专题3 有机化合物的获得与应用

本专题重难点突破

一、同系物、同分异构体概念辨析及其判断

1．同系物

在分析烷烃的通式时发现相邻的烷烃都相差一个CH2原子团。像这种结构相似，分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质互称为同系物，例如，甲烷、乙烷、丙烷等互为同系物。这种现象在有机物中很普遍，认识这种规律有利于比较、预测物质的组成和性质。

(1)同系物的结构相似，主要指化学键类型相似，分子中各原子的结合方式相似。对烷烃而言就是指碳原子之间以共价单键相连，其余价键全部结合氢原子。同系物的结构相似，并不是相同。例如，和CH3CH2CH3，前者有支链，而后者无支链，结构不尽相同，但两者的碳原子均以单键结合成链状，结构相似，故为同系物。

(2)同系物的组成元素必相同。

(3)同系物必符合同一通式。但符合同一通式，且分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质不一定是同系物，如CH2===CH2(乙烯)和 (环丙烷)。

(4)同系物一定具有不同的分子式。

特别提示　①根据分子式判断一系列物质是不是属于同系物时，一定要注意这一分子式表示的是不是一类物质，如C3H6，可以表示CH2===CH—CH3，也可以表示；

②根据物质的结构简式判断物质是不是属于同系物，要注意所给的物质是不是分子式相同，如CH3CH2CH2CH3和CH3CH(CH3)2属于同分异构体。

【例1】　下列关于同系物的叙述中，正确的是(　　)

A．某有机物同系物的组成可用通式CnH2n＋4表示

B．C5H12表示的一定是纯净物

C．两个同系物之间相对分子质量相差14或14的整数倍

D．同系物之间具有相同的化学性质

解析　烷烃是饱和烃，也就是说碳原子结合的H原子最多，烷烃的分子通式为CnH2n＋2，所以烃的分子通式不可能为CnH2n＋4；C5H12有同分异构体，分子式符合C5H12的有机物不止一种，所以C5H12表示的可能是混合物；一个CH2的相对分子质量为14，同系物的分子组成上相差一个或多个CH2原子团，所以C正确；同系物之间化学性质相似。

答案　C

2．同分异构体

化合物具有相同的分子式，但具有不同结构的现象称为同分异构现象。具有同分异构现象的化合物互称为同分异构体。

(1)“同分”——相同分子式(当然相对分子质量也相同，但相对分子质量相同的不一定是同分异构体)；“异构”——结构不同，分子中原子的排列顺序或结合方式不同。

(2)同分异构体之间可能是同类物质，也可能属于不同类物质。同分异构体物理性质不同。若属同类物质，化学性质相似，如正丁烷与异丁烷；若属于不同类物质，化学性质不同，如CH2===CH—CH3与。某些无机物中也存在同分异构现象。

(3)化合物分子组成越复杂，同分异构体越多，如CH4、C2H6、C3H8无同分异构体，丁烷(C4H10)有2种同分异构体，戊烷(C5H12)有3种同分异构体。己烷(C6H14)有5种同分异构体。同分异构现象是有机物种类繁多的主要因素之一。

特别提示　结构不同，分子式相同是判断化合物是否是同分异构体的依据。

结构不同分两种情况：①属于同类物质但分子中原子的连接顺序不同；②分子式相同但不属于同类型物质。同分异构体的分子式相同，因此其相对分子质量相同，但相对分子质量相同的化合物不一定互为同分异构体，如NO和C2H6。

【例2】　同分异构现象是有机化合物中的一种普遍现象，下列有关同分异构体叙述中正确的是(　　)

A．分子式相同而结构式不同的化合物互称同分异构体

B．组成成分相同而结构式不同的物质互称同分异构体

C．互为同分异构体的物质性质相同

D．互为同分异构体的物质性质相异

解析　组成成分相同不一定分子式相同，所以B选项错误；同分异构体的性质可能相似(如正丁烷与异丁烷都属于烷烃，化学性质相似)，也可能相差很大[如乙醇(CH3CH2OH)和甲醚(CH3OCH3)]，所以C、D选项均错。

答案　A

二、烃的代表物分子结构及其性质比较

烃是有机物的母体，是有机物中的一大类物质。烃是指仅由碳、氢两种元素组成的化合物。烃可分为烷烃、烯烃、苯及其同系物等，其典型代表物分别为甲烷、乙烯、苯等。

1．烃的代表物分子结构及其性质比较

特别提示　有机反应的发生往往和反应条件及反应物的状态有关。如CH4和溴蒸气光照时发生反应；乙烯和溴水可发生加成反应；苯必须在催化剂存在时和纯液溴才能发生取代反应。

2．烃的代表物性质与其结构的关系

烷烃分子中各原子均以单键结合，性质稳定，不与强酸、强碱、强氧化剂等反应。烯烃、炔烃分子中含有或—C≡C—，因而易发生加成、氧化和加聚反应等。而苯分子中碳碳键是介于单键与双键之间的独特键，因而既能发生取代反应又能发生加成反应，但不能与溴水和酸性KMnO4溶液发生化学反应而使其褪色。在苯环的影响下，苯的同系物侧链易被氧化而使酸性KMnO4溶液褪色。

【例3】　下列有关说法中错误的是(　　)

A．CCl4可以由CH4制得，它可用于萃取碘水中的碘

B．相等的物质的量的乙烯和甲烷完全燃烧后产生的水的质量相同

C．用乙烯与HCl反应来制备氯乙烷比用乙烷与氯气反应更好

D．甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，因此甲烷不能发生氧化反应

解析　A项，CCl4可以由CH4发生取代反应制得，由于它与水互不相溶，而且碘在四氯化碳中的溶解度比水中的大，所以可用于萃取碘水中的碘，正确；B项，由于甲烷和乙烯的分子式中H原子个数相等，所以相等的物质的量的乙烯和甲烷完全燃烧后产生的水的质量相等，正确；C项，用乙烯与HCl反应来制备氯乙烷产物只有一种，而用乙烷与氯气通过取代反应产生多种产物，纯度低，因此前者反应更好，正确；D项，甲烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，但是甲烷在点燃条件下能被氧气氧化而发生氧化反应，错误。

答案　D

3．分子空间构型的判断

(1)典型分子的空间结构

①甲烷()，正四面体结构，C原子居于正四面体的中心，分子中的5个原子中任何4个原子都不处于同一平面内，其中任意3个原子在同一平面内；

②乙烯()，平面结构，分子中的6个原子处于同一平面内；

③苯()，平面结构，分子中的12个原子都处于同一平面内。

(2)对以上基本结构组合成的复杂分子的判断思路

①以上3种分子中的H原子如果被其他原子(如C、O、N、Cl等)所取代，则取代后的分子构型基本不变；

②共价单键可以自由旋转，共价双键不能旋转。

【例4】　在①丙烯　②氯乙烯　③苯　④甲苯四种有机化合物中，分子内所有原子均在同一平面内的是(　　)

A．①② B．②③

C．③④ D．②④

解析　在①丙烯CH2===CH—CH3和④甲苯C6H5—CH3中，—CH3是空间立体结构(与甲烷类似)，这四个原子不在同一平面上；②氯乙烯和乙烯相同，是六原子共面结构；③苯是十二个原子共面。

答案　B

三、烃完全燃烧的三大规律

1．气态烃完全燃烧前后气体体积变化规律

(1)若燃烧后生成的水为液态：

CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O(l)

1　　　x＋　　　　　x　　　

ΔV＝V前－V后＝1＋x＋－x＝1＋>0

由此可见，若燃烧后生成的水为液态，燃烧后气体的体积一定减小，燃烧前后气体体积减小值只与烃分子中的氢原子数有关，与碳原子数无关。

(2)若燃烧后生成的水为气态：

CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O(g)

1　　　x＋　　　　x　　　

ΔV＝V后－V前＝x＋－1－x－＝－1

则烃分子中氢原子数y

由此可见，若燃烧后生成的水为气态，气体总体积只与氢原子数有关，可能增大，可能不变，也可能减小。

【例5】　标准状况下将35 mL某气态烷烃完全燃烧，恢复到原来状况下，得到140 mL二氧化碳气体，则该烃的分子式为(　　)

A．C5H12 B．C4H10

C．C3H6 D．C3H8

解析　相同状况下，气体体积与物质的量成正比。则1 mol该烷烃完全燃烧可得到4 mol CO2，所以该烷烃分子中碳原子数为4。

答案　B

2．烃完全燃烧时耗氧量规律

烃燃烧通式为CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O

依上式可得如下规律：

(1)物质的量相同的烃，(x＋)越大，耗氧量越多，若两种烃(x＋)相等，则耗氧量相同。

(2)质量相同的烃，越大(含氢量越大)，则耗氧量越多，若两种烃的相等，质量相等时，则耗氧量相同。

(3)质量相同的烃，越大(含碳量越大)，则生成的CO2越多，若两种烃的相等，质量相等时，则生成的CO2和H2O的量均相等。

【例6】　等质量的下列烃完全燃烧时，消耗氧气量最多的是(　　)

A．CH4 B．C2H6 C．C3H6 D．C6H6

解析　12 g碳和4 g氢分别完全燃烧都消耗1 mol O2，显然，含氢质量分数越大的烃，等质量时消耗O2越多。故消耗氧气最多的是CH4。

答案　A

3．烃的组成与燃烧生成H2O和CO2的量的关系规律

(1)相同状况下，有机物燃烧后：

n(CO2)∶n(H2O)

(2)分子中具有相同碳(或氢)原子数的烃混合，只要混合物总物质的量恒定，完全燃烧后产生的CO2(或H2O)的量也一定是恒定值。

【例7】　CO、CH4均为常见的可燃性气体。

(1)等体积的CO和CH4在相同条件下分别完全燃烧，转移的电子数之比是________。

(2)120 ℃、101 kPa下，a mL由CO、CH4组成的混合气体在b mL O2中完全燃烧后，恢复到原温度和压强。

①若混合气体与O2恰好完全反应，产生b mL CO2，则混合气体中CH4的体积分数为________(保留两位小数)；

②若燃烧后气体体积缩小了mL，则a与b关系的数学表达式是________。

解析　(1)完全燃烧后CO―→CO2，C的化合价由＋2价升为＋4价，变化2价，而CH4―→CO2，C的化合价由－4价升为＋4价，变化8价，因此等体积的CO和CH4完全燃烧转移的电子数之比为2∶8，即1∶4。

(2)①设混合气体中CO的体积为x mL，CH4的体积为y mL。则

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