烷烃和同分异构体

1. 有机物中碳原子成键特点

2. 甲烷

3. 烷烃

4. 同系物和同分异构体

二. 复习重点

1. 理解并掌握有机化合物中碳原子成键特点及空间取向、同分异物现象、结构和性质的关系。

2. 掌握甲烷的的结构特点和性质。

3. 了解烷烃的结构特点、性质、命名等知识。

4. 了解同系物、同分异构体等概念，并能熟练书写同分异构体结构简式，正确地根据有机物判断其性质及根据性质确定其结构。

三. 复习过程

（一）有机物中碳原子成键特点

1、有机物中每个碳原子周围都形成4个共价键。

2、碳原子之间或与其它非金属原子可形成三种共价键：单键、双键、叁键。

3、1个碳原子和4个原子成单键时，碳原子采用sp3杂化，为四面体取向，如CH4，CH3Cl。形成双键时，碳原子采用sp2杂化，双键碳原子和与之直接相连的处于同一平面，如CH2=CH2。形成叁键时，碳原子采用sp杂化，叁键碳原子和与之直接相连的处于同一直线，如CH≡CH。

（二）甲烷

甲烷是烃中最简单的有机物。甲烷是一种没有颜色，没有气味的气体，密度大约是空气的1/6，极难溶于水。是天然气、沼气、油田气和煤矿坑道气的主要成分。

1、分子结构

分子式：CH4  电子式：

　　结构式：

　　空间结构示意图：

（1）结构特点：甲烷的空间构型为正四面体结构，其中碳原子采用sp3杂化，位于正四面体的中心，四个氢原子分别位于正四面体的四个顶点。碳原子的四个价键之间的夹角都相等，四个碳氢键的键长也都相等。甲烷分子是由极性键构成的非极性分子。

（2）CH4分子是以碳原子为中心的正四面体结构而不是正方形的平面结构，理由是CH2Cl2不存在同分异构体。

（3）甲烷（有机物）分子组成确定的步骤：

①先测定标准状况甲烷的密度，根据其密度，求出分子量M=e×22.4=16。

②通过对甲烷进行的定量（一般用燃烧的方法）测定，测得碳的百分含量75%，氢的百分含量25%。

③计算1个分子中碳氢的原子个数：C:

　　,其化学式为CH4。

2、化学性质：通常情况下，性质比较稳定，与高锰酸钾等强氧化剂不反应，跟强酸、强碱也不反应。

（1）与氧气反应：甲烷（可燃性气体）点燃前必须要验纯，火焰的颜色是淡蓝色，燃烧的化学方程式（条件、简式、箭头、小分子）：

将一蘸有石灰水的小烧杯罩在火焰上，小烧杯变模糊，说明有二氧化碳生成，将一干燥小烧杯罩在火焰上，有小液滴产生，说明有水生成。

（2）取代反应（烷烃的特征反应）：甲烷与氯气在光照条件下发生取代反应，反应的化学方程式：

①实验现象和结论：黄绿色逐渐褪去，瓶壁出现油状小液滴，说明产生了不溶于水的物质。瓶口有大量白雾产生，使湿石蕊试纸变红，推断有氯化氢生成。

②甲烷四种取代产物性质的比较：

③取代反应：有机物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应叫取代反应。

（三）烷烃

1、烷烃的定义：烃分子中的碳原子之间只以单键结合成链状，碳原子剩余的价键全部跟氢原子相结合，使每个碳原子的化合价都已充分利用，都达到“饱和”。这样的烃叫做饱和烃，又叫烷烃。

2、烷烃的通式：CnH2n+2（n≥1）

3、烷烃的结构特点：碳碳单键(C—C)；链状；“饱和”（每个碳原子都形成四个单键）

4、物理性质的递变规律：随着C原子增加，结构相似，相对分子质量逐渐增大，分子间作用力逐渐增大；熔沸点逐渐升高(碳原子个数n≤4的烃均为气体)；密度逐渐增大；均不溶于水。

5、化学性质的通性：与甲烷的化学性质类似，通常较稳定，与酸、碱和强氧化剂不反应；在空气中能点燃，燃烧的化学方程式：2CnH2n+2+（3n+1）O2

　　2nCO2+(n+1)H2O。在光照条件下，都能与氯气等发生取代反应。

6、烷烃的命名：碳原子数在10个以内，依次用“天干”（甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸）代表碳原子数，其后加上“烷”字；碳原子数在10个以上，用汉字数字表示（如十二烷）。系统命名法的命名步骤：

（1）选主链，称某烷：选择分子中最长的碳链作为主链，若有几条等长碳链时，选择支链较多的一条为主链。根据主链所含碳原子的数目定为某烷，再将支链作为取代基。此处的取代基都是烷基。

（2）写编号、定支链：从距支链较近的一端开始，给主链上的碳原子编号。若主链上有2个或者2个以上的取代基时，则主链的编号顺序应使支链位次尽可能低。

（3）书写规则：“支链的编号—逗号—支链的名称—主链名称”。将支链的位次及名称加在主链名称之前。若主链上连有多个相同的支链时，用小写中文数字表示支链的个数，再在前面用阿拉伯数字表示各个支链的位次，每个位次之间用逗号隔开，最后一个阿拉伯数字与汉字之间用半字线隔开。若主链上连有不同的几个支链时，则按由小到大的顺序将每个支链的位次和名称加在主链名称之前。

（四）同系物和同分异构体

1、同系物：结构相似，组成上相差一个或若干个“CH2”原子团的物质互称为同系物。

（1）同系物必须是同类有机物。

（2）结构相似指具有相似的原子连接方式，相同的官能团类别和官能团数目。

（3）具有相同通式的有机物除烷烃外，不能以通式相同作为确定是同系物的充分条件。

（4）同分异构体之间不是同系物关系。

（5）同系物的物理性质具有规律性的变化；同系物的化学性质相似。

2、同分异构体：化合物具有相同的分子式，但具有结构式的现象，叫做同分异构现象。如具有同分异构现象的化合物互称为同分异构体。

(1)同分异构体的种类

①碳架异构：指碳原子之间连接成不同的链状或环状结构而造成的异构。

②位置异构：指官能团或取代基在碳架上的位置不同而造成的异构。

③类别异构：指有机物分子中的官能团不同或有机物类别不同而造成的异构，也叫官能团异构。

④顺反异构：分子中存在碳碳双键或环等限制旋转的因素，使分子中某些原子或基团在空间位置不同，产生顺反异构现象。双键产生顺反异构体的条件是分子中含有碳碳双键或环，碳碳双键两端每个原子所连两个不同的原子或原子团。两个相同的原子或原子团排列在双键的同一侧的称为顺式结构，两个相同的原子或原子团排列在双键的两侧的称为反式结构。顺式结构和反式结构的化学性质基本相同，物理性质有一定的差异。

（2）常见的类别异构

CnH2n：(n≥3)烯烃和环烷烃；CnH2n－2：(n≥3)二烯烃和炔烃；CnH2n＋2O：(n≥2)饱和一元醇和饱和一元醚；CnH2nO：(n≥2)饱和一元醛、烯醇和环氧烷、(n≥3)饱和一元酮；CnH2nO2：(n≥2)饱和一元羧酸、饱和一元羧酸饱一元醇酯；CnH2n＋1O2N：(n≥2)氨基酸、硝基化合物和亚硝酸酯；CnH2n－6O：(n≥7)酚、芳香醇和芳香醚；C8H8：苯乙烯和立方烷；C6H12O6：葡萄糖和果糖；C11H22O11：蔗糖和麦芽糖；CH4ON2：尿素[CO(NH2)2]和氰酸铵[NH4CNO]。

（3）判断同分异构体数目的常见方法和思路

①等效氢原子法（又称对称法）：分子中同一个碳原子上连接的氢原子等效，如甲烷中的4个氢原子等同；同一个碳原子上所连接的甲基上的氢原子等效，如新戊烷四个甲基等效，各甲基上的氢原子完全等效，也就是说新戊烷分子中的12个H原子是等效的；分子中处于对称位置上的氢原子是等效的，如乙烷中的6个氢原子等同，2,2,3,3—四甲基丁烷上的24个氢原子等同，苯环上的6个氢原子等同。

②基团连接法：将有机物看作由基团连接而成，由基团的异构数目可推断有机物的异构体数目。如丁基有四种，丁醇（看作丁基与羟基连接而成）也有四种：戊醛、戊酸（分别看作丁基跟醛基、羧基连接物）也分别有四种。再如C9H12的芳香烃（可看作一价苯基跟丙基、二价苯基跟一个甲基和一个乙基、三价苯基跟三个甲基连接而得）共有8种。

③换位思考法：将有机物分子中的不同原子或基团换位进行思考。如乙烷分子中共有6个H原子，若有一个氢原子被Cl原子取代所得一氯乙烷只有一种结构，那么五氯乙烷有多少种？假设把五氯乙烷分子中的Cl看作H原子，而H原子看成Cl原子，其情况跟一氯乙烷完全相同，故五氯乙烷也有一种结构。同理：二氯乙烷有二种结构，四氯乙烷也有二种结构。又如：二氯苯有三种，四氯苯也有三种。

【归纳总结】烃类的密度、熔点、沸点规律

（1）所有烃类都不溶于水，且比水的密度小。

（2）有机物一般为分子晶体，在有机同系物中，随着碳原子数的增加，相对分子质量增大，分子间作用力增大，熔沸点逐渐升高。如气态烃：CxHy，x≤4。

（3）分子式相同的不同烃，支链越多，熔沸点越低。例如：CH3（CH2）3CH3＞（CH3）2CHCH2CH3＞C（CH3）4。

（4）同分异构体的芳香烃及其衍生物的熔沸点，一般地说：邻位＞间位＞对位。

【典型例题】

例1. （2006全国2）主链含5个碳原子，有甲基、乙基2个支链的烷烃有（  ）

A. 2种                          B. 3种                       C. 4种                         D. 5种

分析：本题考查了在限定条件下同分异构体的写法。主链有５个碳原子，有甲基、乙基2个支链的烷烃只有两种，2－甲基－3－乙基戊烷和3－甲基－3－乙基－戊烷。

答案：A

例2. 按系统命名法，下列名称不正确的是（    ）

A. 2－甲基丁烷            B. 2－甲基丙烷           C. 2，2－二甲基丙烷   D. 2－乙基丙烷

分析：解答此类问题的基本方法是：先按所给名称写出结构简式（或碳架结构），然后重新按系统命名法命名，并比较前后两个名称是否一致，不一致说明原命名不正确。D选项中按所给名称，其结构简式应为

　　，按系统命名法应为2－甲基丁烷。

答案：D

例3. CH4分子是以碳原子为中心的正四面体结构而不是正方形的平面结构，理由是（    ）

A. CH3Cl不存在同分异构体                            B. CH2Cl2不存在同分异构体

C. CHCl3不存在同分异构体                            D. CH4的四个价键的键角和键长都相等

分析：A、C、D三个选项说明，无论CH4是正方形的平面结构还是正四面体结构，它们都不会有同分异构体，可以否去。而B项说明，CH4若为正方形平面结构，就得有同分异构体。B中既然说明CH2Cl2没有同分异构体，则说明CH4不是正方形的平面结构，而是以碳为中心的正四面体结构。

答案：B

例4. 从理论上分析，碳原子数为10或小于10的烷烃分子中，其一卤代物不存在同分异构体的烷烃分子共有的种类是（    ）

A. 2种                         B. 3种                         C. 4种                         D. 5种

分析：最简单的烷烃（甲烷）分子空间构型是正四面体，其一卤代物、二卤代物不存在同分异构体，也就是说甲烷分子中的四个氢原子在空间的位置完全等同。按照氢原子在空间位置完全等同这一原则，有下列变换过程：

CH4（甲烷）

　　C（CH3）4                     分子式：C5H12

CH3CH3（乙烷）

　　C（CH3）3C（CH3）3  分子式：C8H18

由于题给条件限定碳原子为10或小于10，故选C。

答案：C

例5. 分子式为C4H9Cl的同分异构体有（    ）

A. 1种                         B. 2种                         C. 3种                         D. 4种

分析：C4H9Cl由C4H9—和—Cl组成，其中丁基有下列4种：—CH2—CH2—CH2—CH3、

　　

　　由4种丁基和氯原子形成的分子式为C4H9Cl的同分异构体也就有4种。也可由丁基的碳架形式快速分析：丁基有两类，一类是含四个碳原子的，一类是含三个碳原子的，每类各有两种，其一氯代物共4种。

答案：D

例6. 某化合物的分子式为C5H11Cl，分析数据表明，分子中有两个—CH3，两个

—CH2—，一个

　　和一个—Cl。它的可能的结构有（    ）

A. 2种                         B. 3种                         C. 4种                         D. 5种

分析：本题采用基团（或官能团）移位法。根据A的分子式可知，它是C5H12的一氯代物。C5H12有3种同分异构体，其碳架结构为：

　　

　　

据题意，分子中不存在未结合氢原子的碳原子，③不合题意。然后，考虑在前两种碳链上移动氯原子的位置。①中氯原子必须结合在碳链中间的碳原子上，有2种不同的放法（如箭头所示）；②中氯原子必须结合在链端的碳原子上，也有2种不同的放法。故符合题意的结构有4种。

答案：C

例7. 物质A的分子式为C12H12，结构简式为

　　。已知A的苯环上的二溴代物有9种同分异构体。由此推断A苯环上的四溴代物的同分异构体数目有（   ）

A. 9种                         B. 10种                       C. 11种                       D. 12种

分析：本题采用等效结构法判断。A的苯环上共有6个可被取代的氢原子，其苯环上的二溴代物中苯环上有4个氢原子和2个溴原子，其四溴代物中苯环上有4个溴原子和2个氢原子。苯环上的6个氢原子被2个溴原子取代与苯环上的6个溴原子被2个氢原子取代应是等效的，故二者的同分异构体数目是相等的。这种题目的规律是：若某烃有n个可被取代的氢原子，则其a取代产物的数目与n－a取代产物的数目相同。

答案：A

例8. 一定量的CH4燃烧后得到的产物是CO、CO2、H2O（g），此混合物的质量为49.6 g，当其缓缓通过足量的无水CaCl2时气体质量减少25.2 g，则混合气中CO的质量为（   ）

A. 24.4 g                     B. 13.2 g                    C. 12.5 g                      D. 11.2 g

分析：设产物中CO的物质的量为x，CO2的物质的量为y。由C原子守恒可得CH4的物质的量为（x+y）,又由H原子守恒可得生成H2O的物质的量为2（x+y）。则 解得 x=0.4 mol，y=0.3 mol  m（CO）=0.4 mol×28 g·mol－1=11.2 g

答案：D

例9. 完全燃烧一定量的乙烯与某烃的混合气体后，测得其生成物中气体的质量是反应前混合烃质量的2.86倍，试通过计算确定该气态烃的分子式及它在该混合气体中所占的物质的量的分数（气体体积和质量均在常温下测定）。

分析：CH2==CH2+3O2

　　2CO2+2H2O

　　=3.14＞2.86

由此判断烷烃燃烧生成CO2与烃的质量比必小于2.86。

CnH2n+2+

　　O2

　　nCO2+（n+1）H2O

　　＜2.86，得n＜2。

混合气体中另一种烃分子中C原子数为1，一定是甲烷。

设混合气体中C2H4和CH4共1 mol，其中CH4的物质的量为x。由题意知：

　　=2.86

解得：x=0.818 mol。

答案：CH4所占的物质的量分数为81.8%。

【模拟试题】

1. 2005年1月14日，成功登陆土卫六的“惠更斯”号探测器发回了350张照片和大量数据。分析指出，土卫六“酷似地球经常下雨”，不过“雨”的成分是液态甲烷。下列关于土卫六的说法中，不正确的是  （    ）

A. 土卫六上存在有机分子

B. 地表温度极高

C. 地貌形成与液态甲烷冲刷有关

D. 土卫六上形成了甲烷的气液循环系统

2. 甲烷气体在氧气中燃烧生成二氧化碳和水的实验事实说明   （    ）

A. 甲烷的分子式为CH4

B. 甲烷气体中含碳元素和氢元素

C. 甲烷气体中只含有碳元素和氢元素

D. 甲烷的化学性质比较稳定

3. 已知瓦斯气又叫煤层气，它与天然气成分无异，下列有关说法不正确的是（    ）

A. 瓦斯气主要成分是甲烷

B. 瓦斯气在空气中占任意体积分数时，均会发生爆炸

C. 井下及时通风透气、加强监测，控制瓦斯气的浓度并严禁明火，是安全生产的关键之一

D. 煤层气直接排放到空气中，不仅浪费资源还会加剧温室效应

4. 下列微粒中，与甲烷分子具有相同的质子数和相同的电子数的是（   ）

A. HCl                        B. NH3                         C. NH4＋                      D. OH-

5. 如图所示，集气瓶内充满某混合气体，置于光亮处，将滴管内的水挤入集气瓶后，烧杯中的水会进入集气瓶，集气瓶内气体是(     )

①CO、O2；②Cl2、CH4； ③NO2、O2； ④N2、H2

A. ①②                      B. ②④                     C. ③④                     D. ②③

6. 下列化学性质中，烷烃不具备的是（    ）

A. 可以在空气中燃烧                                     B. 与C12发生取代反应

C. 可以与溴水中的溴反应而使溴水褪色        D. 能使高锰酸钾溶液褪色

7. 下列有机物没有同分异构体的是（    ）

A. C4H10                     B. CH3Cl                    C. CH2Cl2                D. C5H12

8. 仔细分析下列表格中烃的排列规律，判断排列在第15位烃的分子式是(     )

1

2

3

4

5

6

7

8

9

……

C2H2

C2H4

C2H6

C3H4

C3H6

C3H8

C4H6

C4H8

C4H10

……

A. C6H12                     B. C6H14                       C. C7H12                      D. C7H14

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

A. C5H12                      B. C4H10                       C. C3H6                      D. C3H8

10. 两种气态烃的混合气体共1L，在空气中燃烧生成1.5LCO2气体和2L水蒸气（气体体积均在相同状况下测定），关于该混合气体的说法正确的是（   ）

A. 一定含有甲烷

B. 一定含有甲烷，不一定含乙烷

C. 一定含有乙烷，不一定含有甲烷

D. 一定不含有乙烷

11. 相对分子质量为100的烷烃，主链上有5个碳原子的同分异构体有（  ）种

A. 3                           B. 4                            C. 5                            D. 6

12. 根据下表中烃的分子式排列规律，判断空格中烃的同分异构体数目是(     )

1

2

3

4

5

6

7

8

CH4

C2H4

C3H8

C4H8

C6H12

C7H16

C8H16

A. 3                                     B. 4                                       C. 5                                       D. 6

13. 含有2~5个碳原子的直链烷烃沸点和燃烧热的数据见下表：

烷烃名称

乙烷

丙烷

丁烷

戊烷

沸点(℃)

－88.6

－42.1

－0.5

36.1

*燃烧热(kJ·mol－1)

1560.7

2219.2

2877.6

3535.6

* 燃烧热：1 mol物质完全燃烧，生成二氧化碳、液态水时所放出的热量。

根据表中数据，下列判断错误的是(     )

A. 正庚烷在常温常压下肯定不是气体

B. 烷烃燃烧热和其所含碳原子数成线性关系

C. 随碳原子数增加，烷烃沸点逐渐升高

D. 随碳原子数增加，烷烃沸点和燃烧热都成比例增加

14. 1mol某烷烃完全燃烧，需要8mol氧气，这种烷烃的化学式是（   ）

A. C3H8                     B. C4H10                     C. C5H12                                            D. C6H14

15. 将CH4（隔绝空气）加热到1000℃以上，可发生反应CH4

　　C+2H2，然后通入水蒸气，则混合气体中不可能存在的气体是（   ）

A. CO                       B. H2                          C. CO2                       D. O2

16. 目前，从自然界发现的和人工合成的有机物已经超过2000万种，远远多于无机物。其主要原因如下：

⑴有机化合物都含有C元素，碳原子最外层有   个电子，每个C原子可以与C原子或其他元素的原子形成    个共价键，这些共价键可能是     、     或     。

⑵多个C原子可以相互结合成       或       ，而分子式相同的分子，其结合方式也有可能不同。如4个C原子相互以单键结合的方式就有4种，请在下列方框中画出其他3种的结合方式：

17. 烷烃分子中的基团可能有四种：—CH3、—CH2—、

　　，其数目分别用a、b、c、d表示，对烷烃(除甲烷外)中存在的关系作讨论：

⑴下列说法正确的是

A. a的数目与b的数目的大小无关                 B. c增加1，a就会增加3

C. d增加1，a就会增加2                        D. b增加1，a就会增加2

⑵四种基团之间的关系为：a=           (用a、b、c、d表示)

⑶若某烷烃分子中，b=c=d=1，则满足此条件的该分子的结构可能有      种。

18. 四川有丰富的天然气资源。以天然气为原料合成尿素的主要步骤如下图所示（图中某些转化步骤及生成物未列出）：

请填写下列空白：

（1）已知0.5 mol甲烷和0.5 mol水蒸气在t ℃，p k Pa时，完全反应生成一氧化碳和氢气（合成气），吸收了a kJ热量。该反应的热化学方程式是：                       。

（2）在合成氨的实际生产过程中，常采取的措施之一是：将生成的氨从混合气体中及时分离出来，并将分离出氨后的氮气和氢气循环利用，同时补充氮气和氢气。请应用化学反应速率和化学平衡的观点说明采取该措施的理由：                              。

（3）当甲烷合成氨气的转化率为75％时，以5.60×107 L甲烷为原料能够合成       L氨气。（假设体积均在标准状况下测定）

（4）已知尿素的结构简式为

　　，请写出两种含有碳氧双键的尿素的同分异构体的结构简式：①                      ，②                        。

【试题答案】

1. B     2. B        3. B        4. B        5. D        6. D        7. BC      8. B        9. B

10. A   11. C       12. A       13. D      14. AD    15. D

16. ⑴4  4  单键  双键  三键  ⑵碳链  碳环

　　（其它合理形式亦可）

17. ⑴AC  ⑵2+c+2d  ⑶3

18. （1）CH4(g)+H2O(g)

　　CO(g)+3H2(g)；△H＝2a kJ/mol（2）增大氮气和氢气的浓度有利于增大反应速率；减小氨气的浓度，增大氮气和氢气的浓度都有利于平衡向正反应方向移动。（3）1.12×108（4）①O＝CH－NH－NH2  ②NH4N＝C＝O