1.1 第2课时 有机化合物中的共价键 有机化合物的同分异构现象 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学人教版（2019）选择性必修第三册

1.1第2课时　有机化合物中的共价键　有机化合物的同分异构现象
【学习目标】
1.从原子轨道重叠的角度认识共价键的类型,从电负性差异认识共价键极性与有机反应的难易关系,培养“宏观辨识与微观探析”的核心素养。
2.认识有机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,认识有机物存在构造异构和立体异构等同分异构现象,培养微观探析与模型认知的核心素养。
3.知道有机物分子中基团之间相互影响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物之间如何相互转化,培养“宏观辨识与微观探析”的核心素养。
【自主预习】
1.碳原子的结构及成键特点
2.共价键的类型
(1)根据成键原子的重叠方式的不同,分为　　　　和　　　　。
(2)σ键(以甲烷分子为例)
形成:在甲烷分子中,氢原子的　　　　轨道与碳原子的一个　　　　轨道沿着两个原子核间的键轴,以　　　　的形式相互重叠,形成了σ键。
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。
σ键的对称性:　　　　。
(3)π键(以乙烯分子为例)
形成:在乙烯分子中,两个碳原子均以　　　　轨道与氢原子的　　　　轨道及另一个碳原子的　　　　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。
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。
π键的对称性:　　　　。
注意:一般情况下,有机化合物中的单键是σ键,双键中含有一个σ键和一个π键,三键中含有一个σ键和两个π键。
(4)共价键的类型对有机化合物性质的影响
π键的轨道重叠程度比σ键的小,比较容易断裂而发生化学反应。例如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,而甲烷分子中含有C—H σ键,可发生取代反应。
3.共价键的极性与有机反应
(1)由于不同的成键原子间　　　　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　　　　,在反应中　　　　发生断裂。因此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)实验探究
实验操作: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)。
现象 解释 结论
两只烧杯中均有气泡产生,乙醇与钠反应　　　,蒸馏水与钠反应　　　 乙醇可以与钠反应产生氢气,是因为乙醇分子中的氢氧键极性　　　　,能够发生断裂。用方程式可表示为: 相同条件下,乙醇与钠的反应没有水与钠的反应剧烈,是由于乙醇分子中氢氧键的极性比水分子中氢氧键的极性　　　 基团之间的相互影响使得官能团中化学键的极性发生变化,从而影响官能团和物质的性 质
另外,由于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,也可断裂,如乙醇与氢溴酸的反应:
。
4.有机化合物的同分异构现象
(1)定义
化合物具有相同的　　　　,但具有不同结构的现象叫同分异构现象,具有同分异构现象的化合物互为同分异构体。
(2)分类
同分异构现象
5.键线式
在表示有机化合物的组成和结构时,将碳、氢元素符号省略,只表示分子中键的连接情况和官能团,每个拐点或终点均表示有一个碳原子,这样得到的式子称为键线式。例如:丙烯可表示为,乙醇可表示为。
【答案】
1.4　4　双键
2.(1)σ键　π键　(2)1s　sp3杂化　“头碰头”　轴对称　(3)sp2杂化　1s　sp2杂化　镜面对称
3.(1)电负性　越强　越容易　(2)缓慢　剧烈　较强
弱
4.(1)分子式
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)CH4与CH3Cl均为正四面体结构分子。 (　　)
(2)含5个C的烃中不可能含有5个C—C。 (　　)
(3)有机物分子中一定既有非极性键又有极性键。 (　　)
(4)有的烃分子中,一个碳原子形成3个共价键。 (　　)
(5)π键是由两个p轨道“头碰头”重叠形成的。 (　　)
(6)σ键是镜像对称的,而π键是轴对称的。 (　　)
(7)乙烷分子中的键全为σ键,而乙烯分子中含σ键和π键。 (　　)
(8)具有相同分子式,但结构不同的化合物互为同分异构体。 (　　)
(9)相对分子质量相同的几种化合物互为同分异构体。 (　　)
(10)与互为同分异构体。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×　(6)× (7)√　(8)√　(9)×　(10)×
2.CH2CH2中所有原子共面,CH3—CHCH2的所有原子也共面吗
【答案】不共面。
3.如何判断σ键和π键
【答案】①共价单键都是σ键;②共价双键和共价三键中有一个键是σ键,其他的都是π键。
【合作探究】
任务1　有机化合物中的共价键
情境导入　合成磷酸氯喹的原料之一氯喹(H)与合成阿比朵尔的中间体(I)的结构如图所示:
问题生成
1.与碳原子成键的有哪些元素的原子 每个碳原子通常能形成几个共价键
【答案】H、N、C、Cl、O、S、Br;4。
2.碳原子与哪些元素的原子形成单键 与哪些元素的原子形成双键
【答案】碳原子与氯、氢、溴、硫元素的原子间形成单键,碳原子与碳、氮、氧元素的原子间形成了单键和双键。
3.上述两种物质分子内存在的共价键类型有几种
【答案】两种分子均有σ键和π键,同时存在极性键和非极性键。
【核心归纳】
有机物中碳原子的成键特点
(1)有机化合物都含有碳元素,有机化合物的基本骨架是由碳原子通过共价键结合形成的碳链或碳环。
(2)在有机化合物分子中,碳原子总是形成4个共价键,碳原子之间可以形成碳碳单键(C—C)、碳碳双键()和碳碳三键()等;碳原子与氢原子之间只能形成碳氢单键(C—H);碳原子与氧原子之间则既可以形成碳氧单键(C—O)又可以形成碳氧双键(CO);碳原子与氮原子之间可以形成碳氮单键(C—N)、碳氮双键(CN)以及碳氮三键(C≡N)。
(3)有机物分子的形状与碳原子成键方式的关系
①当一个碳原子与其他4个原子以单键连接时,这个碳原子将采取四面体取向与之成键;
②当碳原子之间形成双键时,与双键碳原子相连的单键与双键之间的夹角接近120°,而且形成该双键的原子以及与之直接相连的原子处于同一平面上;
③当碳原子之间或碳原子与其他原子之间形成三键时,与三键相连的单键和三键之间的夹角为180°,即形成该三键的原子以及与之直接相连的原子处于同一直线上。
(4)饱和碳原子与不饱和碳原子
①饱和碳原子:仅以单键方式成键的碳原子。
②不饱和碳原子:以双键或三键方式成键的碳原子。
【典型例题】
【例1】下列关于苯乙炔()的说法错误的是(　　)。
A.该分子中有8个σ键和5个π键
B.该分子中碳原子有sp和sp2杂化
C.该分子中含有极性键和非极性键
D.该分子中有8个碳原子在同一平面上
【答案】A
【解析】A项,苯乙炔分子中含有14个σ键,苯环中有1个大π键,碳碳三键中有2个π键,故共含有3个π键,错误;B项,苯环中碳原子都采取sp2杂化,碳碳三键碳原子采取sp杂化,故该分子中碳原子有sp和sp2杂化,正确;C项,同种原子间形成的共价键为非极性键,不同原子间形成的共价键为极性键,该分子中碳原子间形成非极性键,碳与氢原子间形成极性键,正确;D项,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,正确。
【例2】下列关于丙烯(CH3—CHCH2)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个碳原子都是sp3杂化
C.丙烯分子中存在非极性键
D.丙烯分子中3个碳原子在同一平面上
【答案】B
【解析】丙烯(CH3—CHCH2)中存在6个C—H σ键和2个C—C σ键,还有1个π键,则共有8个σ键,1个π键,A项正确;甲基中的C原子为sp3杂化,中的C原子为sp2杂化,丙烯中只有1个C原子为sp3杂化,B项错误;C原子与C原子之间形成的共价键为非极性键,则丙烯分子中存在非极性键,C项正确;为平面结构,甲基中的C原子与双键碳原子直接相连,则三个碳原子在同一平面上,D项正确。
【例3】现有下列物质:①CH3CH3　②
③　④CH3CH2OH。请回答下列问题:
(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键的个数之比为　　　　。
(3)②③分子中碳原子的杂化类型有　　　　。
(4)④与羧酸发生酯化反应时,断裂的共价键为　　　　。
【答案】(1)①④　(2)11∶1　(3)sp3、sp2、sp　(4)O—H
【解析】(1)只含有σ键的分子就是只含单键的分子,包括CH3CH3、CH3CH2OH。
(2)单键都是σ键,双键中有1个σ键和1个π键,则分子中σ键与π键的个数之比为11∶1。
(3)饱和碳原子以sp3形式杂化,碳碳双键中的碳原子以sp2形式杂化,碳碳三键中的碳原子以sp形式杂化。
(4)酯化反应中,断键方式一般为“酸脱羟基醇脱氢”,醇断裂O—H。
任务2　有机化合物的同分异构现象
情境导入　目前,世界上的无机物有十多万种,而有机物有好几千万种,造成这种现象的最主要原因是同分异构现象。无机物中一种化学式一般只能代表一种物质,而有机化合物的一个化学式有可能代表很多种物质,如C16H34可代表一万多种有机物。
问题生成
1.一种分子式只表示一种有机物吗
【答案】不一定,可能表示多种有机物。
2.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
【答案】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,不互为同分异构体。
3.写出C2H6O的两种同分异构体的结构简式。
【答案】CH3CH2OH、CH3OCH3。
4.写出C4H8属于烯烃的构造异构体的结构简式。
【答案】CH2CH—CH2CH3、CH3—CHCH—CH3、。
【核心归纳】
1.同分异构体的书写方法
(1)减碳法(碳链异构)
可概括为“两注意、四顺序”。
下面以C7H16为例,写出它的同分异构体:
①将分子写成直链形式:
CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3。
②从直链上去掉一个—CH3,依次连在剩余碳链中心对称线一侧的各个碳原子上。甲基可连在2、3号碳原子上:,根据碳链中心对称,将—CH3连在对称轴的右侧就会与左侧连接方式重复。
③再从主链上去掉一个碳原子,可形成一个—CH2CH3或两个—CH3,即主链变为。当取代基为—CH2CH3时,由对称关系只能接在3号碳原子上。当取代基为两个甲基时,在主链上先定一个甲基,按照位置由近至远的顺序依次移动另外一个甲基,注意不要重复。即两个甲基可分别连接的碳原子号码是:2和2、2和3、2和4、3和3。
(2)取代法(适用于醇、卤代烃异构)
先碳链异构,后位置异构。如书写分子式为C5H12O的醇的同分异构体。如下(数字即为—OH接入后的位置,即这样的醇合计为8种):
。
(3)插入法(适用于烯烃、炔烃、酯等)
先根据给定的碳原子数写出烷烃的同分异构体的碳链骨架,再将官能团插入碳链中。
如书写分子式为C4H8的烯烃的同分异构体(插入双键),双键可分别在①②③号位置:。
2.同分异构体数目的确定
(1)烃基数确定一取代产物数目
—CH3、—C2H5各1种;—C3H7:2种;—C4H9:4种;—C5H11:8种。如丁醇、戊醛、戊酸等都有4种同类别的同分异构体。
(2)替代法
如二氯苯(C6H4Cl2)有3种同分异构体,则四氯苯(C6H2Cl4)也有3种同分异构体(将H替代Cl)。
(3)等效氢法
①同一甲基上的氢原子是等效的。
②同一碳原子上所连甲基上的氢原子是等效的。
如新戊烷()的四个甲基是等效的,所有的氢原子都是等效的,故新戊烷的一氯代物只有一种。
③处于对称位置上的氢原子是等效的。如的六个甲基是等效的,18个氢原子都是等效的,因此该物质的一氯代物也只有一种。
(4)组合法:的苯环的一氯代物有3×4=12种。
(5)定一移二法
对于二元取代物同分异构体的判断,可固定一个取代基位置,再移动另一个取代基,以确定同分异构体数目。
【典型例题】
【例4】下列有关同分异构体数目的叙述中正确的是(　　)。
A.戊烷有2种同分异构体
B.C8H10有3种属于芳香烃的同分异构体
C.甲苯苯环上的一个氢原子被含3个碳原子的烷基取代,所得产物有6种
D.CH3CH2CH2CH3在光照下与氯气反应,只生成1种一氯代烃
【答案】C
【解析】戊烷有3种同分异构体,A项错误;C8H10属于芳香烃的同分异构体的结构简式为 、、、,共有4种同分异构体,B项错误;3个碳原子的丙基有2种结构,所以取代苯环上的一个氢原子分别得到邻、间、对各3种同分异构体,共6种,C项正确;CH3CH2CH2CH3在光照条件下与Cl2发生取代反应,得到2种一氯代物,D项错误。
【例5】分子式为C4H8O2的有机化合物中,属于羧酸的有　　　种,属于酯的有　　　　种,写出所有酯的键线式:　　　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】2　4　、、、
【解析】将C4H8O2改写为C3H7COOH,因为丙基的同分异构体有2种,所以属于羧酸的有2种。写C4H8O2的酯的同分异构体时,从甲酸酯写到丙酸酯,考虑酸和醇可能的同分异构体,可知属于酯的有4种。
【随堂检测】
1.下列有机化合物中σ键与π键个数之比为3∶2的是(　　)。
A.CH3CH3 B.
C. D.CH4
【答案】C
【解析】CH4、CH3CH3分子中都没有π键;分子中有5个σ键与1个π键;分子中有3个σ键与2个π键。
2.下列关于σ键和π键的说法不正确的是(　　)。
A.一般含有π键的分子在进行化学反应时,分子中的π键比σ键活泼
B.在有些分子中,共价键可能只含有π键而没有σ键
C.有些原子在与其他原子形成分子时只能形成σ键,不能形成π键
D.当原子形成分子时,首先形成σ键,可能形成π键
【答案】B
【解析】同一分子中的π键比σ键活泼,反应时比较容易断裂,A项正确;在共价单键中只含有σ键,而含有π键的分子中一定含有σ键,B项错误、D项正确;氢原子、氯原子等跟其他原子形成分子时只能形成σ键,C项正确。
3.下列各组有机物不互为同分异构体的是(　　)。
A.乙醇和乙醚
B.间二甲苯和对二甲苯
C.乙酸和甲酸甲酯
D.和环丁烷
【答案】A
【解析】乙醇的结构简式为CH3CH2OH,乙醚的结构简式为CH3CH2—O—CH2CH3,二者的分子式不同,不互为同分异构体。
4.分子式为C7H16的烷烃中,含有3个甲基的同分异构体有(　　)。
A.2种 B.3种 C.4种 D.5种
【答案】B
【解析】满足条件的同分异构体:、、。
5.下列说法正确的是(　　)。
A.的一溴代物有5种
B.分子式是C5H10O2且属于羧酸的结构有5种
C.分子式是C4H8O且属于醛的结构有3种
D.C4H10的同分异构体有3种
【答案】A
【解析】含5种不同化学环境的H,则其一溴代物有5种,A项正确;分子式是C5H10O2且属于羧酸的结构,可看作丁基与—COOH相连,丁基有4种,则满足条件的结构有4种,B项错误;分子式是C4H8O且属于醛的结构,可看作丙基与—CHO相连,丙基有2种,则满足条件的结构有2种,C项错误;C4H10只有碳架异构,则有正丁烷、异丁烷两种,D项错误。
6.已知下列有机物:
①CH3—CH2—CH2—CH3和
②CH2CH—CH2—CH3和CH3—CHCH—CH3
③CH3—CH2—OH和CH3—O—CH3
④和
⑤CH2CH—CHCH2和CH3—CH2—C≡CH
(1)其中属于同分异构体的是　　　　(填序号,下同)。
(2)其中属于碳架异构体的是　　　　。
(3)其中属于官能团位置异构的是　　　　。
(4)其中属于官能团类型异构的是　　　　。
(5)其中属于同一种物质的是　　　　。
【答案】(1)①②③⑤　(2)①　(3)②　(4)③⑤　(5)④
【解析】解答此题的方法是先写出各物质的分子式,若分子式相同,再判断分子中含有的官能团是否相同,再进一步确定官能团的位置,最终对两种物质的关系做出判断。
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