误；反应③为苯的硝化，属于取代反应，生成的硝基苯为烃的衍生物，C错误；苯分子中无碳碳双键，D错误。
考点二　苯的同系物的结构和性质
5．只用一种试剂就能将甲苯、己烯、四氯化碳、碘化钾溶液区分开，该试剂是(　　)
A．酸性高锰酸钾溶液 B．溴化钾溶液
C．溴水 D．硝酸银溶液
答案　C
解析　A选项，酸性KMnO4溶液有强氧化性，能氧化甲苯、己烯而褪色，不能用于区分它们；B选项，溴化钾溶液加入题述四种液体中，由于甲苯、己烯的密度都比水的小，混合后分层，有机层在上层，都无化学反应发生，从而不能区分；由于CCl4的密度比水的密度大，混合后分层，有机层在下层；与KI溶液不分层；D选项，AgNO3溶液与溴化钾溶液作用类似，但KI溶液中会出现黄色沉淀；C选项，甲苯与溴水分层，溴被萃取到甲苯中处于上层，呈橙红色，下层为水层，接近无色；己烯使溴水褪色，可见上下分层，但都无色；CCl4萃取Br2，上层为水层，无色，下层为Br2的CCl4溶液，呈橙红色；溴水与KI溶液不分层，但发生反应，置换出I2可使溶液颜色加深，四种溶液的现象各不相同。
6．下列物质属于芳香烃，但不是苯的同系物的是(　　)
①　②　③　④　⑤　　⑥
A．③④ B．②⑤
C．①②⑤⑥ D．②③④⑤⑥
答案　B
解析　和含有一个苯环，属于苯的同系物；和尽管都含有一个苯环，但它们都含有其他原子(N或O)，不属于芳香烃；含有碳碳双键，属于芳香烃，但不是苯的同系物；含有两个苯环，属于芳香烃，但不是苯的同系物。
7．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．
C．对二甲苯 D．乙苯
答案　D
解析　苯的同系物在苯环上有一个氢原子被其他原子或原子团取代后，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，邻二甲苯的对称轴及对称位置为，其中3和6、4和5是对称位置，则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。
8．下列说法中，正确的是(　　)
A．芳香烃的分子通式是CnH2n－6(n≥6，且n为正整数)
B．苯的同系物是分子中仅含有一个苯环的所有烃类化合物
C．苯和甲苯都不能使酸性KMnO4溶液褪色
D．苯和甲苯都能与卤素单质、硝酸等发生取代反应
答案　D
解析　芳香烃是分子中含一个或多个苯环的烃类化合物；而苯的同系物仅指分子中含有一个苯环，且苯环的侧链全部为烷基的烃类化合物，通式为CnH2n－6(n>6，且n为正整数)，A、B错误；苯和甲苯都能与卤素单质、硝酸等发生取代反应，D正确；甲苯能使酸性KMnO4溶液褪色而苯不能，C错误。
9．分子式为C9H12的苯的同系物，已知苯环上只有一个取代基，下列说法中正确的是(　　)
A．该有机物能发生加成反应，但不能发生取代反应
B．该有机物不能使酸性高锰酸钾溶液和溴水褪色
C．该有机物分子中的所有原子不可能在同一平面上
D．该有机物的一溴代物最多有5种同分异构体
答案　C
解析　该有机物为或，苯环可以和H2发生加成反应，在光照条件下可发生侧链上的取代反应，也可发生苯环上的硝化反应等取代反应，A项不正确；苯环侧链可以被酸性KMnO4溶液氧化而使其褪色，B项不正确；甲基(—CH3)上所有原子不可能共面，C项正确；有6种一溴代物，有5种一溴代物，D项不正确。
考点三　芳香烃
10．某有机物的结构简式如图，则下列说法正确的是(　　)
A．该物质为苯的同系物
B．该物质的一氯取代有4种
C．该物质的分子式为C12H11
D．在铁做催化剂时，该物质可以和溴水发生取代反应
答案　B
解析　A项，该物质中含有两个苯环，不属于苯的同系物，错误；B项，该物质分子结构对称，故该物质的一氯取代物有4种()，正确；C项，由该物质的分子结构可知，其分子式为C12H12，错误；D项，在铁做催化剂时，该物质可以和液溴发生取代反应，而不是溴水，错误。
11．、、都属于萘的同系物。萘和萘的同系物分子组成通式是(　　)
A．CnH2n－6(n≥11) B．CnH2n－8(n＞10)
C．CnH2n－10(n≥10) D．CnH2n－12(n≥10)
答案　D
解析　萘环有7个不饱和度，因此萘的同系物分子组成通式是CnH2n＋2－14＝CnH2n－12(n≥10)。
12．如图为酷似奥林匹克旗中的五环的有机物，科学家称其为奥林匹克烃，下列有关奥林匹克烃的说法正确的是(　　)
A．该烃的一氯代物只有一种
B．该烃分子中只含非极性键
C．该烃完全燃烧生成H2O的物质的量小于CO2的物质的量
D．该烃属于烷烃
答案　C
解析　该烃为对称结构，所以可以沿对称轴取一半考虑，对连有氢原子的碳原子进行编号，如图所示，，则其一氯代物有七种，A错误；分子结构中含有碳碳非极性键和碳氢极性键，B错误；该有机物的分子式为C22H14，完全燃烧，产物的物质的量之比为n(H2O)∶n(CO2)＝7∶22，生成H2O的物质的量小于CO2的物质的量，C正确；从结构上看，奥林匹克烃属于稠环芳香烃，属于芳香族化合物，不属于烷烃，D错误。
13．已知：苯的同系物中，与苯环直接相连的碳原子上有氢原子，就能被酸性高锰酸钾溶液氧化，生成芳香酸，反应如下：
现有苯的同系物甲、乙、丙，分子式都是C10H14，完成以下空格。
(1)甲不能被酸性高锰酸钾溶液氧化为芳香酸，它的结构简式是________________。
(2)乙能被酸性高锰酸钾溶液氧化成分子式为C9H6O6的芳香酸，则乙可能的结构有________种。
(3)丙苯环上的一溴代物只有一种。试写出丙可能的结构简式：__________________________、____________________________________(写2种)。
答案　(1)　(2)6　(3)　(答案合理即可)
解析　(1)根据题意，甲不能被酸性高锰酸钾溶液氧化为芳香酸，表明与苯环直接相连的碳原子上没有氢原子，它的结构简式为。
(2)乙能被酸性高锰酸钾溶液氧化成分子式为C9H6O6的芳香酸，表明苯环上有3个侧链且与苯环直接相连的碳原子上均有氢原子，故3个侧链为2个甲基和1个乙基，2个甲基处于邻位时，乙基的位置有2种；2个甲基处于间位时，乙基的位置有3种；2个甲基位于对位时，乙基的位置有1种，则乙可能的结构共有6种。
(3)丙苯环上的一溴代物只有一种，丙可能的结构简式有、、、。
14．已知：①R—NO2R—NH2；
②＋HO—SO3H＋H2O；
③苯环上原有的取代基对新导入的取代基进入苯环的位置有显著影响。
以下是用苯做原料制备某些化合物的转化关系图：
(1)A是一种密度比水________(填“小”或“大”)的无色液体；A转化为B的化学方程式是________________________________________________________________________。
(2)在“CD”的所有反应中属于取代反应的是________(填字母)，属于加成反应的是________(填字母)；用核磁共振氢谱可以证明化合物D中有________种处于不同化学环境的氢原子。
(3)B的苯环上的二氯代物有________种同分异构体；CH3NH2的所有原子________(填“可能”或“不可能”)在同一平面上。
答案　(1)大　＋CH3Cl＋HCl　(2)a、b　c　3　(3)6　不可能
解析　(1)结合框图中苯转化为A的条件可知，A为硝基苯。运用逆推法可确定B中苯环上甲基的位置，得出B的结构简式为。
(2)由苯到的各个转化条件可知C为，D为。从而可推知各个反应的反应类型。
(3)CH3NH2可看成CH4中的一个氢原子被—NH2取代，CH4的空间构型为正四面体形，因此CH3NH2的所有原子不可能在同一平面上。