第二单元 芳香烃
第1课时 苯的结构和性质
【课程标准】
1.能描述苯的分子结构特征与性质之间的关系。
2.能通过实验探究认识苯的化学性质。
3.能举例说明反应条件对有机反应产物的影响与意义。
【素养目标】
1.通过苯的发现和苯分子结构学说,感受科学发展过程,养成严谨求学、勤于思考的学习态度。(科学态度与社会责任)
2.从化学键的特殊性理解苯的结构特点,进而理解苯性质的特殊性。理解有机反应类型与分子结构特点的关系。(宏观辨识与微观探析)
一、苯的分子结构
1.苯的分子式:C6H6,结构式:,结构简式:。
2.苯的空间结构是平面正六边形,六个碳原子均采取sp2杂化,分别与氢原子及相邻碳原子形成σ键,键角均为120°;碳碳键的键长相等,介于单键和双键之间。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。
二、苯的性质
1.取代反应
(1)卤化反应:在三卤化铁作催化剂时,苯与氯单质或溴单质发生取代反应生成一卤代苯、二卤代苯等。生成的二卤代苯主要是邻位和对位的取代产物。苯与液溴在FeBr3催化条件下的反应:+Br2+HBr。
溴苯():无色液体,有特殊气味,不溶于水,密度比水的大。
(2)硝化反应:苯与浓硝酸、浓硫酸的混合物在50~60 ℃时生成一取代物硝基苯,100~110 ℃时生成二取代产物间二硝基苯。苯与浓硝酸、浓硫酸的混合物在50~60 ℃的反应:+HO—NO2+H2O。
硝基苯():无色液体,有苦杏仁气味,不溶于水,密度比水的大。
2.加成反应
苯与H2在温度为180~250 ℃,压强为18 MPa,以Ni为催化剂的情况下发生加成反应生成环己烷:+3H2。
【知识点一】苯的分子结构和性质
1.苯的分子结构
(1)苯中碳原子采取sp2杂化,除σ键外还含有大π键。苯分子为平面形结构,分子中的6个碳原子和6个氢原子共平面。
(2)苯不存在单双键交替结构,可以从以下几个方面证明:
①结构上:苯分子中六个碳碳键均等长,六元碳环呈平面正六边形;
②性质上:苯不能发生碳碳双键可发生的反应,如使酸性KMnO4溶液褪色等;
③二氯代苯的结构:邻二氯苯只有一种结构,而若为单双键交替应有两种结构(和)。
2.苯的化学性质
反应 化学方程式 反应类型
燃烧 2C6H6+15O212CO2+6H2O 氧化反应
① +Br2+HBr 取代(卤代)反应
② +HNO3+H2O 取代(硝化)反应
③ +3H2 加成(还原)反应
【合作探究】
烷烃中脱去2 mol氢原子形成1 mol双键要吸热,但1,3-环己二烯()脱去2 mol氢原子变成苯却放热,可推断乙烷和乙烯、1,3-环己二烯和苯谁更稳定 请从结构角度解释原因。(证据推理与模型认知)
提示:化学反应中放热越多生成物的状态越稳定,即苯比1,3-环己二烯更稳定;反之,吸热越多反应物的状态越稳定,即乙烷比乙烯稳定。乙烷分子中只有σ键,乙烯分子中有σ键和π键,π键不如σ键键能高;苯分子中的大π键键能更大,苯更稳定。
【典例引导】
【典例】苯环结构中,不存在单双键交替结构,不可以作为证据的事实是 ( )
A.苯不能使酸性KMnO4溶液褪色
B.苯能在一定条件下跟H2加成生成环己烷
C.经实验测得邻二甲苯仅一种结构
D.苯在FeBr3存在条件下与液溴发生取代反应,但不因化学变化而使溴水褪色
[解题指南]解答本题时需要注意以下两点:
(1)从分子结构看,苯为不饱和烃,但不含碳碳双键。
(2)从化学性质看,苯易发生取代反应,难发生加成反应,可发生氧化反应。
【解析】选B。A.苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,说明苯分子中不含碳碳双键,可以证明苯环结构中不存在C—C单键与C=C双键的交替结构,A正确;B.苯能在一定条件下跟H2加成生成环己烷,因为大π键和碳碳双键都能发生加成反应,不能证明苯环结构中不存在C—C单键与C=C双键的交替结构,B错误;C.如果是单双键交替结构,邻二甲苯的结构有两种,一种是两个甲基夹C—C,另一种是两个甲基夹C=C,邻二甲苯只有一种结构,说明苯环结构中的化学键只有一种,不存在C—C单键与C=C双键的交替结构,C正确;D.苯在FeBr3存在条件下同液溴可发生取代反应,生成溴苯,苯不因化学变化而使溴水褪色,说明苯分子中不含碳碳双键,可以证明苯环结构中不存在C—C单键与C=C双键的交替结构,D正确。
[母题追问]
(1)哪个选项能说明苯为不饱和烃
提示:B选项。苯能与氢气发生加成反应,说明苯为不饱和烃。
(2)苯和液溴如何分离 苯和溴苯如何分离
提示:加入NaOH溶液后分液;蒸馏。苯和液溴互溶,加入NaOH溶液,溴转化为NaBr、NaBrO,再分液;苯和溴苯互溶,沸点相差较大,用蒸馏的方法分离。
【针对训练】
下列有关苯的说法正确的是 ( )
A.1 mol苯中含有的碳碳双键数目为3 mol
B.苯分子中含六个原子,为平面正六边形结构
C.用苯萃取溴水中的溴,分液时有机层从分液漏斗上口倒出
D.苯不能使酸性KMnO4溶液褪色,因此苯不能发生氧化反应
【解析】选C。苯不含碳碳双键,碳碳键是介于单键和双键之间的独特的键,故A错误;苯分子为平面正六边形结构,6个碳原子之间的化学键完全相同,含有6个C原子和6个H原子,故B错误;用苯萃取溴水中的溴,由于苯的密度比水小,故上层是有机层,下层为水层。分液时,下层液体从下口流出,上层液体从上口倒出,故C正确;苯虽然不能与酸性高锰酸钾溶液反应,但是可以与氧气反应,可以被氧气氧化,故D错误。
【知识点二】苯的取代反应实验
1.苯的溴化反应
(1)实验原理
+Br2+HBr
(2)实验现象:三颈烧瓶内反应剧烈,锥形瓶内有白雾(HBr遇水蒸气形成)出现,溶液底部有褐色油状液体出现,滴加NaOH溶液后三颈烧瓶中有红褐色沉淀形成。
(3)注意事项
①应该用纯溴;
②要使用催化剂FeBr3,需加入铁屑;
③锥形瓶中的导管不能插入液面以下,防止倒吸,因HBr极易溶于水。
(4)产品处理(精制溴苯)
2.苯的硝化反应
(1)实验原理
+HNO3+H2O
(2)实验现象:将反应后的液体倒入一个盛有冷水的烧杯中,烧杯底部有黄色油状物质(溶有NO2)生成,然后用NaOH(5%)溶液洗涤,最后用蒸馏水洗涤后得无色油状、有苦杏仁味、密度比水大的液体。
(3)注意事项
①试剂添加顺序:浓硝酸+浓硫酸+苯
②浓硫酸的作用是催化剂、吸水剂
③必须用水浴加热,温度计插入水浴中测量水的温度
说明:精制硝基苯的流程同上述精制溴苯的流程。
【合作探究】
(教材二次开发)教材【实验探究】中介绍了苯的硝化反应实验,请思考纯净的硝基苯是无色、密度比水大的油状液体,而实验得到的硝基苯呈黄色,其原因是什么 如何除去 (科学探究与创新意识)
提示:原因是硝基苯中溶解了NO2,可以用稀NaOH溶液洗涤除去。
【典例引导】
【典例】实验室制备硝基苯的实验装置如图所示(夹持装置已略去)。下列说法不正确的是 ( )
A.水浴加热的优点为使反应物受热均匀、容易控制温度
B.仪器a的作用是冷凝回流,提高原料的利用率
C.浓硫酸、浓硝酸和苯混合时,应先向浓硫酸中缓缓加入浓硝酸,待冷却至室温后,再将苯逐滴滴入
D.反应完全后,可用蒸馏的方法分离苯和硝基苯
[解题指南]解答本题时需要注意以下几点:
(1)混酸的配制:将浓硫酸注入浓硝酸中。
(2)冷凝管的作用:冷凝回流。
(3)产物的分离:水洗、碱洗、分液、蒸馏。
【解析】选C。A.水浴加热的优点为使反应物受热均匀、容易控制温度,故A正确;B.冷凝管可冷凝回流反应物,则仪器a的作用是冷凝回流,提高原料的利用率,故B正确;C.混合时先加浓硝酸,后加浓硫酸,最后加苯,则混合时,应向浓硝酸中加入浓硫酸,待冷却至室温后,再向所得混合物中加入苯,故C错误;D.苯和硝基苯相互混溶,可根据沸点差异利用蒸馏的方法分离苯和硝基苯,故D正确。
【误区警示】制备硝基苯的注意事项
配制浓硫酸和浓硝酸的混合酸时,一定要将浓硫酸注入浓硝酸中,即将密度大的加入密度小的液体中,切不可将试剂的添加顺序颠倒。
[母题追问]
(1)仪器a、仪器b的名称分别是什么
提示:球形冷凝管、圆底烧瓶。
(2)反应温度控制在50~60 ℃的主要原因是什么
提示:防止副反应发生。
【针对训练】
苯环的结构很稳定,常温下较难发生化学反应。某实验小组利用下列装置探究苯在一定条件下的反应产物。回答下列问题:
Ⅰ.实验室制取硝基苯常采用如图所示装置。
已知:苯和硝基苯的沸点分别为80.1 ℃、210.9 ℃,且二者互溶。
(1)①开始时应向试管中加入一定量的苯、浓硫酸和__________。
②该装置采取水浴加热并控制温度在50~60 ℃的原因是________________;
写出制取硝基苯的化学方程式: ________________________。
制得的产物可通过__________方法提纯。
Ⅱ.该小组同学还设计了A、B、C三组实验装置用来制取溴苯。
(2)装置C中当把软橡胶袋中的铁粉加到混合液中后,观察到的现象有液体沸腾,烧瓶中充满红棕色气体,溶液颜色逐渐变浅,水面有________生成。三个装置中所共同发生的有机反应的化学方程式为_________________________________。
(3)实验结束后,小明取装置A中锥形瓶中的水溶液少许,加入AgNO3溶液得到浅黄色沉淀,证明苯与溴发生了取代反应,该结论__________(填“正确”或“错误”),原因是________________________________________。
(4)装置B中足量CCl4的作用是________________________________。
(5)装置B也存在两个明显的缺点,使实验的效果不好或不能正常进行。这两个缺点是原料逸出使利用率降低和________________________________。
【解析】Ⅰ.苯易发生取代反应,与浓硝酸、浓硫酸的混合酸共热时发生硝化反应生成硝基苯,该反应温度为50~60 ℃,可以用水浴加热控制温度,长导管起冷凝回流作用,充分利用原料。Ⅱ.装置A中直接将铁粉加到溴和苯的混合液中,由于液溴易挥发,该装置不能证明溴和苯发生了取代反应,装置B中用分液漏斗将溴和苯的混合液滴到铁粉上,产生的气体经过足量的CCl4除去挥发出的溴之后,通入硝酸银溶液中,该导管口不能插入硝酸银溶液中,否则易产生倒吸, 装置C直接将铁粉加到溴和苯的混合液中,由于液溴易挥发,该装置不能证明溴和苯发生了取代反应。(1)①由分析可知,苯易发生取代反应,与浓硝酸、浓硫酸的混合酸共热时发生硝化反应生成硝基苯,故开始时应向试管中加入一定量的苯、浓硫酸和浓硝酸;②该装置采取水浴加热并控制温度在50~60 ℃的原因是使受热均匀,容易控制温度,减少副反应的发生;制取硝基苯的化学方程式为+HNO3+H2O,制得的产物中含有硝基苯、苯的混合物,二者互溶且沸点相差较大,可通过蒸馏方法提纯。(2)装置C中当把软橡胶袋中的铁粉加到混合液中后,反应放热,观察到的现象有液体沸腾,烧瓶中充满红棕色气体,苯和溴单质发生反应生成溴苯和溴化氢,故可观察到烧瓶中溶液颜色逐渐变浅,水面有白雾生成,三个装置中所共同发生的有机反应即苯和液溴反应生成溴苯和溴化氢,该反应的化学方程式为+Br2+HBr。(3)由于液溴具有很强的挥发性,挥发出来的Br2与H2O能反应生成HBr和HBrO,故实验结束后,小明取装置A中锥形瓶中的水溶液少许,加入AgNO3溶液得到浅黄色沉淀,证明苯与溴发生了取代反应,该结论是错误的。(4)由(3)分析可知,装置B中足量CCl4的作用是除去HBr中的挥发出来的Br2,排除溴与水反应对实验结论的干扰。(5)HBr极易溶于水,吸收HBr时需要防倒吸装置,故装置B也存在两个明显的缺点,使实验的效果不好或不能正常进行,这两个缺点是原料逸出使利用率降低和试管中导管插入液面以下,且未使用防倒吸装置。
答案:(1)①浓硝酸 ②受热均匀,容易控制温度,减少副反应的发生 +HNO3+H2O 蒸馏
(2)白雾 +Br2+HBr
(3)错误 液溴具有很强的挥发性,挥发出来的Br2与H2O能反应生成HBr和HBrO
(4)除去HBr中的挥发出来的Br2,排除溴与水反应对实验结论的干扰
(5)试管中导管插入液面以下,且未使用防倒吸装置
【课堂小结】
三言两语话重点
1.苯的结构
(1)分子中所有原子均在同一平面上。
(2)六个碳碳键完全相同,是一种介于单键与双键之间特殊的键。
2.苯的性质
苯的化学性质可概括为“易取代、难加成、难氧化”。
3.两个重要的反应
+Br2+HBr+HNO3+H2O
1.(2024·镇江高二检测)苯是重要的有机化工原料。下列关于苯的说法正确的是( )
A.常温下为易溶于水的气体
B.在空气中能燃烧并冒出浓烟
C.能使酸性高锰酸钾溶液褪色
D.苯分子中存在碳碳双键
【解析】选B。水为极性分子,苯为非极性分子,苯不易溶于水,且苯常温下不是气态,故A错误;苯分子含碳、氢两种元素,且含碳量高,所以在空气中能燃烧并冒出浓烟,故B正确;苯分子不含碳碳双键,不能使酸性高锰酸钾溶液褪色,故C错误;苯分子中不存在碳碳双键,苯分子中碳碳键是介于单键和双键之间独特的化学键,故D错误。
2.下列关于苯的叙述正确的是 ( )
A.反应①常温下不能进行
B.反应②不发生,但是仍有分层现象,紫色层在上层
C.反应③为取代反应,有机产物是一种烃的衍生物
D.反应④能发生,从而证明苯中是单双键交替结构
【解析】选C。A.苯与液溴在催化剂状态下,不需要加热就可以发生取代反应生成溴苯;B.苯为不溶于水的有机溶剂,密度小于水KMnO4应在水层,所以应位于下层;C.苯与浓硝酸反应生成硝基苯的反应为取代反应;D.苯分子中不存在碳碳双键,能够与氢气发生反应,证明苯不属于饱和烃。
课时巩固训练,请使用“课时过程性评价 十”第二单元 芳香烃 第1课时 苯的结构和性质
【课程标准】
1.能描述苯的分子结构特征与性质之间的关系。
2.能通过实验探究认识苯的化学性质。
3.能举例说明反应条件对有机反应产物的影响与意义。
【素养目标】
1.通过苯的发现和苯分子结构学说,感受科学发展过程,养成严谨求学、勤于思考的学习态度。(科学态度与社会责任)
2.从化学键的特殊性理解苯的结构特点,进而理解苯性质的特殊性。理解有机反应类型与分子结构特点的关系。(宏观辨识与微观探析)
一、苯的分子结构
1.苯的分子式: ,结构式: ,结构简式: 。
2.苯的空间结构是 ,六个碳原子均采取 杂化,分别与氢原子及相邻碳原子形成 键,键角均为 ;碳碳键的键长 ,介于单键和双键之间。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 重叠形成 键,均匀地对称分布在苯环平面的上下两侧。
二、苯的性质
1.取代反应
(1)卤化反应:在三卤化铁作催化剂时,苯与氯单质或溴单质发生取代反应生成一卤代苯、二卤代苯等。生成的二卤代苯主要是 位和 位的取代产物。苯与液溴在FeBr3催化条件下的反应: 。
溴苯():无色液体,有特殊气味,不溶于水,密度比水的大。
(2)硝化反应:苯与浓硝酸、浓硫酸的混合物在50~60 ℃时生成一取代物硝基苯,100~110 ℃时生成二取代产物 。苯与浓硝酸、浓硫酸的混合物在50~60 ℃的反应: 。
硝基苯():无色液体,有苦杏仁气味,不溶于水,密度比水的大。
2.加成反应
苯与H2在温度为180~250 ℃,压强为18 MPa,以Ni为催化剂的情况下发生加成反应生成环己烷: 。
【知识点一】苯的分子结构和性质
1.苯的分子结构
(1)苯中碳原子采取sp2杂化,除σ键外还含有大π键。苯分子为平面形结构,分子中的6个碳原子和6个氢原子共平面。
(2)苯不存在单双键交替结构,可以从以下几个方面证明:
①结构上:苯分子中六个碳碳键均等长,六元碳环呈平面正六边形;
②性质上:苯不能发生碳碳双键可发生的反应,如使酸性KMnO4溶液褪色等;
③二氯代苯的结构:邻二氯苯只有一种结构,而若为单双键交替应有两种结构(和)。
2.苯的化学性质
反应 化学方程式 反应类型
燃烧 2C6H6+15O212CO2+6H2O 氧化反应
① +Br2+HBr 取代(卤代)反应
② +HNO3+H2O 取代(硝化)反应
③ +3H2 加成(还原)反应
【合作探究】
烷烃中脱去2 mol氢原子形成1 mol双键要吸热,但1,3-环己二烯()脱去2 mol氢原子变成苯却放热,可推断乙烷和乙烯、1,3-环己二烯和苯谁更稳定 请从结构角度解释原因。(证据推理与模型认知)
【典例】苯环结构中,不存在单双键交替结构,不可以作为证据的事实是 ( )
A.苯不能使酸性KMnO4溶液褪色
B.苯能在一定条件下跟H2加成生成环己烷
C.经实验测得邻二甲苯仅一种结构
D.苯在FeBr3存在条件下与液溴发生取代反应,但不因化学变化而使溴水褪色
[解题指南]解答本题时需要注意以下两点:
(1)从分子结构看,苯为不饱和烃,但不含碳碳双键。
(2)从化学性质看,苯易发生取代反应,难发生加成反应,可发生氧化反应。
键,可以证明苯环结构中不存在C—C单键与C=C双键的交替结构,D正确。
[母题追问]
(1)哪个选项能说明苯为不饱和烃
(2)苯和液溴如何分离 苯和溴苯如何分离
【针对训练】
下列有关苯的说法正确的是 ( )
A.1 mol苯中含有的碳碳双键数目为3 mol
B.苯分子中含六个原子,为平面正六边形结构
C.用苯萃取溴水中的溴,分液时有机层从分液漏斗上口倒出
D.苯不能使酸性KMnO4溶液褪色,因此苯不能发生氧化反应
【知识点二】苯的取代反应实验
1.苯的溴化反应
(1)实验原理
+Br2+HBr
(2)实验现象:三颈烧瓶内反应剧烈,锥形瓶内有白雾(HBr遇水蒸气形成)出现,溶液底部有褐色油状液体出现,滴加NaOH溶液后三颈烧瓶中有红褐色沉淀形成。
(3)注意事项
①应该用纯溴;
②要使用催化剂FeBr3,需加入铁屑;
③锥形瓶中的导管不能插入液面以下,防止倒吸,因HBr极易溶于水。
(4)产品处理(精制溴苯)
2.苯的硝化反应
(1)实验原理
+HNO3+H2O
(2)实验现象:将反应后的液体倒入一个盛有冷水的烧杯中,烧杯底部有黄色油状物质(溶有NO2)生成,然后用NaOH(5%)溶液洗涤,最后用蒸馏水洗涤后得无色油状、有苦杏仁味、密度比水大的液体。
(3)注意事项
①试剂添加顺序:浓硝酸+浓硫酸+苯
②浓硫酸的作用是催化剂、吸水剂
③必须用水浴加热,温度计插入水浴中测量水的温度
说明:精制硝基苯的流程同上述精制溴苯的流程。
【合作探究】
(教材二次开发)教材【实验探究】中介绍了苯的硝化反应实验,请思考纯净的硝基苯是无色、密度比水大的油状液体,而实验得到的硝基苯呈黄色,其原因是什么 如何除去 (科学探究与创新意识)
【典例引导】
【典例】实验室制备硝基苯的实验装置如图所示(夹持装置已略去)。下列说法不正确的是 ( )
A.水浴加热的优点为使反应物受热均匀、容易控制温度
B.仪器a的作用是冷凝回流,提高原料的利用率
C.浓硫酸、浓硝酸和苯混合时,应先向浓硫酸中缓缓加入浓硝酸,待冷却至室温后,再将苯逐滴滴入
D.反应完全后,可用蒸馏的方法分离苯和硝基苯
[解题指南]解答本题时需要注意以下几点:
(1)混酸的配制:将浓硫酸注入浓硝酸中。
(2)冷凝管的作用:冷凝回流。
(3)产物的分离:水洗、碱洗、分液、蒸馏。
[母题追问]
(1)仪器a、仪器b的名称分别是什么
(2)反应温度控制在50~60 ℃的主要原因是什么
【针对训练】
苯环的结构很稳定,常温下较难发生化学反应。某实验小组利用下列装置探究苯在一定条件下的反应产物。回答下列问题:
Ⅰ.实验室制取硝基苯常采用如图所示装置。
已知:苯和硝基苯的沸点分别为80.1 ℃、210.9 ℃,且二者互溶。
(1)①开始时应向试管中加入一定量的苯、浓硫酸和__________。
②该装置采取水浴加热并控制温度在50~60 ℃的原因是________________;
写出制取硝基苯的化学方程式: ________________________。
制得的产物可通过__________方法提纯。
Ⅱ.该小组同学还设计了A、B、C三组实验装置用来制取溴苯。
(2)装置C中当把软橡胶袋中的铁粉加到混合液中后,观察到的现象有液体沸腾,烧瓶中充满红棕色气体,溶液颜色逐渐变浅,水面有________生成。三个装置中所共同发生的有机反应的化学方程式为_________________________________。
(3)实验结束后,小明取装置A中锥形瓶中的水溶液少许,加入AgNO3溶液得到浅黄色沉淀,证明苯与溴发生了取代反应,该结论__________(填“正确”或“错误”),原因是________________________________________。
(4)装置B中足量CCl4的作用是________________________________。
(5)装置B也存在两个明显的缺点,使实验的效果不好或不能正常进行。这两个缺点是原料逸出使利用率降低和________________________________。
【课堂小结】
三言两语话重点
1.苯的结构
(1)分子中所有原子均在同一平面上。
(2)六个碳碳键完全相同,是一种介于单键与双键之间特殊的键。
2.苯的性质
苯的化学性质可概括为“易取代、难加成、难氧化”。
3.两个重要的反应
+Br2+HBr+HNO3+H2O
1.(2024·镇江高二检测)苯是重要的有机化工原料。下列关于苯的说法正确的是( )
A.常温下为易溶于水的气体
B.在空气中能燃烧并冒出浓烟
C.能使酸性高锰酸钾溶液褪色
D.苯分子中存在碳碳双键
2.下列关于苯的叙述正确的是 ( )
A.反应①常温下不能进行
B.反应②不发生,但是仍有分层现象,紫色层在上层
C.反应③为取代反应,有机产物是一种烃的衍生物
D.反应④能发生,从而证明苯中是单双键交替结构
