Luoshen

第二章烃

烃 (Hydrocarbon) 是仅由碳和氢两种元素组成的有机化合物。根据分子结构的不同，可以分为链烃（脂肪烃）和环烃。链烃又可分为饱和烃（烷烃）和不饱和烃（烯烃、炔烃）。环烃包括脂环烃和芳香烃。

第一节烷烃 (Alkane)

一、烷烃的结构与性质

定义与通式: 分子中碳原子之间都以单键结合，剩余价键均与氢原子结合的链状烃。通式为 $C_nH_{2n+2}$ (n≥1)。最简单的烷烃是甲烷 ( $CH_4$ )。
结构特点:
- 碳原子杂化方式: $sp^3$ 杂化。
- 空间构型: 碳原子位于四面体中心，键指向顶点。例如，甲烷为正四面体结构。
- 化学键: 只含 C-C 单键和 C-H 单键，均为 σ 键。
- 键角: 接近 109°28′。
- 键旋转: C-C 单键可以自由旋转。
同系物 (Homologue): 结构相似，分子组成上相差一个或若干个 $CH_2$ 原子团的化合物互称为同系物。烷烃系列 ( $CH_4, C_2H_6, C_3H_8$ …) 互为同系物。
物理性质:
- 状态: 常温下，碳原子数 C1-C4 为气体，C5-C17 (大致) 为液体，C18 及以上为固体。
- 溶解性: 难溶于水，易溶于有机溶剂。
- 密度: 均小于水的密度 (通常 < 1 g/cm³)。随碳原子数增加而增大。
- 熔沸点: 随碳原子数增加，熔沸点逐渐升高 (见表2-1)。
- 同分异构体沸点规律: 分子式相同的烷烃，支链越多，沸点越低 (如: 正戊烷 > 异戊烷 > 新戊烷)。
化学性质:
- 稳定性: 由于 C-C 和 C-H 键 (σ键) 比较稳定，通常条件下性质稳定，不与强酸、强碱、强氧化剂 (如 $KMnO_4$ 溶液) 反应。
- 取代反应 (Substitution Reaction):
  - 条件: 光照 (通常是紫外光)。
  - 反应物: 与卤素单质 (如 $Cl_2, Br_2$ ) 反应。
  - 过程: 烷烃分子中的氢原子被卤素原子逐步取代。
  - 产物: 通常是多种卤代烃的混合物。
  - 例如，甲烷与氯气的反应: $CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{光照} CH_3Cl + HCl$ $CH_3Cl + Cl_2 \xrightarrow{光照} CH_2Cl_2 + HCl$ $CH_2Cl_2 + Cl_2 \xrightarrow{光照} CHCl_3 + HCl$ $CHCl_3 + Cl_2 \xrightarrow{光照} CCl_4 + HCl$
  - 乙烷与氯气反应生成一氯乙烷: $CH_3CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{光照} CH_3CH_2Cl + HCl$ (也会生成多氯代物和异构体)
- 燃烧反应 (Oxidation Reaction/Combustion):
  - 特点: 可燃，完全燃烧生成 $CO_2$ 和 $H_2O$ ，并放出大量热。
  - 通式: $C_nH_{2n+2} + \frac{3n+1}{2} O_2 \xrightarrow{点燃} nCO_2 + (n+1)H_2O$
  - 例如，辛烷 ( $C_8H_{18}$ ) 的燃烧: $2C_8H_{18} + 25O_2 \xrightarrow{点燃} 16CO_2 + 18H_2O$

二、烷烃的命名

习惯命名法: 用于简单烷烃或有特征结构的烷烃。如：正丁烷、异丁烷、新戊烷。
系统命名法 (IUPAC):
- 选取主链: 选定分子中最长的碳链作为主链，按主链碳原子数称为“某烷”。若有多条等长碳链，则选支链最多的为主链。
- 编号位次: 从距离支链最近的一端开始，将主链碳原子编号。若两端距离支链位置相同，则从较简单支链（或各支链位次号码之和最小）的一端开始编号。
- 书写名称:
  - 将支链名称（烃基名称）写在主链名称之前。
  - 在支链名称前用阿拉伯数字标明其连接在主链上的位次，数字与名称之间用短线“-”隔开。
  - 若有多个相同支链，需合并，并在支链名称前加汉字数字（二、三、四…）表示相同支链个数，其位次用逗号“,”隔开。
  - 若有不同支链，按“次序规则”（通常先简单后复杂，或按英文名首字母顺序）排列，或按主链编号顺序书写。
- 常见烃基:
  - 甲基: $-CH_3$
  - 乙基: $-CH_2CH_3$
  - 正丙基: $-CH_2CH_2CH_3$
  - 异丙基: $-CH(CH_3)_2$
- 示例: 命名 $CH_3-CH(CH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_2-CH_3$ $C H_{3} - C H (C H_{3}) - C H (C H_{3}) - C H_{2} - C H_{2} - C H_{3}$
  - 主链: 6个碳原子，为己烷。
  - 编号: 从左端开始，支链位次为 2, 3。
  - 名称: 2,3-二甲基己烷。

三、烷烃的同分异构

从丁烷 ( $C_4H_{10}$ ) 开始出现同分异构体。
丁烷 ( $C_4H_{10}$ ):
- 正丁烷: $CH_3CH_2CH_2CH_3$
- 异丁烷 (2-甲基丙烷): $CH_3CH(CH_3)CH_3$
戊烷 ( $C_5H_{12}$ ):
- 正戊烷: $CH_3CH_2CH_2CH_2CH_3$
- 异戊烷 (2-甲基丁烷): $CH_3CH(CH_3)CH_2CH_3$
- 新戊烷 (2,2-二甲基丙烷): $CH_3C(CH_3)_2CH_3$
碳原子数越多，同分异构体数目急剧增加。
同分异构体个数：
- 烷烃：1，1，1，2，3，5，9…
- 烷基：1，1，2，4，8…

第二节烯烃 (Alkene) 与炔烃 (Alkyne)

一、烯烃 (Alkene)

定义与通式: 分子中含有碳碳双键 ( $>C=C<$ ) 的链烃。仅含一个双键的单烯烃通式为 $C_nH_{2n}$ (n≥2)。最简单的烯烃是乙烯 ( $CH_2=CH_2$ )。
乙烯的结构:
- 碳原子杂化方式: $sp^2$ 杂化。
- 空间构型: 平面结构，所有6个原子共平面。
- 化学键: C=C 双键由一个 σ 键和一个 π 键组成。C-H 键为 σ 键。
- 键角: H-C-H 和 H-C=C 键角约为 120°。
- 键长: C=C 键长 (134 pm) 介于 C-C (154 pm) 和 C≡C (120 pm) 之间。
- 键旋转: C=C 双键不能自由旋转。
物理性质:
- 状态、溶解性、密度变化规律与烷烃相似。
- 乙烯、丙烯、丁烯常温下为气体。
化学性质: π 键易断裂，化学性质较活泼。
- 加成反应 (Addition Reaction): 双键打开，两个原子或基团分别加到双键的两个碳原子上。
  - 与氢气 ( $H_2$ ) 加成 (氢化): $CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{催化剂, \Delta} CH_3-CH_3$
  - 与卤素 ( $X_2$ ) 加成 (卤化): 可使溴水或溴的 $CCl_4$ 溶液褪色。 $CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$
  - 与卤化氢 ( $HX$ ) 加成: $CH_2=CH_2 + HCl \xrightarrow{一定条件} CH_3-CH_2Cl$ 对于不对称烯烃，遵循马氏规则（氢加到含氢较多的双键碳上，卤素加到含氢较少的双键碳上）。例如: $CH_3-CH=CH_2 + HCl \rightarrow CH_3-CHCl-CH_3 \text{ (主要)}$ 注意：在过氧化物（如 H₂O₂ 或 ROOR）存在下，HBr 与不对称烯烃发生加成反应时，遵循反马氏规则：氢原子加到含氢较少的双键碳原子上，溴原子加到含氢较多的双键碳原子上。这是因为反应机理变为了自由基加成。例如： $CH3−CH=CH2+HBr\xrightarrow{过氧化物}CH3−CH2−CH2Br (主要)$
  - 与水 ( $H_2O$ ) 加成 (水化): $CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{催化剂, \Delta, P} CH_3-CH_2OH$
- 氧化反应 (Oxidation Reaction):
  - 燃烧: 完全燃烧生成 $CO_2$ 和 $H_2O$ 。火焰通常比烷烃明亮，有时伴有黑烟。 $C_nH_{2n} + \frac{3n}{2} O_2 \xrightarrow{点燃} nCO_2 + nH_2O$
  - 被氧化剂氧化: 可使酸性 $KMnO_4$ 溶液褪色 (用于鉴别烯烃)。
- 加聚反应 (Addition Polymerization): 大量单体分子相互加成，形成高分子化合物。
  - 例如，乙烯加聚生成聚乙烯: $nCH_2=CH_2 \xrightarrow{催化剂} -[CH_2-CH_2]_n-$
  - 氯乙烯加聚生成聚氯乙烯 (PVC): $nCH_2=CHCl \xrightarrow{催化剂} -[CH_2-CHCl]_n-$
顺反异构 (cis-trans Isomerism):
- 产生条件: ① 分子中存在 C=C 双键 (不能旋转)；② 每个双键碳原子上连接的两个原子或基团必须不同。
- 判断:
  - 顺式 (cis-): 两个相同的原子或基团在双键的同侧。
  - 反式 (trans-): 两个相同的原子或基团在双键的异侧。
- 例子: 2-丁烯 ( $CH_3-CH=CH-CH_3$ $C H_{3} - C H = C H - C H_{3}$ )
  - 顺-2-丁烯: 两个 $-CH_3$ 在同侧。
  - 反-2-丁烯: 两个 $-CH_3$ 在异侧。
- 性质差异: 顺反异构体是不同的物质，具有不同的物理性质 (如熔点、沸点、密度) 和有时不同的化学性质。
二烯烃 (Diene): 分子中含有两个碳碳双键的烃。
- 1,3-丁二烯 ( $CH_2=CH-CH=CH_2$ ): 重要的合成橡胶原料。
- 加成反应特点: 可发生 1,2-加成和 1,4-加成。
  - 与 $Cl_2$ (1:1) 反应: $CH_2=CH-CH=CH_2 + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl-CHCl-CH=CH_2 \quad (1,2-\text{加成})$ $CH_2=CH-CH=CH_2 + Cl_2 \rightarrow CH_2Cl-CH=CH-CH_2Cl \quad (1,4-\text{加成})$ (产物比例受反应条件影响)

二、炔烃 (Alkyne)

定义与通式: 分子中含有碳碳三键 ( $-C\equiv C-$ ) 的链烃。仅含一个三键的单炔烃通式为 $C_nH_{2n-2}$ (n≥2)。最简单的炔烃是乙炔 ( $CH\equiv CH$ )。
乙炔的结构:
- 碳原子杂化方式: $sp$ 杂化。
- 空间构型: 直线型分子，所有4个原子在同一直线上。
- 化学键: C≡C 三键由一个 σ 键和两个 π 键组成。C-H 键为 σ 键。
- 键角: H-C≡C 键角为 180°。
- 键长: C≡C 键长 (120 pm) 最短。
物理性质:
- 乙炔是无色、无臭 (纯净时，电石气有臭味是因含 $H_2S, PH_3$ 等杂质)、微溶于水、密度略小于空气的气体。
- 物理性质变化规律与烷烃、烯烃相似。
乙炔的实验室制法:
- 原理: 碳化钙 (电石, $CaC_2$ ) 与水反应。 $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + CH\equiv CH \uparrow$
- 注意: 反应剧烈，常用饱和食盐水代替水减缓反应速率。产生的气体需用 $CuSO_4$ 溶液或 $NaOH$ 溶液净化 (除 $H_2S, PH_3$ 等)。点燃前必须验纯。
化学性质: 含有两个 π 键，比烯烃更活泼。
- 加成反应: 可与 $H_2, X_2, HX, H_2O$ $H_{2}, X_{2}, H X, H_{2} O$ 等发生加成反应，通常分步进行，可以加 1 分子或 2 分子试剂。
  - 与 $Br_2$ 加成: 使溴水或溴的 $CCl_4$ 溶液褪色。 $CH\equiv CH + Br_2 \rightarrow CHBr=CHBr$ $CHBr=CHBr + Br_2 \rightarrow CHBr_2-CHBr_2$
  - 与 $H_2$ 加成: $CH\equiv CH + H_2 \xrightarrow{催化剂} CH_2=CH_2$ $CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{催化剂} CH_3-CH_3$
  - 与 $HCl$ 加成: $CH\equiv CH + HCl \xrightarrow{催化剂} CH_2=CHCl \quad (\text{氯乙烯})$
  - 与 $H_2O$ 加成 (水化): $CH\equiv CH + H_2O \xrightarrow{HgSO_4/H_2SO_4} [CH_2=CHOH] \rightarrow CH_3CHO \quad (\text{乙醛})$ (中间生成不稳定的乙烯醇)
- 氧化反应:
  - 燃烧: 在空气中燃烧产生明亮、浓烈的黑烟 (含碳量高)。 $2CH\equiv CH + 5O_2 \xrightarrow{点燃} 4CO_2 + 2H_2O$ 氧炔焰温度很高 (可达 3000°C 以上)，用于焊接和切割金属。
  - 被氧化剂氧化: 可使酸性 $KMnO_4$ 溶液褪色。
- 加聚反应:
  - 例如，乙炔在特定催化剂下生成聚乙炔 $-[CH=CH]_n-$ (导电高分子)。
- 【探究】乙炔的化学性质实验:
  - 现象: 能使酸性 $KMnO_4$ 溶液和溴的 $CCl_4$ 溶液褪色，燃烧产生明亮黑烟。
  - 结论: 乙炔具有不饱和性，能发生加成和氧化反应，含碳量高。

第三节芳香烃 (Aromatic Hydrocarbon)

一、苯 (Benzene)

定义: 分子中含有苯环的烃。苯 ( $C_6H_6$ ) 是最简单的芳香烃。
苯的结构:
- 分子式: $C_6H_6$ 。
- 结构特点:
  - 平面正六边形结构，所有12个原子共平面。
  - 碳原子杂化方式: $sp^2$ 杂化。
  - 键角: C-C-C 和 H-C-C 键角均为 120°。
  - 化学键: 碳碳键是介于单键和双键之间的独特的键。键长均等 (139 pm)。分子中存在一个闭合的、离域的大π键 (delocalized π system)，电子云均匀分布在环平面上下。
- 表示方法: 或 (凯库勒式在理解反应时仍有应用)。
物理性质:
- 无色、有特殊气味的液体 (毒性)。
- 不溶于水，易溶于有机溶剂。本身也是常用有机溶剂。
- 密度比水小 (0.88 g/cm³)。
- 熔点 5.5℃，沸点 80.1℃，易挥发。
化学性质: 结构特殊，性质独特。
- 稳定性: 大π键稳定，不易发生加成反应，不易被氧化。
  - 不与溴水反应 (只发生萃取)。
  - 不能使酸性 $KMnO_4$ 溶液褪色。
- 取代反应 (Substitution Reaction): 较易发生。
  - 卤代: 与液溴 ( $Br_2$ ) 或氯气 ( $Cl_2$ ) 在催化剂 ( $FeBr_3$ 或 $FeCl_3$ ) 作用下反应。 $C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{FeBr_3} C_6H_5Br + HBr \quad (\text{溴苯})$
  - 硝化: 与浓硝酸在浓硫酸作催化剂和脱水剂的条件下加热 (50~60℃) 反应。 $C_6H_6 + HNO_3(浓) \xrightarrow{浓H_2SO_4, 50-60^\circ C} C_6H_5NO_2 + H_2O \quad (\text{硝基苯})$
  - 磺化: 与浓硫酸加热 (70~80℃) 反应。 $C_6H_6 + H_2SO_4(浓) \xrightarrow{70-80^\circ C} C_6H_5SO_3H + H_2O \quad (\text{苯磺酸})$
- 加成反应 (Addition Reaction): 条件苛刻。
  - 与氢气 ( $H_2$ ) 加成: $C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{催化剂(Ni/Pt), \Delta, P} C_6H_{12} \quad (\text{环己烷})$
  - 与氯气 ( $Cl_2$ ) 加成: 光照条件下。 $C_6H_6 + 3Cl_2 \xrightarrow{紫外线光照} C_6H_6Cl_6 \quad (\text{六氯环己烷})$
- 氧化反应:
  - 燃烧: 在空气中燃烧产生浓烟。 $2C_6H_6 + 15O_2 \xrightarrow{点燃} 12CO_2 + 6H_2O$
  - 不能被酸性 $KMnO_4$ 等强氧化剂氧化。

二、苯的同系物

定义: 苯环上的氢原子被烷基取代后生成的化合物。通式为 $C_nH_{2n-6}$ (n≥6)。例如，甲苯 ( $C_6H_5CH_3$ )、乙苯 ( $C_6H_5CH_2CH_3$ )、二甲苯 ( $C_6H_4(CH_3)_2$ ，有邻、间、对三种异构体)。
物理性质:
- 通常为无色液体，有类似苯的气味。
- 不溶于水，易溶于有机溶剂。
- 密度比水小。
- 沸点随碳原子数增加而升高。
甲苯 ( $C_7H_8$ ) 的化学性质: 烷基和苯环相互影响。
- 苯环上的反应 (受烷基影响):
  - 烷基是活化基团，使苯环上的取代反应比苯更容易。
  - 烷基是邻、对位定位基。取代基主要进入甲基的邻位和对位。
  - 例如，甲苯硝化生成邻硝基甲苯和对硝基甲苯 (进一步可生成 2,4,6-三硝基甲苯, TNT)。
- 烷基上的反应 (受苯环影响):
  - 侧链上的取代反应: 光照条件下与卤素反应，发生在甲基上。 $C_6H_5CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{光照} C_6H_5CH_2Cl + HCl \quad (\text{苄基氯})$
  - 侧链上的氧化反应: 甲基受苯环影响变得活泼，能被强氧化剂 (如酸性 $KMnO_4$ 溶液) 氧化成羧基。 $C_6H_5CH_3 \xrightarrow{[O](KMnO_4/H^+)} C_6H_5COOH \quad (\text{苯甲酸})$ (现象: 紫色 $KMnO_4$ 溶液褪色)
- 【实验2-2】甲苯性质: 甲苯不能使溴水褪色 (萃取)，但能使酸性 $KMnO_4$ 溶液褪色 (加热时)。

三、稠环芳香烃

由两个或多个苯环共用相邻碳原子连接而成的芳香烃。
萘 ( $C_{10}H_8$ ): 两个苯环并合。无色晶体，易升华，有特殊气味 (樟脑丸)。
蒽 ( $C_{14}H_{10}$ ): 三个苯环直线并合。

小题目 (第二章)

写出系统命名法名称： $CH_3-CH(C_2H_5)-CH_2-CH(CH_3)-CH_3$ $C H_{3} - C H (C_{2} H_{5}) - C H_{2} - C H (C H_{3}) - C H_{3}$ 。
- 答案: 3-乙基-5-甲基己烷 (注意选择最长链，编号使取代基位次和最小或遵循特定规则)。
分子式为 $C_5H_{10}$ $C_{5} H_{10}$ 的链状烯烃共有多少种同分异构体 (不考虑顺反异构)？写出它们的结构简式。
- 答案: 5种。
  - 1-戊烯: $CH_2=CHCH_2CH_2CH_3$
  - 2-戊烯: $CH_3CH=CHCH_2CH_3$
  - 2-甲基-1-丁烯: $CH_2=C(CH_3)CH_2CH_3$
  - 3-甲基-1-丁烯: $CH_2=CHCH(CH_3)CH_3$
  - 2-甲基-2-丁烯: $CH_3C(CH_3)=CHCH_3$
判断下列烯烃是否存在顺反异构体： (a) 丙烯 ( $CH_3CH=CH_2$ $C H_{3} C H = C H_{2}$ ) (b) 1-氯丙烯 ( $CH_3CH=CHCl$ $C H_{3} C H = C H Cl$ ) (c) 2-甲基-2-丁烯 ( $CH_3C(CH_3)=CHCH_3$ $C H_{3} C (C H_{3}) = C H C H_{3}$ )
- 答案: (a) 不存在 (一个双键碳连有两个相同H) (b) 存在 (c) 不存在 (一个双键碳连有两个相同 $CH_3$ )
完成下列反应方程式，并注明反应类型： (a) 丙炔与足量 $H_2$ $H_{2}$ 在催化剂作用下反应。 (b) 苯与浓硝酸、浓硫酸混合加热。 (c) 甲苯与酸性 $KMnO_4$ $K M n O_{4}$ 溶液共热。
- 答案: (a) $CH_3C\equiv CH + 2H_2 \xrightarrow{催化剂, \Delta} CH_3CH_2CH_3 \quad (\text{加成反应})$ (b) $C_6H_6 + HNO_3(浓) \xrightarrow{浓H_2SO_4, \Delta} C_6H_5NO_2 + H_2O \quad (\text{取代反应})$ (c) $C_6H_5CH_3 + [O] (KMnO_4/H^+, \Delta) \rightarrow C_6H_5COOH \quad (\text{氧化反应})$
如何用化学方法鉴别己烷、1-己烯和甲苯？
- 答案:
  1. 取少量三种液体，分别加入少量酸性 $KMnO_4$ 溶液，振荡。能使紫色褪色的是 1-己烯和甲苯 (加热时甲苯褪色更快)，不褪色的是己烷。
  2. 另取少量 1-己烯和甲苯，分别加入少量溴的 $CCl_4$ 溶液 (或溴水)，振荡。能使溴的 $CCl_4$ 溶液 (或溴水) 褪色的是 1-己烯，不褪色的是甲苯。

化学选修三第二章复习

本章复习涵盖了化学选修三第二章的主要内容。

第二章烃

第一节烷烃 (Alkane)

一、烷烃的结构与性质

二、烷烃的命名

三、烷烃的同分异构

第二节烯烃 (Alkene) 与炔烃 (Alkyne)

一、烯烃 (Alkene)

二、炔烃 (Alkyne)

第三节芳香烃 (Aromatic Hydrocarbon)

一、苯 (Benzene)

二、苯的同系物

三、稠环芳香烃

小题目 (第二章)

化学选修三第二章复习

本章复习涵盖了化学选修三第二章的主要内容。

第二章 烃

第一节 烷烃 (Alkane)

一、烷烃的结构与性质

二、烷烃的命名

三、烷烃的同分异构

第二节 烯烃 (Alkene) 与 炔烃 (Alkyne)

一、烯烃 (Alkene)

二、炔烃 (Alkyne)

第三节 芳香烃 (Aromatic Hydrocarbon)

一、苯 (Benzene)

二、苯的同系物

三、稠环芳香烃

小题目 (第二章)

第二章烃

第一节烷烃 (Alkane)

第二节烯烃 (Alkene) 与炔烃 (Alkyne)

第三节芳香烃 (Aromatic Hydrocarbon)