高中化学 第一章有机化合物的结构和性质.docx

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高中化学第一章有机化合物的结构和性质

第一章有机化合物的结构和性质

1.1有机化合物和有机化学

1.有机化合物的主要特征：

都含有碳原子，即都是碳化合物。

2.有机化学的发展

——18世纪中叶，作为一门单独学科产生—生命力学说；

1828年，魏勒（F.Wohler）发现由氰酸铵（NH4OCN）在实验室中制得

尿素（NH2CONH2）;

——20世纪初，建立了以煤焦油为原料，合成染料、药物和炸药为主得有

机化学工业；

——20世纪40年代，开始了基本有机合成的研究，发展了以石油为原料的

有机化学工业。

有机化合物——就是碳氢化合物及其衍生而得的化合物。

乙醇

有机化学——是研究碳氢化合物及其衍生物的化学。

1.2有机化合物的特点

组成有机化合物的元素

——绝大多数有机化合物只是由碳、氢、氧、氮、卤素、硫、磷等少数元素组成。

有机化合物的数量

——数量庞大，已确定结构和性质的有400万种以上、每年又有数以千计的新种类出现。

1.2.1有机化合物结构上的主要特点——同分异构现象

同分异构体——分子式相同而结构相异因而其性质也各异的化合物。

同分异构现象——产生同分异构体的现象。

例1分子式C2H6O的同分异构体

乙醇甲醚

异构现象类别：

构造异构现象（constitutionalisomerism）、构型（configuration）

和构象（conformation）异构现象。

化合物的结构——指分子中原子间的排列次序，原子相间的立体位置，化学键的结合状态以及分子电子的分布状态等各项内容在内的总称。

1.2.2有机化合物性质上的特点

（1）大多数有机化合物都可以燃烧。

（2）一般有机化合物的热稳定性较差，易受热分解。

（3）许多有机化合物在长物下是气体、液体。

常温下为固体的有机物其熔点一般也较低，超过300C的很少。

（4）一般有机物的极性较弱或完全没有极性，一般有机化合物难溶或不溶于水。

但往往可溶于某些有机溶剂。

一些极性较强的有机物，如低级醇、羧酸、磺酸等也易溶于水。

（5）有机化学反应多数不是离子反应，而是分子间的反应。

（6）有机反应往往不单一，反应物之间同时并进若干不同的反应，可得到几种产物。

一般把某一特定条件下主要进行的一个反应叫做主反应，其它的反应叫做副反应。

1.3有机化合物中的共价键

有机化合物的性质取决于有机化合物的结构。

共价键—一个原子和其它元素的原子各提供一个电子而形成两个原子共有的电子对，即形成把两个原子结合在一起的化学键。

路易斯结构式凯库勒结构式

如何从理论上来看共价键

（1）按照量子化学中价键理论

▪共价键是两个原子的未成对而又自旋相反的电子偶合配对的结果。

共价键的形成使体系的能量降低，形成稳定的结合。

▪共价键具有饱和性。

▪原子的未成对电子数，一般就是它的化合价数或价键数。

▪两个电子的配合成对也就是两个电子的原子轨道的重叠（或称交盖）。

重叠部分愈大，形成的共价键愈稳定。

（2）按照分子轨道理论

▪当原子组成分子时，形成共价键的电子即运动于整个分子区域。

分子中价电子的运动状态，即分子轨道，可以用波函数ψ来描述。

▪分子轨道由原子轨道通过线性组合形成。

形成的分子轨道数与参与组成的原子轨道数相同。

ψ1＝Φ1＋Φ2——成键轨道

ψ2＝Φ1－Φ2——反键轨道

例如，两个氢原子轨道组成两个氢分子轨道

Φ2

注意：

▪每个分子轨道只能容纳两个自旋相反的的电子；

▪电子总是先进入能量最低的分子轨道，当此轨道已满后，再进入能量较高的轨道。

▪两个电子均进入成键轨道，体系能量降低，即形成共价键。

▪在两个氢原子组成氢分子的反应中，有435kJ/mol能量放出，此能量即为H－H键的键能。

共价键的方向性

某些电子的原子轨道具有方向性，原子轨道只有在一定方向，即在电子云密度最大的方向才能得到最大的重叠而成键，故共价键具有方向性。

碳原子形成共价键的结构——以甲烷为例

激发态

sp3杂化轨道

由一个2s轨道与三个2p轨道通过杂化而形成的新的杂化轨道叫做sp3杂化轨道。

它们可分别和氢原子的s原子轨道形成共价键，即四个sp3－s型的C－H键。

sp3杂化轨道的方向性

碳原子的四个sp3杂化轨道能量相等，每一轨道相等于1/4s成分和3/4p成分，大部分电子云偏向一个方向，故sp3杂化轨道具有方向性，一头大，一头小。

碳原子的四个sp3杂化轨道在空间的排列方式

以碳原子核为中心，四个杂化轨道分布其周围，即其对称轴分别指向正四面体的四个顶点。

图1－7甲烷的结构

1.4有机化合物中共价键的性质

（1）键长

——形成共价键的两个原子的原子核之间所保持的一定距离，又叫做键距。

▪不同的共价键具有不同的键长。

▪即使同一类型的共价键，在不同化合物的分子中其键长可能稍有不同。

（2）键角

——共价键有方向性，两价以上的原子与其他原子所形成的两个共价键之间所保持的夹角。

▪甲烷分子中四个共价键之间的键角都是109.5o

（3）键能

▪共价键形成时释放能量而使体系能量降低。

反之，共价键断裂时必须从外界吸收能量。

▪气态时A原子和B原子结合形成A－B分子（气态）所放出的能量，也就是A－B分子（气态）离解为A和B两原子（气态）所需要吸收的能量——键能。

▪一个共价键离解所需吸收的能量也叫做离解能。

▪对于多原子分子，即使同一类型的共价键，这些键的键能也有所不同。

▪共价键的结合强度一般可由键能数据表示。

（4）键的极性和元素的电负性——分子的偶极距

（a）键的极性

Ø由两个相同原子形成的共价键没有极性。

Ø对于两个不同原子形成的共价键，由于电子云的不完全对称而呈现极性，叫做极性共价键。

Ø可用箭头表示极性，也可用δ+或δ-来表示构成极性共价键的原子的带电情况。

（b）元素的电负性

Ø一个元素吸引电子的能力叫做元素的电负性。

电负性数值大的原子具有强的吸引电子的能力。

Ø极性共价键就是构成共价键的两个原子具有不同电负性的结果（一般相差在0.6-1.7之间）。

Ø电负性相差越大，共价键的极性越大。

（c）分子的偶极距

Ø极性共价键的电荷分布不均匀，正电中心和负电中心不相重合，从而构成一个偶极。

Ø正电中心或负电中心的电荷q与两电荷中心之间的距离d的乘积叫做偶极距μ（单位D）。

μ＝q×d

Ø偶极距μ有方向性，其值的大小表示一个键或分子的极性。

值愈大，极性愈大。

1.5共价键的断裂——均裂和异裂

（1）均裂

Ø两个原子之间的共用电子对均匀分裂，两个原子各保留一个电子。

共价键的这种断裂方式称为键的均裂。

——键均裂产生了具有不成对电子的原子或原子团叫做自由基（游离基）。

Ø自由基性质非常活泼，可继续引起一系列反应（链反应）。

有自由基参与的反应叫做自由基反应。

（2）异裂

Ø键断裂时，两个原子之间的共用电子对完全转移到其中的一个原子上。

共价键的该断裂方式称为键的异裂。

——键异裂产生了带正电或带负电的离子。

Ø由共价键异裂产生离子而进行的反应叫做离子型反应。

Ø在反应过程中无明显的共价键均裂或异裂，即无自由基或离子产生，而只是通过一个环状过渡态，然后一部分键断裂和新化学键生成在同时完成而得到反应产物。

这种同步完成的反应叫做协同反应。

1.6有机化学中的酸碱概念

1.6.1布伦斯特酸碱定义和路易斯酸碱定义

（1）布伦斯特（J.N.Brnsted）酸碱定义

Ø凡能给出质子的化合物叫做酸，能与质子结合的叫做碱

Ø一个酸给出质子后即变为一个碱，该碱又称之为原来酸的共轭碱。

Ø一个碱与质子结合后即变为一个酸，该酸又称之为原来碱的共轭酸。

（2）路易斯（Lewis）酸碱定义

Ø凡是能接受外来电子对的化合物叫做酸，能给予电子对的叫做碱。

路易斯酸路易斯碱

Ø路易斯酸能接受外来电子对而具有亲电性。

当反应时，有亲近另一分子的负电荷中心的倾向，从有机反应的角度，它们又叫做亲电试剂。

Ø路易斯碱能给予电子对而具有亲核性。

当反应时，有亲近另一分子的正电荷中心的倾向，从有机反应的角度，它们又叫做亲核试剂。

1.6.2酸碱的强弱与酸碱反应

（1）酸的强弱

——一般指布伦斯特定义的酸所给出质子能力的强弱。

Ø酸碱反应中，强酸总是使平衡趋势向右，故强酸的Ka值大。

反之，弱酸的Ka值就小。

一般以Ka值的负指数pKa来表示酸的强弱。

Ø强酸具有低pKa值，而弱酸则具有高pKa值。

由pKa值可判别一个酸的强弱，或它们的相对强度。

（2）碱的强弱－用pKb来表示碱的强度

有机碱也常用其共轭酸的pKa值来表示碱性的强弱。

1.7有机化合物的分类

1.7.1按碳链分类

（1）开链族化合物（脂肪族化合物）

——分子中碳原子间相互结合而成碳链，不成环状。

（2）碳环族化合物

——分子中具有由碳原子间连接而成的环状结构，又可分为脂环族化合物和芳香族化合物。

（A）脂环族化合物

可看作是由开链族化合物连接闭合成环而得。

性质与脂肪族化合物相似，故又叫脂环族化合物。

（B）芳香族化合物

这类化合物具有由碳原子连接而成得特殊环状结构，使它们具有一些特定得性质。

（3）杂环族化合物

——这类化合物也具有环状结构，但是是由碳原子和其它原子如氧、氮、硫等共同组成。

1.7.2按官能团分类

上述每一类化合物中，又可按分子中含有相同的、容易发生某些特征反应的原子（如卤素原子）、原子团（如羟基－OH、羧基－COOH）或某些特征化学键结构（如双键、三键）等来进一步分类。

参见13页表1－5。

1.8有机化学的发展及学习有机化学的重要性