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高考化学烷烃
第2课时 烷 烃
[学习目标定位] 1.了解烷烃的组成、结构、通式。
2.认识烷烃的物理性质和化学性质。
3.掌握同系物、同分异构体的概念并会判断是否为同分异构体或同系物。
一、烷烃
1.下面是乙烷、丙烷、丁烷的结构式。
回答下列问题:
(1)每个碳原子形成4个共价键。
(2)烃分子中,碳原子之间都以碳碳单键结合成链状,碳原子的剩余价键均与氢原子结合,使每个碳原子的化合价都达到“饱和”,这样的烃叫做饱和链烃,也称烷烃。
(3)烷烃的通式为CnH2n+2(n≥1且n为整数)。
烷烃的空间结构中,碳原子(大于等于3时)不在一条直线上,直链烷烃中的碳原子空间构型是折线形或锯齿状。
2.教材表31列举了部分烷烃的物理性质。
阅读分析表31可知:
烷烃的物理性质随着分子中碳原子数的增多,呈规律性的变化。
如
(1)常温下其状态由气态变到液态又变到固态,熔、沸点逐渐升高。
(2)相对密度逐渐增大。
(3)常温下,碳原子数小于或等于4时,均为气态(新戊烷常温下也为气态)。
3.物质的组成、结构决定物质的性质,这个规律在有机物中体现得尤其明显。
烷烃的化学性质与甲烷相似,请写出下列反应的化学方程式(有机物写结构简式):
(1)燃烧。
如丙烷的燃烧:
CH3CH2CH3+5O2
3CO2+4H2O。
(2)取代反应。
如光照条件下,乙烷与氯气发生取代反应(只要求写一氯取代):
CH3CH3+Cl2
CH3CH2Cl+HCl。
该反应中的化学键变化情况:
断裂C—H键和Cl—Cl键,形成C—Cl键和H—Cl键。
(3)用通式表示烷烃的完全燃烧及卤代反应(用X2表示):
①CnH2n+2+
O2
nCO2+(n+1)H2O;
②CnH2n+2+X2
CnH2n+1X+HX,CnH2n+1X可与X2继续发生取代反应。
1.下列说法正确的是( )
A.饱和烃就是烷烃
B.随着碳原子数的递增,烷烃的熔、沸点逐渐降低
C.取代反应中可能有单质生成
D.任何烷烃分子都不可能为平面结构
答案 D
解析 饱和链烃是烷烃,随着碳原子数的增加,烷烃的熔、沸点逐渐升高,据CH4的分子结构可知,烷烃分子不可能是平面结构,A、B错误,D正确;由取代反应的定义可知C错误。
2.下列关于CH4和
的叙述正确的是( )
A.均能用CnH2n+2组成通式来表示
B.与所有烷烃互为同素异形体
C.因为它们的结构相似,所以它们的化学性质相似,物理性质相同
D.通常状况下,它们都是气态烷烃
答案 A
解析 B项,它们与其他碳原子数不同的烷烃互为同系物;C项,化学性质相似,但物理性质不同;D项,碳原子数小于或等于4的烷烃及新戊烷在通常状况下是气体。
二、同系物 同分异构体
1.填表
甲烷
乙烷
丙烷
分子式
CH4
C2H6
C3H8
结构简式
CH4
CH3CH3
CH3CH2CH3
根据上表回答下列问题:
(1)相邻烷烃分子在组成上均相差一个CH2原子团。
(2)同系物是指结构相似,分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质,烷烃同系物的通式为CnH2n+2。
2.对比两种物质的结构回答下列问题:
CH3—CH2—CH2—CH3
正丁烷 异丁烷
(1)分子式均为C4H10,它们不是同系物,二者分子式相同,但结构不相同,正丁烷无支链,异丁烷有支链。
(2)具有相同的分子式而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同分异构体。
(3)判断下列有关同分异构体的叙述是否正确
①同分异构体具有相同的组成元素(√)
②组成元素相同的化合物互为同分异构体(×)
③同分异构体具有相同的相对分子质量(√)
④相对分子质量相同的化合物互为同分异构体(×)
⑤互为同分异构体的化合物也可能互为同系物(×)
(4)
与
是否互为同分异构体并说明理由。
答案 不是同分异构体,由于二者均为四面体结构,为同一种物质。
(5)用结构简式写出戊烷(C5H12)的同分异构体。
答案 CH3CH2CH2CH2CH3
(6)判断下列说法是否正确,据此理解同分异构现象是有机物种类繁多的又一重要原因。
①分子式不同的物质一定为不同物质,分子式相同的物质也可能为不同物质(√)
②分子中含3个及3个以下碳原子的有机物一定不存在同分异构现象(×)
③随着碳原子数增多,烷烃的同分异构体数目有增多的趋势(√)
1.同系物的判断
2.烷烃同分异构体的书写规律
烷烃同分异构体的书写规律可概括为主链由长到短,支链由整到散,位置由心到边,排列对、邻到间。
选择最长的碳链为主链;找出中心对称线;碳原子必须满足四个键;主链上的链端不能接甲基,主链上的第二个碳原子或倒数第二个碳原子不能接乙基,否则主链会改变,而容易出现重复结构。
例如,书写戊烷(C5H12)同分异构体的方法:
(1)先写出碳链最长的直链烃:
CH3CH2CH2CH2CH3。
(2)从主链上减少一个—CH3作为取代基(支链),在所得主链上依次移动可能的位置,得
。
(3)再从主链上减少一个碳原子作为所得主链的取代基,得
。
故C5H12的同分异构体共有三种,依次称为正戊烷、异戊烷、新戊烷。
3.下列叙述错误的是( )
A.同系物之间在化学性质上相似
B.同系物不可能是同分异构体
C.同系物之间的物理性质随分子里碳原子数的递增,呈规律性的变化
D.分子组成相差一个或几个CH2原子团的物质互称为同系物
答案 D
解析 分子组成相差一个或若干个CH2原子团的物质不一定互为同系物,还必须为同一类物质时才互为同系物,D项不正确。
4.有下列结构的物质:
①CH3(CH2)3CH3
②CH3CH2CH2CH2CH3 ③CH3CH2CH2CH2CH2CH3
④
⑤
⑥
⑦
其中,属于同系物的是________(填字母,下同);属于同分异构体的是______;属于同种物质的是________。
A.①②B.②③
C.③④⑤⑥⑦D.①③
E.③④⑤⑦F.④⑥
答案 BD E AF
解析 7种物质均为烷烃,若碳原子数不同,则互为同系物;若碳原子数相同,而结构不同,则互为同分异构体;若碳原子数相同,且结构也相同,则为同一种物质。
7种物质的分子式分别为①C5H12 ②C5H12 ③C6H14 ④C6H14 ⑤C6H14 ⑥C6H14 ⑦C6H14。
所以①②中
任一物质与③④⑤⑥⑦中任一物质均属于同系物;①②结构相同,属于同种物质,④⑥结构相同,属于同种物质;③④⑤⑦或③⑤⑥⑦互为同分异构体。
1.以下结构表示的物质中是烷烃的是( )
A.CH3OH
B.CH2==CH2
C.
D.
答案 C
2.分子式为C4H10的烃的一氯代物的同分异构体有( )
A.3种B.4种C.5种D.6种
答案 B
解析 分子式为C4H10的烃有两种同分异构体:
CH3CH2CH2CH3(正丁烷)和
(异丁烷),正丁烷和异丁烷各有2种不同化学环境的氢原子,故C4H10的一氯取代物有4种。
3.下列各对物质中互为同系物的是( )
A.CH3—CH==CH2和CH3—CH2—CH==CH2
B.CH3—CH3和CH3—CH==CH2
C.CH3—CH2—CH3和CH3—CH==CH2
D.CH3—CH2—CH==CH2和CH3—CH2—CH3
答案 A
解析 同系物的定义是结构相似(同一类),在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质互为同系物,B、C、D三选项中给出的物质结构不相似,分子组成上也不相差一个或若干个CH2,所以B、C、D三项均不正确。
4.在下列各组物质中,找出合适的序号填在对应的空格内:
①NO2和N2O4 ②12C和14C ③
K和
Ca
④异戊烷(
)和新戊烷(
)
⑤
⑥甲烷和丙烷
(1)互为同位素的是________(填序号,下同)。
(2)互为同分异构体的是________。
(3)互为同系物的是________。
(4)为同一种物质的是________。
答案
(1)②
(2)④ (3)⑥ (4)⑤
解析
(1)互为同位素的是质子数相同、中子数不同的原子,②符合。
(2)互为同分异构体的是分子式相同、结构不同的化合物,④符合。
(3)互为同系物的是结构相似、组成上相差一个或多个CH2原子团的有机物,⑥符合。
(4)⑤中两个分子是同一种物质,只是观察角度不同。
5.写出下列各烷烃的分子式。
(1)烷烃A在同温同压下蒸气的密度是H2的43倍:
____________________________。
(2)烷烃B的分子中含有200个氢原子:
________。
(3)分子中含有26个电子的烷烃C:
________。
(4)室温下相对分子质量最大的气态直链烷烃D:
_______________________________。
(5)0.1mol烷烃E完全燃烧,消耗标准状况下的O211.2L:
________。
答案
(1)C6H14
(2)C99H200 (3)C3H8 (4)C4H10 (5)C3H8
解析
(1)M=2g·mol-1×43=86g·mol-1,所以14n+2=86,n=6,即该烷烃的分子式为C6H14。
(2)由CnH2n+2,2n+2=200,得n=99,该烷烃的分子式为C99H200。
(3)由CnH2n+2可知:
6n+2n+2=26,n=3,该烷烃的分子式为C3H8。
(4)室温下相对分子质量最大的气态直链烷烃应为CH3CH2CH2CH3,分子式为C4H10。
(5)0.1mol烷烃完全燃烧消耗O2为
=0.5mol。
所以
=5,n=3,即E的分子式为C3H8。
[基础过关]
题组一 烷烃的结构与性质
1.北京奥运会“祥云”火炬使用的燃料为丙烷。
下列关于丙烷的说法正确的是( )
A.1mol丙烷完全燃烧需4mol氧气
B.与丁烷互为同分异构体
C.能使酸性高锰酸钾溶液褪色
D.分子式为C3H8
答案 D
解析 1molC3H8完全燃烧消耗O2为3+
=5mol,A项不正确;C3H8与丁烷(C4H10)互为同系物,B项不正确;C3H8为饱和烃,不能被高锰酸钾氧化即C3H8不能使高锰酸钾溶液褪色,C项不正确。
2.下列说法正确的是( )
A.碳碳间以单键结合,碳原子剩余价键全部与氢原子结合的烃一定是饱和链烃
B.分子组成符合CnH2n+2的烃一定是烷烃
C.正戊烷分子中所有的碳原子均在同一条直线上
D.碳、氢原子个数比为1∶3的烃有两种
答案 B
解析 A项,环烷烃也符合要求,但它不是链烃,属于环烃;C项,由碳原子的成键方式和键角特征知,碳原子呈折线方式排列,因此正戊烷中的碳原子不在同一直线上;D项,n(C)∶n(H)=1∶3时必为C2H6,一定是乙烷。
3.下列反应中,光照对反应几乎没有影响的是( )
A.氯气与氢气反应B.次氯酸分解
C.甲烷与氯气反应D.甲烷与氧气反应
答案 D
解析 A项,氯气与氢气在加热或光照下进行反应,光照有影响,错误;B项,次氯酸在光照下发生分解反应,错误;C项,甲烷与氯气在光照下发生取代反应,错误;D项,甲烷与氧气在点燃时发生氧化反应,光照对反应几乎没有影响,正确。
4.下列反应中,不属于取代反应的是( )
A.CH3Cl+Cl2
CH2Cl2+HCl
B.CH4+2O2
CO2+2H2O
C.CH3CH2Br+H2O―→CH3CH2OH+HBr
D.C2H6+Cl2
C2H5Cl+HCl
答案 B
题组二 同系物、同分异构体判断
5.下列说法中正确的一组是( )
A.H2和D2互为同位素
B.
互为同分异构体
C.正丁烷和异丁烷是同系物
D.
是同一种物质
答案 D
解析 H2和D2都是氢的单质,A错误;由于CH4分子是正四面体结构,其二溴代物只有一种结构,故二者是同一种物质,B错误;正丁烷和异丁烷属于同分异构体,C错误。
6.下列分子式只能表示一种物质的是( )
A.C2H6B.C4H10C.C4H8Cl2D.C
答案 A
解析 B、C均有同分异构体,D中碳有多种单质。
7.在烷烃的同系物中,所含碳元素的质量分数最大应接近于( )
A.75%B.80%
C.85.7%D.92.3%
答案 C
解析 烷烃通式为CnH2n+2,所含碳元素的质量分数为
y=
=
=
,
y是关于n的增函数,当n趋向于无限大时y的值接近
,C项正确。
题组三 烷烃燃烧的计算
8.在常温、常压下,取下列四种气态烃各1mol,分别在足量的氧气中燃烧,消耗氧气最多的是( )
A.CH4B.C3H8C.C4H10D.C2H6
答案 C
解析 设此气态烃的分子式为CxHy,其完全燃烧的化学方程式为CxHy+
O2
xCO2+
H2O,则1mol该烃完全燃烧时耗氧量为
mol,将上述选项分别代入,比较可知C4H10耗氧量最多。
9.某气态烃在密闭容器内与氧气混合完全燃烧,如果燃烧前后容器内(温度高于100℃)压强保持不变,该烃可能是( )
A.C2H6B.C2H4
C.C3H8D.C3H6
答案 B
解析 CxHy+(x+
)O2
xCO2+
H2O(g)
1 x+
x
因为燃烧前后压强不变,说明燃烧前后气体总体积不变,即1+x+
=x+
,得y=4,所以B项正确。
10.A、B两种有机物的混合物,当混合物的质量一定时,无论A、B以何种比例混合,完全燃烧产生CO2的量均相等。
A、B的关系可能符合下列四种情况:
①同分异构体;②同系物;③具有相同的最简式;④含碳的质量分数相同,一定符合上述条件的组合有( )
A.①②④B.①③④C.②③④D.①②③
答案 B
[能力提升]
11.某气态烃在标准状况下密度为2.59g·L-1。
(1)其相对分子质量等于________。
(2)该烃的含碳量为82.8%,则分子中碳、氢原子的个数比是________,分子式是________。
(3)可能的结构简式及名称是_____________________________________________________。
答案
(1)58
(2)2∶5 C4H10
(3)CH3CH2CH2CH3(正丁烷)、CH3CH(CH3)CH3(异丁烷)
解析
(1)M=2.59g·L-1×22.4L·mol-1≈58g·mol-1。
(2)N(C)∶N(H)=
∶
≈2∶5,
则烃的最简式为C2H5。
设其分子式为(C2H5)x,
则有(12×2+5)x=58,x=2,
所以烃的分子式为C4H10。
(3)可能的结构简式为CH3CH2CH2CH3(正丁烷)、CH3CH(CH3)CH3(异丁烷)。
12.观察下面几种烷烃的球棍模型:
(1)与C互为同系物的是________,与C互为同分异构体的是__________。
(2)在烷烃的同系物中,随碳原子数增加,其熔、沸点依次________(其中碳原子数满足________条件的烷烃常温下呈气态),液态时密度依次________。
答案
(1)AB D
(2)升高 小于或等于4 增大
解析 理解同系物、同分异构体的概念,会判断同系物、同分异构体。
了解随碳原子数增加,烷烃熔点、沸点、密度的递变规律。
13.已知某烷烃的相对分子质量为72,则
(1)该烷烃的分子式为_______________________________________________________。
(2)写出该烷烃分子的所有同分异构体的结构简式:
________________________________________________________________________。
(3)上述同分异构体中,在相同条件下沸点最低的是
________________________(写结构简式)。
(4)若此有机物的一氯代物分子中有两个—CH3,两个—CH2—,一个
和一个—Cl,它们的可能结构分别是____________________、____________________、
________________________、_____________________________________________。
答案
(1)C5H12
(2)CH3—CH2—CH2—CH2—CH3、
、
(3)
(4)
解析
(1)烷烃分子通式为CnH2n+2,则其相对分子质量为(12n+2n+2)=72,n=5,烷烃分子式为C5H12。
(2)烷烃C5H12有三种同分异构体,其结构简式分别为CH3—CH2—CH2—CH2—CH3、
、
。
(3)烷烃分子中,碳原子数相同时,所带支链越多,其沸点越低,因此烷烃C5H12三种同分异构体中,
沸点最低。
(4)根据一氯代物中的结构片断,可确定其结构有:
、
、
、
。
14.已知某种气态化石燃料中含有碳和氢两种元素。
为了测定这种燃料中碳和氢两种元素的质量分数,可将气态燃料放入足量的氧气中燃烧,并使产生的气体全部通入如图所示的装置,得到如表所列的实验数据(U形管中干燥剂只吸收水蒸气且假设产生的气体完全被吸收)。
实验前
实验后
(干燥剂+U形管)的质量
101.1g
102.9g
(石灰水+广口瓶)的质量
312.0g
314.2g
根据实验数据求:
(1)实验完毕后,生成物中水的质量为________g。
假设广口瓶里生成一种正盐,其质量为________g。
(2)生成的水中氢元素的质量为________g。
(3)生成的CO2中碳元素的质量为________g。
(4)气态化石燃料中碳元素与氢元素的质量比为_____________________________。
答案
(1)1.8 5
(2)0.2 (3)0.6 (4)3∶1
解析
(1)生成水的质量为102.9g-101.1g=1.8g,生成正盐即CaCO3的质量为
×100g·mol-1=5g。
(2)生成的水中氢元素的质量为
×2g·mol-1=0.2g。
(3)生成的CO2中碳元素的质量为
×12g·mol-1=0.6g。
(4)碳元素与氢元素的质量比为0.6∶0.2=3∶1。
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