1.1.2 有机化合物中的共价键 有机化合物的同分异构现象-【优质讲义】2022-2023学年高二化学同步精品讲义（人教版2019选择性必修3）（解析版）

第一章有机化合物的结构特点与研究方法第一节有机化合物的结构特点第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核心素养宏观辨识与微观探析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。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。证据推理与模型认知1、认识有机化合物分子结构中碳原子的成键特点、共价键的类型与极性。2、从官能团和化学键的视角分析有机反应的规律。3、认识同分异构现象，掌握有机化合物同分异构体的书写，判断同分异构体数目。预习导学一、有机化合物中的共价键1．共价键的类型(1)σ键(以甲烷分子中C—H为例)①形成：氢原子的1s轨道与碳原子的一个sp3杂化轨道沿着两个原子核间的键轴，以“”的形式相互重叠。②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。③σ键的对称性：轴对称(2)π键(以乙烯分子为例) ①形成：在乙烯分子中，两个碳原子均以sp2杂化轨道与氢原子的1s轨道及另一个碳原子的sp2杂化轨道进行重叠，形成4个C—Hσ键与一个C—Cσ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。②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。③σ键的对称性：。2、共价键的极性与有机反应由于不同的成键原子间电负性的差异，共用电子对会发生偏移。偏移的程度，共价键极性，在反应中越容易发生。有机化合物的官能团及其邻位的化学键往往是发生化学反应的活性部位。（1）乙醇与钠反应①乙醇与钠反应放出氢气，原因在于乙醇分子中O-H较强，能够发生。②乙醇与钠的反应没有水与钠的反应剧烈，乙醇分子中氢氧键的极性比水分子中氢氧键的极性_______。（2）乙醇与HBr反应①由于羟基中氧原子的较大，乙醇分子中的碳氧键极性也较强，反应中乙醇分子中断裂的键是。 ②共价键断裂需要能量，有机化合物分子中共价键断裂的位置存在多种可能。相对无机反应，有机反应一般反应速率较小，副反应较多，产物比较复杂。3、共价键断裂需要吸收能量，有机化合物分子中共价键断裂的位置存在多种可能。有机化合物分子中共价键断裂的位置与共价键的类型及共价键的极性有很大的关系。二、有机化合物的同分异构现象1、同分异构现象：的现象。2、同分异构体：的化合物。3、同分异构现象分类（1）：因分子中碳原子的结合次序不同而引起的异构现象，如C5H12有3种同分异构体，即正戊烷、异戊烷和新戊烷。（2）：分子中官能团不同而分属于不同类物质的异构。（3）：因分子中取代基或官能团在碳链（碳环）上的位置不同而引起的异构如正丙醇和异丙醇。【答案】一、1、(1)①头碰头(2)③σ镜面对称。2、越大越强断裂（1）①极性断裂②弱（2）①电负性碳氧单键②吸收二、1、化合物具有相同的分子式，但具有不同结构2、具有同分异构现象3、（1）碳链异构（2）官能团异构（3）官能团位置异构重难突破重点1σ、π键个数的计算一般情况下，有机化合物中的单键是σ键，双键中含有一个π键和一个σ键，三键中含有一个σ键和两个π键。例1、下列关于丙烯（CH3﹣CH=CH2）的说法正确的A.丙烯分子有7个σ键，1个π键B.丙烯分子中不含手性碳原子C.丙烯分子中3个碳原子都是sp2杂化D.丙烯分子中所有原子共平面【答案】B【解析】分子中含6个C-H、1个C-C、1个C=C，则丙烯分子有8个σ键，1个π键，A错误；手性碳原子一定是饱和的碳原子。丙烯分子中的饱和碳原子上连接着3个氢原子，故不具有手性，没有手性碳原子，B正确；碳碳双键为平面结构，丙烯分子双键中的2 个碳原子都是sp2杂化，甲基上C为sp3杂化，C错误；碳碳双键为平面结构，甲基中的C与双键共面，而甲基上的三个氢原子不可能同时与双键共面，D错误。重点2共价键的类型与有机反应类型的关系①例如：甲烷分子中含有C—Hσ键，能发生取代反应；②例如：乙烯和乙炔分子的双键和三键中含有π键，能发生加成反应。例2、一种植物生长调节剂的分子结构如图所示。下列说法不正确的是()A.该物质含有3种官能团B.该物质中CO键、OH键在化学反应中易断裂C.该物质中碳原子采取两种杂化方式D.该物质属于脂环烃【答案】D【解析】该物质含有羧基、羰基、羟基3种官能团，A正确；该物质中CO键、OH键极性较强，在化学反应中容易断裂，B正确；该物质中含有甲基、亚甲基和次甲基，碳原子采取sp3杂化，还含有C=O键，碳原子采取sp2杂化，C正确；该物质含有O元素，为烃的衍生物，D错误。重点3同分异构体同分异构体的书写规律(1)烷烃——碳链异构，具体规则如下：主链由长到短，支链由整到散，位置由心到边，排布由邻到间。 （2）常见的官能团类别异构举例组成通式可能的类别及典型实例CnH2n烯烃(CH2==CHCH3)、环烷烃()CnH2n－2炔烃(CH≡C—CH2CH3)、二烯烃(CH2==CHCH==CH2)、环烯烃()CnH2n＋2O醇(C2H5OH)、醚(CH3OCH3)CnH2nO醛(CH3CH2CHO)、酮()、烯醇(CH2==CHCH2OH)、环醚()、环醇()CnH2nO2羧酸(CH3CH2COOH)、酯(HCOOCH2CH3、CH3COOCH3)、羟基醛(HO—CH2CH2—CHO)、羟基酮()CnH2n－6O酚()、芳香醚()、芳香醇()例3、下列关于同分异构体异构方式的说法中，不正确的是A.和属于碳链异构B.和属于官能团异构C.和属于官能团异构D.和属于位置异构【答案】C【解析】和碳的骨架不同，前者没有支链，后者有支链，属于碳链异构，A项正确；两物质官能团不同，属于官能团异构，B项正确；和的官能团相同，属于碳链异构、位置异构，C项错误；甲基与在苯环上的位置不同，属于位置异构，D项正确。 例4、甲苯苯环上的氢原子被两个溴原子取代，生成的二溴代物有6种，则甲苯苯环上的三溴代物有()A.3种B.4种C.5种D.6种【答案】D【解析】甲苯苯环上的二氯取代物可以看作甲苯中2个氯原子被2个H原子取代，与甲苯的三氯取代物具有相同的同分异构体数目，故甲苯的三氯取代物有6种，D正确。重点4同分异构体和同系物的比较同分异构体同系物定义具有相同的分子式且具有不同结构的化合物结构相似，分子组成相差若干个CH2原子团的有机物注意1、同分异构体相对分子质量必然相同，但相对分子质量相同不一定是同分异构体；2、有机物和无机物也可能互为同分异构体，如尿素〔CO(NH2)2）〕和氰酸铵（NH4CNO）；3、通式相同的物质不一定是同分异构体，如纤维素和淀粉的通式都是（C6H10O5）n，它们不是同分异构体。一差(分子组成相差一个或若干个CH2)；两同(同通式、同结构)如相同的官能团类别和官能团数目；三注意(①必为同一类物质;②结构相似；③同系物的物理性质不同，化学性质相似)。例5、同分异构现象是造成有机物种类繁多的重要原因之一。下列各组物质中互为同分异构体的是（）A.甲烷与丙烷B.与C.乙烯与乙烷D.与【答案】D【解析】甲烷与丙烷互为同系物，故A错误；与，前者为乙醇，后者为乙酸，二者分子式不同，不属于同分异构体，B错误；乙烯分子式为，乙烷分子式为，二者分子式不同，不属于同分异构体，C错误；与，二者的分子式相同，结构不同，所以二者互为同分异构体，D正确。课堂演练1、下列表示不正确的是()A.乙烯的结构式：B.甲酸甲酯的结构简式： C.2-甲基丁烷的键线式：D.甲基的电子式：【答案】B【解析】乙烯的分子式为，结构式为，A正确；甲酸甲酯的结构简式为，B错误；2-甲基丁烷的结构简式为，键线式为，C正确；甲基为电中性基团，电子式为，D正确。2、关于同分异构体的叙述正确的是A.相对分子质量相同而结构不同的化合物互称为同分异构体B.化学式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体C.同分异构体之间由于分子组成相同，所以它们的性质相同D.只有少数的有机物之间存在同分异构现象【答案】B【解析】分子式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体，A错误；化学式相同而结构不同的化合物互称为同分异构体，B正确；同分异构体之间虽然分子组成相同，但结构不同，所以它们的性质不同，C错误；绝大多数有机物之间存在同分异构现象，D错误。3、下列关于σ键和π键的理解错误的是（）A．σ键一般能单独形成，而π键一般不能单独形成B．σ键可以绕键轴旋转，π键一定不能绕键轴旋转C．CH3—CH3、CH2=CH2、CH≡CH中σ键都是C—C键，所以键能都相同D．碳碳双键中有一个σ键，一个π键，碳碳三键中有一个σ键，两个π键【答案】C【解析】σ键可以单独形成，且可以绕键轴旋转，而π键不能单独形成也不能绕键轴旋转，A、B两项正确；C项三种物质中σ键为C—C键和C—H键，错误。4、下列关于乙醇和水分别与钠反应的比较中不正确的是(　　)A．乙醇和水分别与钠的反应都是置换反应B．乙醇与钠反应缓慢是因为其羟基上的氢原子不如水中的氢原子活泼C．钠沉在乙醇的底部而浮在水面，说明乙醇的密度<钠的密度<水的密度D．相同质量的乙醇和水分别与足量钠反应，同温同压下产生氢气的体积相同【答案】D 【解析】乙醇和水的摩尔质量(相对分子质量)不同，同质量的乙醇和水的物质的量不同，与钠的反应时产生氢气的体积不同。5、下列互为同分异构体的是A.16O和18OB.正丁烷和异丁烷C.金刚石和石墨D.HCOOH和CH3COOH【答案】B【解析】16O和18O互为同位素，不合题意；正丁烷和异丁烷互为同分异构体，符合题意；金刚石和石墨互为同素异形体，不合题意；HCOOH和CH3COOH互为同系物，不合题意。课后学习评价1、下列物质一定互为同系物的是(　　)A．①和②④和⑥B．④和⑥⑤和⑦C．⑤和⑦④和⑧D．④和⑧①和②【答案】C【解析】①和②的组成上相差不是n个CH2，A不正确；④和⑥相差1个CH2，但结构不一定相似，B不正确；⑤和⑦、④和⑧结构相似且分别相差1个CH2、2个CH2，一定互为同系物。2、甲醛是家庭装修常见的污染物。一种催化氧化甲醛的反应为：HCHO+O2H2O+CO2。下列有关叙述正确的是()A．HCHO分子中键σ和π键的数目之比为2：1B．16O原子中的中子数为16C．H2O是由极性键构成的非极性分子D．CO2的空间构型为直线形【答案】D【解析】HCHO分子中含有2条C-H键，1条C=O键，则σ键和π键的数目之比为3：1，A错误；16O原子中质量数为16，中子数为8，B错误；H2O分子的结构式为：H-O-H，空间构型为V型，结构不对称，是由极性键构成的极性分子，C错误；CO2的中心碳原子为sp 杂化，则空间构型为直线形，D正确；3、下列几组物质中互为同系物，且有关其原因的叙述正确的是(　　)A．乙烯和环丙烷()，分子组成上相差1个CH2原子团B．甲醛(CH2O)和丙烷(C3H8)，相对分子质量相差14，正好是CH2的相对质量C．乙醇(C2H6O)与水(H2O)，相对分子质量相差28，正好是CH2是相对质量的2倍D．甲烷和十七烷(C17H36)，它们都是烷烃，结构相似，组成相差16个CH2原子团【答案】D【解析】同系物的条件之一是结构相似，A项中的乙烯为链状结构，环丙烷为环状结构，结构不相似，A错误；同系物要求必须是同一类物质，元素组成也相同，B、C两项中物质的类别都不同，都不属于同系物，B、C错误，只有D正确。4、下列说法正确的是A．和互为同位素B．和互为同分异构体C．和是同一种物质D．与互为同系物【答案】C【解析】H2和D2均为氢元素构成的单质，且均为双原子分子，为同种物质，A错误；甲烷为正四面体构型，则二溴甲烷只有一种结构，即和是同一种物质，B错误；和都是异戊烷，C正确；属于酚，属于醇，结构不相似，不是同系物，D错误。5、C7H7Cl的含有苯环的同分异构体共有（） A.3种B.4种C.5种D.6种【答案】B【解析】苯环上连结—CH2Cl，有一种结构；苯环上连结—CH3、—Cl，有邻、间、对三种；一共有4种，B正确。6、下列关于共价键的说法不正确的是()A．分子中两个共价键的键角接近90°的原因是共价键有方向性B．分子中有1个键、2个键C．两个原子形成共价键时至少有1个键，可能还有其他键D．在双键中，键的键能小于键的键能【答案】D【解析】在形成共价键时，两个参与成键的原子轨道总是尽可能沿着电子出现概率最大的方向重叠成键，所以共价键有方向性，A正确；分子中存在键，则有1个键和2个键，B正确；键是原子轨道以“头碰头”方式重叠形成的，两个原子之间只能形成一个键，C正确；键是原子轨道以“头碰头”方式重叠形成的，键是原子轨道以“肩并肩”方式重叠形成的，一般情况下，键原子轨道重叠程度大于键，键的键能大于键的键能，D错误。7、2001年诺贝尔化学奖授予在“手性碳原子的催化氢化、氧化反应”研究领域作出贡献的美、日三位科学家。下列分子中含手性碳原子的是A.CHFBr2B.CH3CH2OHC.D.【答案】D【解析】CHFBr2中碳原子上连着的四个基团各有两个是一样的，该碳原子不是手性碳原子，A错误；乙醇中的两个碳原子上连着的四个原子中，都有一样的，都不是手性碳原子，故B错误；中碳原子上连与2个相同的甲基，C错误；第二个碳原子周围连着的四个原子或原子团分别是：甲基、氨基、氢原子、羧基，该碳原子是手性碳原子，D正确。 8、从成键情况看，下列分子式和结构式不合理的是A.C6H6：B.C2H4O2：C.CH2O：D.CH4O：【答案】B【解析】C原子最外层电子数目是4，H原子最外层电子数是1个，苯的结构符合C原子价电子数是4的原则，C原子达到最外层8个电子，H原子达到最外层2个电子稳定结构，A正确；O原子最外层电子数目是6，需形成2对共用电子对，才能达到最外层8个电子的稳定结构。中O原子没有达到最外层8个电子的稳定结构，B错误；中C原子达到最外层8个电子稳定结构，H原子达到最外层2个电子的稳定结构，C正确；中C、O原子都达到最外层8个电子的稳定结构，H原子达到最外层2个电子的稳定结构，D正确。9、下列各组物质中，互为同位素的是___(填序号，下同)，互为同系物的是___，互为同分异构体的是____。①红磷与白磷②与③CH3COOCH3与CH3CH2COOCH3④与⑤与⑥与⑦乙醇与二甲醚 【答案】②③⑥⑦【解析】质子数相同，中子数不同的同一元素的不同核素互为同位素，互为同位素的是②；结构相似，分子组成相差若干个CH2的有机物，互为同系物，互为同系物的是③；分子式相同，结构不同的有机物互为同分异构体，互为同分异构体的是⑥⑦。10、在下列各组物质中，找出合适的序号填在对应的空格内：①白磷和红磷②NO2和N2O4③12C和14C④和⑤C60和金刚石⑥异戊烷和新戊烷⑴互为同位素的是_____________；⑵互为同分异构体的是__________；⑶互为同素异形体的是_________；⑷同一种物质的是______________。【答案】(1)③(2)⑥(3)①⑤(4)⑦【解析】(1)12C和14C质子数都为6，中子数不同，是碳元素的不同原子，互为同位素，合理选项是②；(2)异戊烷和新戊烷分子式是C5H12，结构不同，因此二者互为同分异构体，合理选项是⑥；(3)白磷和红磷都是磷元素组成的性质不同的单质，互为同素异形体；C60和金刚石都是碳元素组成的性质不同的单质，互为同素异形体；合理选项是①⑤；(4)甲烷是正四面体结构，和都是甲烷分子中的2个H原子被2个Br原子取代产生的物质，呈四面体结构，结构一样，性质相同，为同一种物质，故合理选项是⑦。提升演练11、下列有机物中，一氯取代物不止一种的是A．新戊烷B．环己烷()C．立方烷()D．对二甲苯【答案】D【解析】新戊烷分子为C(CH3)4为对称结构，只有1种氢原子，一氯取代物只有1种，A不符合题意；环己烷()的分子为对称结构，只有1种氢原子，一氯取代物只有1种，B不符合题意；立方烷()的分子为对称结构，只有1种氢原子，一氯取代物只有1种，C不符合题意；对二甲苯()分子中有2种氢原子，如图 中数字，其一氯取代物有2种，D符合题意。12、有以下物质：①HF，②Cl2，③H2O，④N2，⑤C2H4，⑥C2H6，⑦H2O2，⑧HCN(H-C≡N)。（1）只含有极性键的是______。（2）只含有非极性键的是______。（3）既有极性键，又有非极性键的是______。（4）只有σ键的是______。（5）既有σ键，又有π键的是______。【答案】（1）①③⑧（2）②④（3）⑤⑥⑦（4）①②③⑥⑦（5）④⑤⑧【解析】①HF，只含极性键且为σ键，②Cl2，只含非极性键，且为σ键，③H2O只含极性键，且为σ键，④N2，只含非极性键，且由一个σ键、两个π键组成，⑤C2H4，含有极性键和非极性键，碳碳双键中含有一个σ键、两个π键，⑥C2H6，含有极性键和非极性键，且均为σ键，⑦H2O2，含有极性键和非极性键，且为σ键，⑧HCN(H-C≡N)含有极性键和非极性键，三键由一个σ键、两个π键。（1）只含有极性键的为：①③⑧，故答案为：①③⑧；（2）只含有非极性键的是：②④，故答案为：②④；（3）既有极性键，又有非极性键的是：⑤⑥⑦，故答案为：⑤⑥⑦；（4）只有σ键的是：①②③⑥⑦，故答案为：①②③⑥⑦；（5）既有σ键，又有π键的是：④⑤⑧，故答案为：④⑤⑧；