■廣東省佛山市高明區(qū)教師發(fā)展中心 雷范軍

烷烴是組成和結(jié)構(gòu)上最基礎(chǔ)的有機(jī)物,是產(chǎn)生其他衍生物的碳骨架基礎(chǔ),承載了有機(jī)物母體和碳骨架基礎(chǔ)兩個屬性。有機(jī)物的通性源于其分子中官能團(tuán)之外的烴基,排除碳碳雙鍵、碳碳三鍵和苯基的影響,實(shí)際上主要體現(xiàn)的是烷烴的性質(zhì)。因此,我們需要基于烷烴認(rèn)識有機(jī)物在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用、組成、結(jié)構(gòu)、通性和有機(jī)反應(yīng)的特點(diǎn)。

一、目標(biāo)導(dǎo)航

1.通過感受生活中常用的烷烴燃料(甲烷、丙烷、丁烷、煤油等)的重要作用,認(rèn)識有機(jī)化合物中碳原子的成鍵特點(diǎn)和烷烴的結(jié)構(gòu)與組成,加深與烷烴相關(guān)的有機(jī)物通性的認(rèn)識,增強(qiáng)合理利用化學(xué)品的意識。

2.從化學(xué)角度分析生活中使用其他含烷烴的物質(zhì)(如凡士林、石蠟等)的一些現(xiàn)象,根據(jù)甲烷的性質(zhì)及生活常識推測烷烴可能具有的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì),建立烷烴性質(zhì)與用途的關(guān)聯(lián),促進(jìn)知識融會貫通、學(xué)以致用。

3.通過實(shí)際用途(燃料、石油化工和天然氣化工原料)和實(shí)驗(yàn)探究烷烴的氧化反應(yīng)(燃燒)、取代反應(yīng)(鹵代)和分解反應(yīng)(熱裂),提升考生對烷烴與烯烴、芳香烴及烴的衍生物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的學(xué)科理解水平,初步形成基于物質(zhì)類別對物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測和檢驗(yàn)的認(rèn)知模型。

4.從有機(jī)物通性的視角分析解決一些情境化問題(聚乙烯、聚丙烯等合成材料為何會老化,全氟代有機(jī)物為何抗老化,廢塑料何以能夠制油),構(gòu)建完整認(rèn)識有機(jī)物性質(zhì)的視角,認(rèn)識烷烴在有機(jī)物知識體系中的重要意義。

二、重點(diǎn)梳理

1.烷烴的分子結(jié)構(gòu)與組成(見表1)。

表1

研究發(fā)現(xiàn),無論是直鏈烷烴還是支鏈烷烴,它們的結(jié)構(gòu)與甲烷相似,所含共價鍵全部是單鍵。進(jìn)一步研究證明,烷烴分子中的碳原子都采取sp3雜化,以伸向四面體四個頂點(diǎn)方向的sp3雜化軌道與氫原子或其他碳原子結(jié)合,形成C—H 或C—C σ鍵。鏈狀烷烴的組成通式為CnH2n+2(n≥1),結(jié)構(gòu)相似、分子組成上相差一個或若干個CH2原子團(tuán)的烷烴,互稱為同系物。

2.烷烴的物理通性及其與組成的關(guān)系。

(1)根據(jù)圖1 中烷烴所含碳原子數(shù)與沸點(diǎn)變化曲線預(yù)測,丁烷為什么能作打火機(jī)的理想充入氣體? 因?yàn)榉悬c(diǎn)太低了不行,難以液化,沸點(diǎn)太高了也不行,不易氣化。丁烷的沸點(diǎn)為-0.5 ℃,常溫下加壓易液化,減壓后又迅速氣化,因此丁烷是打火機(jī)的理想填充氣體。

圖1

(2)烷烴的沸點(diǎn)與碳原子數(shù)之間存在什么樣的變化規(guī)律? 結(jié)合曲線圖分析,碳原子數(shù)越多,烷烴的相對分子質(zhì)量越大,范德華力越大,沸點(diǎn)越高。

(3)烷烴還有哪些物理性質(zhì)呢? 隨著碳原子的增加,烷烴的物理性質(zhì)有什么樣的變化規(guī)律? 烷烴的組成有什么特點(diǎn)? 與烷烴的物理性質(zhì)之間有什么關(guān)系? 烷烴的物理性質(zhì)既具有密度小、溶解性能較好等相似性,又隨碳原子數(shù)增大呈現(xiàn)出遞變的規(guī)律(見表2)。

表2

3.烷烴的化學(xué)性質(zhì)。

烷烴分子中, C—C鍵和C—H 鍵中的σ鍵比較牢固,需要吸收較高能量才能斷裂;C與H 的電負(fù)性差異較小,σ鍵電子不易偏向某一原子,分子中電子分布較均勻,對親核或親電試劑均無特殊親和力。與烯烴、炔烴、芳香烴及烴的衍生物相比,烷烴較為穩(wěn)定,化學(xué)性質(zhì)相對貧乏。

(1)與酸性KMnO4溶液、溴的四氯化碳溶液、強(qiáng)酸溶液、強(qiáng)堿溶液不能反應(yīng)。

(2)氧化反應(yīng)——可燃性。

斷裂C—H 鍵、C—C 鍵和O═ O 鍵,形成C═ O 鍵和H—O 鍵。

烷烴都具有可燃性,這一性質(zhì)決定了烷烴在生活、生產(chǎn)中的重要用途,常用作燃料。

(3)特征反應(yīng)——取代反應(yīng)。

甲烷與氯氣的反應(yīng)中,斷裂C—H 鍵和Cl—Cl鍵,形成C—Cl鍵和H—Cl鍵。其他的烷烴物質(zhì)也可以在光照或高溫下與氯氣、液溴等鹵素單質(zhì)發(fā)生取代反應(yīng)。

烷烴受熱時,會分解產(chǎn)生含碳原子數(shù)較少的烷烴和烯烴。石化工業(yè)中的裂化和裂解,資源再生中的廢塑料制油等過程,都利用了與烷基性質(zhì)相關(guān)的有機(jī)物在高溫下發(fā)生分解的通性。

烷烴這一類物質(zhì),在結(jié)構(gòu)上存在相似性,也就決定了它們在化學(xué)性質(zhì)上的相似性。從典型代表物的性質(zhì)入手,通過分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)來推測、學(xué)習(xí)同一類別物質(zhì)的性質(zhì),這是我們學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的一種重要方法。

三、方法指導(dǎo)

1.烷烴知識的結(jié)構(gòu)化。

2.適當(dāng)拓展延伸與烷烴相關(guān)的有機(jī)物通性。

塑料、橡膠、合成纖維等有機(jī)材料應(yīng)用非常廣泛,但普遍存在由熱老化、機(jī)械老化、化學(xué)老化等所導(dǎo)致的耐久性不足問題。其中的化學(xué)老化,一方面源于考生較為熟悉的官能團(tuán),如高分子鏈節(jié)中碳碳雙鍵、酯基、酰胺鍵等在環(huán)境因素作用下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng);另一方面則與鏈節(jié)碳骨架中烷基的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。

烷烴(烷基)除了燃燒氧化,在催化劑、光照等作用下,分子中的C—H 鍵斷裂,還可發(fā)生部分氧化反應(yīng),生成醛、酮、羧酸等有機(jī)物;或與鹵素作用,發(fā)生取代反應(yīng)。芳香烴側(cè)鏈的氧化反應(yīng)和醛、酮、羧酸的α位鹵代反應(yīng)等,均體現(xiàn)了源于烷基化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)物通性。

這也解釋了聚乙烯、聚丙烯等鏈節(jié)中缺乏活性官能團(tuán)的合成材料的老化,以及鹵素單質(zhì)等對其老化的加速作用。同樣,基于以上原理,為滿足抗老化、防腐蝕和滅火阻燃等要求,就需要排除與有機(jī)物分子所含烷基中C—H 鍵相關(guān)通性的影響。其中的一種做法是以較穩(wěn)定的C—F鍵代之,使用全氟代有機(jī)物,如聚四氟乙烯塑料、七氟丙烷滅火劑等。

四、跟蹤小練

1.下面是4個碳原子相互結(jié)合的6種方式(氫原子沒有畫出),其中符合通式CnH2n+2的是( )。

A.②③ B.①⑤

C.②③④ D.①⑤⑥

2.有一類有機(jī)硅化合物中只含有硅元素和氫元素,叫硅烷,它們的分子組成與烷烴相似,其中有一種結(jié)構(gòu)最簡單的硅烷叫甲硅烷(SiH4),則有關(guān)描述不正確的是( )。

A.硅烷的分子通式可表示為SinH2n+2

B.甲硅烷燃燒生成SiO2和H2O

C.甲硅烷的沸點(diǎn)高于甲烷

D.甲硅烷的穩(wěn)定性比甲烷強(qiáng)

3.在1.013×105Pa下,測得某些烷烴的沸點(diǎn)見表3。據(jù)表分析,下列說法正確的是( )。

表3

A.在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,新戊烷是氣體

B.在1.013×105Pa、20 ℃時,戊烷都是液體

C.烷烴隨碳原子數(shù)的增加,沸點(diǎn)降低

D.分子式為C5H12的烷烴的同分異構(gòu)體中,隨支鏈的增加,沸點(diǎn)降低

4.某化學(xué)課外活動小組為測定某廠生產(chǎn)的液化石油氣(設(shè)該液化石油氣由丁烷和丙烷組成)的平均相對分子質(zhì)量,在實(shí)驗(yàn)中需收集該混合氣體樣品,下列收集方法中正確的是( )。

5.由沸點(diǎn)數(shù)據(jù):甲烷-146 ℃,乙烷-89 ℃,正丁烷-0.5 ℃,戊烷36 ℃,可以判斷異丁烷的沸點(diǎn)可能是( )。

A.低于-89 ℃ B.低于-0.5 ℃

C.高于-0.5 ℃ D.高于36 ℃

6.北京2022 年冬奧會火種燈獨(dú)具中國文化特色,其造型靈感來自“中華第一燈”——西漢長信宮燈,借“長信”之意,表達(dá)人們對光明與希望的追求和向往?；鸱N燈燃料是丙烷(C3H8)氣體,下列關(guān)于丙烷說法不正確的是( )。

A.分子中碳原子不在一條直線上

B.難溶于水,熔沸點(diǎn)比乙烷高

C.不能發(fā)生氧化反應(yīng)

D.不存在同分異構(gòu)體

7.等質(zhì)量的下列烷烴完全燃燒,生成CO2和H2O,耗氧量最多的是( )。

A.C2H6B.C3H8

C.C4H10D.C5H12

8.下列關(guān)于烷烴性質(zhì)的敘述不正確的是( )。

A.烷烴的沸點(diǎn)隨著相對分子質(zhì)量的增大而逐漸升高,常溫下烷烴的狀態(tài)隨碳原子數(shù)的增加由氣態(tài)→液態(tài)→固態(tài)

B.烷烴都能使溴水、酸性KMnO4溶液褪色

C.在烷烴分子中,所有的化學(xué)鍵都是單鍵

D.烷烴和鹵素單質(zhì)在光照條件下能發(fā)生取代反應(yīng)

9.一溴甲烷被廣泛用于土壤消毒和消滅害蟲,但在蒙特利爾條約中屬于逐步禁用的藥品。下列說法錯誤的是( )。

A.一溴甲烷的化學(xué)式是CH3Br

B.可以利用加成反應(yīng)制備一溴甲烷

C.一溴甲烷中只含共價鍵

D.一溴甲烷不存在同分異構(gòu)體

10.有機(jī)化合物M、N 的結(jié)構(gòu)簡式如下所示。下列說法錯誤的是( )。

A.M、N 都不能使酸性KMnO4溶液褪色

B.M 有兩種同分異構(gòu)體

C.M、N 分子中每個碳原子都形成4 個共價鍵

D.等質(zhì)量的M、N 在足量氧氣中燃燒,完全燃燒時生成CO2的質(zhì)量相同

11.2,2-二甲基丁烷發(fā)生一氯代反應(yīng)時,得到的一氯取代物最多有( )。

A.2種 B.3種

C.4種 D.5種

12.全氟烷烴的同系物有CF4、CF3—CF3、CF3—CF2-CF3等,下列關(guān)于全氟烷烴同系物的表述不正確的是( )。

A.全氟烷烴屬于大氣污染物,能破壞臭氧層

B.全氟烷烴屬于鹵代烴

C.全氟烷烴能發(fā)生加成反應(yīng)

D.全氟烷烴的通式為CnF2n+2(n≥1)

13.丙烷鹵代反應(yīng)的部分反應(yīng)機(jī)理(以Cl2為例)如下:

Ⅰ.Cl2(g) →2Cl·(g)

Ⅱ.CH3CH2CH3(g)+Cl· (g) →CH3HCH3(g)+HCl(g)

Ⅲ.CH3HCH3(g)+ Cl2(g) →CH3CHClCH3(g)+Cl·(g)

其中,Ⅱ步反應(yīng)為決速步驟,能量隨反應(yīng)進(jìn)程的變化如圖2 所示,下列說法不正確的是( )。

圖2

A.Ⅰ步反應(yīng)的ΔH:氯代時大于溴代時

B.穩(wěn)定性:CH3CH2H2＜CH3HCH3

C.丙烷中不同基團(tuán)上碳?xì)滏I斷裂吸收的能量不同

參考答案:

1.B 提示:符合通式CnH2n+2的是鏈狀烷烴,鏈狀烷烴不含雙鍵和碳環(huán);①⑤不含雙鍵和碳環(huán),屬于鏈狀烷烴,②③④含有雙鍵,⑥含有碳環(huán)。

2.D 提示:根據(jù)題意,硅烷的分子組成與烷烴相似,分子通式為SinH2n+2,A 項(xiàng)正確。與甲烷相似,甲硅烷燃燒生成SiO2和H2O,B項(xiàng)正確。甲硅烷與甲烷分子的組成和結(jié)構(gòu)相似,甲硅烷相對分子質(zhì)量大,所以沸點(diǎn)高于甲烷,C 項(xiàng)正確。碳元素的非金屬性比硅強(qiáng),所以甲烷比甲硅烷穩(wěn)定,D 項(xiàng)錯誤。

3.D 提示:新戊烷沸點(diǎn)為9.5 ℃,標(biāo)準(zhǔn)狀況為0 ℃,新戊烷為液體,A 項(xiàng)錯誤。C5H12包括了正戊烷、異戊烷、新戊烷,而新戊烷的沸點(diǎn)是9.5 ℃,標(biāo)準(zhǔn)狀況下是液體,20 ℃時是氣體,B 項(xiàng)錯誤。從表中數(shù)據(jù)可知,烷烴隨碳原子數(shù)的增加,沸點(diǎn)逐漸升高,C項(xiàng)錯誤。C5H12的3 種同分異構(gòu)體中,隨支鏈數(shù)增加,沸點(diǎn)逐漸降低,D 項(xiàng)正確。

4.D 提示:因?yàn)槎⊥楹捅槎疾蝗苡谒颐芏缺瓤諝獾拇?所以都可以用排水法和向上排空氣法收集,但是用排水法收集的氣體中含有水蒸氣,使測得的平均相對分子質(zhì)量偏小,所以不能選用此方法;在用排空氣法收集該混合氣體時,應(yīng)選用向上排空氣法且導(dǎo)氣管應(yīng)插到瓶底。

5.B 提示:由沸點(diǎn)數(shù)據(jù):甲烷-146 ℃,乙烷-89 ℃,正丁烷-0.5 ℃,戊烷36 ℃,可知烷烴中碳原子個數(shù)越多其熔沸點(diǎn)越高,異丁烷中含有4 個碳原子,其碳原子個數(shù)大于乙烷而小于戊烷,所以其沸點(diǎn)應(yīng)該大于乙烷而小于戊烷,并且支鏈越多熔沸點(diǎn)越低,所以異丁烷熔沸點(diǎn)低于正丁烷,則戊烷的沸點(diǎn)可能是“低于-0.5 ℃”。

6.C 提示:C3H8是鏈烴,其中的碳原子為飽和碳原子,飽和碳原子和與之相連的四個原子形成四面體結(jié)構(gòu),3 個碳原子不在一條直線上,A 項(xiàng)正確。丙烷是非極性分子,水是極性分子,難溶于水,丙烷相對分子質(zhì)量比乙烷大,熔沸點(diǎn)比乙烷高,B 項(xiàng)正確。丙烷能與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng),C 項(xiàng)錯誤。丙烷不存在同分異構(gòu)體,D 項(xiàng)正確。

7.A 提示:在質(zhì)量相等的條件下,烷烴分子中含氫量越高,完全燃燒消耗的氧氣越多。

8.B 提示:烷烴的性質(zhì):烷烴的沸點(diǎn)隨著相對分子質(zhì)量的增大而逐漸升高,常溫下烷烴的狀態(tài)隨碳原子數(shù)的增加由氣態(tài)→液態(tài)→固態(tài),A 項(xiàng)正確。烷烴均不能被酸性KMnO4溶液氧化,也不能和溴水反應(yīng),不會使其褪色,B 項(xiàng)錯誤。烷烴分子中碳原子之間全部以碳碳單鍵結(jié)合成鏈狀,碳原子剩余的價鍵全部跟氫原子相結(jié)合而達(dá)到飽和,無論是碳碳鍵還是碳?xì)滏I都是單鍵,C 項(xiàng)正確。烷烴跟純凈的鹵素單質(zhì)在光照條件下能發(fā)生取代反應(yīng),D 項(xiàng)正確。

9.B 提示:甲烷分子中的一個氫原子被溴原子取代生成一溴甲烷,所以一溴甲烷的化學(xué)式為CH3Br,A 項(xiàng)正確。甲烷分子中不含不飽和鍵,因此不能利用加成反應(yīng)制備一溴甲烷,B項(xiàng)錯誤。一溴甲烷分子中碳原子和溴原子、氫原子之間都是以共價鍵相結(jié)合,所以只含共價鍵,C項(xiàng)正確。一溴甲烷只有一種結(jié)構(gòu),所以不存在同分異構(gòu)體,D項(xiàng)正確。

10.D 提示:M 和N 都是烷烴,不能與酸性KMnO4溶液反應(yīng),A 項(xiàng)正確。M 是新戊烷,有兩種同分異構(gòu)體:CH3(CH2)3CH3、(CH3)2CHCH2CH3,B 項(xiàng)正確。有機(jī)化合物分子中每個碳原子都形成4 個共價鍵,C 項(xiàng)正確。M 的分子式是C5H12,N 的分子式是C8H18,M、N 的最簡式不同,等質(zhì)量的M、N在足量氧氣中燃燒,生成CO2的質(zhì)量不同,D項(xiàng)錯誤。

11.B 提示:2,2-二甲基丁烷分子中含有3 類氫原子,與氯氣光照條件下發(fā)生一氯代反應(yīng)時,得到的一氯取代物最多有3種。

12.C 提示:全氟烷烴中碳原子已達(dá)飽和,不能發(fā)生加成反應(yīng)。

13.D 提示:氯代和溴代第一步斷裂Cl—Cl 鍵和Br—Br 鍵,斷鍵需要吸熱,Cl—Cl鍵的鍵長短,鍵能大,Ⅰ步反應(yīng)的ΔH:氯代>溴代,A 項(xiàng)正確。能量越低,產(chǎn)物越穩(wěn)定,B 項(xiàng)正確。烷烴中氫原子活性叔氫>仲氫>伯氫,氫原子環(huán)境不同,C—H 鍵的鍵能有差別,丙烷中含有仲氫和伯氫,斷裂C—H 鍵吸收的能量不同,C項(xiàng)正確。丙烷氯代產(chǎn)物的活化能差值較小,而兩種溴代產(chǎn)物的活化能差值較大,得到產(chǎn)物的難度不一樣,所得產(chǎn)物比例不相等,D 項(xiàng)錯誤。