烷烴知識點梳理與拓展

■廣東省佛山市高明區教師發展中心 雷范軍

烷烴是組成和結構上最基礎的有機物,是產生其他衍生物的碳骨架基礎,承載了有機物母體和碳骨架基礎兩個屬性。有機物的通性源于其分子中官能團之外的烴基,排除碳碳雙鍵、碳碳三鍵和苯基的影響,實際上主要體現的是烷烴的性質。因此,我們需要基于烷烴認識有機物在生產生活中的廣泛應用、組成、結構、通性和有機反應的特點。

一、目標導航

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,認識有機化合物中碳原子的成鍵特點和烷烴的結構與組成,加深與烷烴相關的有機物通性的認識,增強合理利用化學品的意識。

2.從化學角度分析生活中使用其他含烷烴的物質(如凡士林、石蠟等)的一些現象,根據甲烷的性質及生活常識推測烷烴可能具有的物理性質和化學性質,建立烷烴性質與用途的關聯,促進知識融會貫通、學以致用。

3.通過實際用途(燃料、石油化工和天然氣化工原料)和實驗探究烷烴的氧化反應(燃燒)、取代反應(鹵代)和分解反應(熱裂),提升考生對烷烴與烯烴、芳香烴及烴的衍生物結構與性質的學科理解水平,初步形成基于物質類別對物質性質進行預測和檢驗的認知模型。

4.從有機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,全氟代有機物為何抗老化,廢塑料何以能夠制油),構建完整認識有機物性質的視角,認識烷烴在有機物知識體系中的重要意義。

二、重點梳理

1.烷烴的分子結構與組成(見表1)。

表1

研究發現,無論是直鏈烷烴還是支鏈烷烴,它們的結構與甲烷相似,所含共價鍵全部是單鍵。進一步研究證明,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方向的sp3雜化軌道與氫原子或其他碳原子結合,形成C—H 或C—C σ鍵。鏈狀烷烴的組成通式為CnH2n+2(n≥1),結構相似、分子組成上相差一個或若干個CH2原子團的烷烴,互稱為同系物。

2.烷烴的物理通性及其與組成的關系。

(1)根據圖1 中烷烴所含碳原子數與沸點變化曲線預測,丁烷為什么能作打火機的理想充入氣體? 因為沸點太低了不行,難以液化,沸點太高了也不行,不易氣化。丁烷的沸點為-0.5 ℃,常溫下加壓易液化,減壓后又迅速氣化,因此丁烷是打火機的理想填充氣體。

圖1

(2)烷烴的沸點與碳原子數之間存在什么樣的變化規律? 結合曲線圖分析,碳原子數越多,烷烴的相對分子質量越大,范德華力越大,沸點越高。

(3)烷烴還有哪些物理性質呢? 隨著碳原子的增加,烷烴的物理性質有什么樣的變化規律? 烷烴的組成有什么特點? 與烷烴的物理性質之間有什么關系? 烷烴的物理性質既具有密度小、溶解性能較好等相似性,又隨碳原子數增大呈現出遞變的規律(見表2)。

表2

3.烷烴的化學性質。

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,烷烴較為穩定,化學性質相對貧乏。

(1)與酸性KMnO4溶液、溴的四氯化碳溶液、強酸溶液、強堿溶液不能反應。

(2)氧化反應——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,這一性質決定了烷烴在生活、生產中的重要用途,常用作燃料。

(3)特征反應——取代反應。

甲烷與氯氣的反應中,斷裂C—H 鍵和Cl—Cl鍵,形成C—Cl鍵和H—Cl鍵。其他的烷烴物質也可以在光照或高溫下與氯氣、液溴等鹵素單質發生取代反應。

烷烴受熱時,會分解產生含碳原子數較少的烷烴和烯烴。石化工業中的裂化和裂解,資源再生中的廢塑料制油等過程,都利用了與烷基性質相關的有機物在高溫下發生分解的通性。

烷烴這一類物質,在結構上存在相似性,也就決定了它們在化學性質上的相似性。從典型代表物的性質入手,通過分析物質的結構來推測、學習同一類別物質的性質,這是我們學習有機化學的一種重要方法。

三、方法指導

1.烷烴知識的結構化。

2.適當拓展延伸與烷烴相關的有機物通性。

塑料、橡膠、合成纖維等有機材料應用非常廣泛,但普遍存在由熱老化、機械老化、化學老化等所導致的耐久性不足問題。其中的化學老化,一方面源于考生較為熟悉的官能團,如高分子鏈節中碳碳雙鍵、酯基、酰胺鍵等在環境因素作用下發生的化學反應;另一方面則與鏈節碳骨架中烷基的化學反應有關。

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,還可發生部分氧化反應,生成醛、酮、羧酸等有機物;或與鹵素作用,發生取代反應。芳香烴側鏈的氧化反應和醛、酮、羧酸的α位鹵代反應等,均體現了源于烷基化學反應的有機物通性。

這也解釋了聚乙烯、聚丙烯等鏈節中缺乏活性官能團的合成材料的老化,以及鹵素單質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,就需要排除與有機物分子所含烷基中C—H 鍵相關通性的影響。其中的一種做法是以較穩定的C—F鍵代之,使用全氟代有機物,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,其中有一種結構最簡單的硅烷叫甲硅烷(SiH4),則有關描述不正確的是( )。

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.甲硅烷的沸點高于甲烷

D.甲硅烷的穩定性比甲烷強

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

表3

A.在標準狀況下,新戊烷是氣體

B.在1.013×105Pa、20 ℃時,戊烷都是液體

C.烷烴隨碳原子數的增加,沸點降低

D.分子式為C5H12的烷烴的同分異構體中,隨支鏈的增加,沸點降低

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

5.由沸點數據:甲烷-146 ℃,乙烷-89 ℃,正丁烷-0.5 ℃,戊烷36 ℃,可以判斷異丁烷的沸點可能是( )。

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,熔沸點比乙烷高

C.不能發生氧化反應

D.不存在同分異構體

7.等質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.下列關于烷烴性質的敘述不正確的是( )。

A.烷烴的沸點隨著相對分子質量的增大而逐漸升高,常溫下烷烴的狀態隨碳原子數的增加由氣態→液態→固態

B.烷烴都能使溴水、酸性KMnO4溶液褪色

C.在烷烴分子中,所有的化學鍵都是單鍵

D.烷烴和鹵素單質在光照條件下能發生取代反應

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.一溴甲烷的化學式是CH3Br

B.可以利用加成反應制備一溴甲烷

C.一溴甲烷中只含共價鍵

D.一溴甲烷不存在同分異構體

10.有機化合物M、N 的結構簡式如下所示。下列說法錯誤的是( )。

A.M、N 都不能使酸性KMnO4溶液褪色

B.M 有兩種同分異構體

C.M、N 分子中每個碳原子都形成4 個共價鍵

D.等質量的M、N 在足量氧氣中燃燒,完全燃燒時生成CO2的質量相同

11.2,2-二甲基丁烷發生一氯代反應時,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.全氟烷烴能發生加成反應

D.全氟烷烴的通式為CnF2n+2(n≥1)

13.丙烷鹵代反應的部分反應機理(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步反應為決速步驟,能量隨反應進程的變化如圖2 所示,下列說法不正確的是( )。

圖2

A.Ⅰ步反應的ΔH:氯代時大于溴代時

B.穩定性:CH3CH2H2＜CH3HCH3

C.丙烷中不同基團上碳氫鍵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;①⑤不含雙鍵和碳環,屬于鏈狀烷烴,②③④含有雙鍵,⑥含有碳環。

2.D 提示:根據題意,硅烷的分子組成與烷烴相似,分子通式為SinH2n+2,A 項正確。與甲烷相似,甲硅烷燃燒生成SiO2和H2O,B項正確。甲硅烷與甲烷分子的組成和結構相似,甲硅烷相對分子質量大,所以沸點高于甲烷,C 項正確。碳元素的非金屬性比硅強,所以甲烷比甲硅烷穩定,D 項錯誤。

3.D 提示:新戊烷沸點為9.5 ℃,標準狀況為0 ℃,新戊烷為液體,A 項錯誤。C5H12包括了正戊烷、異戊烷、新戊烷,而新戊烷的沸點是9.5 ℃,標準狀況下是液體,20 ℃時是氣體,B 項錯誤。從表中數據可知,烷烴隨碳原子數的增加,沸點逐漸升高,C項錯誤。C5H12的3 種同分異構體中,隨支鏈數增加,沸點逐漸降低,D 項正確。

4.D 提示:因為丁烷和丙烷都不溶于水而且密度比空氣的大,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,應選用向上排空氣法且導氣管應插到瓶底。

5.B 提示:由沸點數據:甲烷-146 ℃,乙烷-89 ℃,正丁烷-0.5 ℃,戊烷36 ℃,可知烷烴中碳原子個數越多其熔沸點越高,異丁烷中含有4 個碳原子,其碳原子個數大于乙烷而小于戊烷,所以其沸點應該大于乙烷而小于戊烷,并且支鏈越多熔沸點越低,所以異丁烷熔沸點低于正丁烷,則戊烷的沸點可能是“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構,3 個碳原子不在一條直線上,A 項正確。丙烷是非極性分子,水是極性分子,難溶于水,丙烷相對分子質量比乙烷大,熔沸點比乙烷高,B 項正確。丙烷能與氧氣發生氧化反應,C 項錯誤。丙烷不存在同分異構體,D 項正確。

7.A 提示:在質量相等的條件下,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:烷烴的沸點隨著相對分子質量的增大而逐漸升高,常溫下烷烴的狀態隨碳原子數的增加由氣態→液態→固態,A 項正確。烷烴均不能被酸性KMnO4溶液氧化,也不能和溴水反應,不會使其褪色,B 項錯誤。烷烴分子中碳原子之間全部以碳碳單鍵結合成鏈狀,碳原子剩余的價鍵全部跟氫原子相結合而達到飽和,無論是碳碳鍵還是碳氫鍵都是單鍵,C 項正確。烷烴跟純凈的鹵素單質在光照條件下能發生取代反應,D 項正確。

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式為CH3Br,A 項正確。甲烷分子中不含不飽和鍵,因此不能利用加成反應制備一溴甲烷,B項錯誤。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合,所以只含共價鍵,C項正確。一溴甲烷只有一種結構,所以不存在同分異構體,D項正確。

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

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生一氯代反應時,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飽和,不能發生加成反應。

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步反應的ΔH:氯代>溴代,A 項正確。能量越低,產物越穩定,B 項正確。烷烴中氫原子活性叔氫>仲氫>伯氫,氫原子環境不同,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項正確。丙烷氯代產物的活化能差值較小,而兩種溴代產物的活化能差值較大,得到產物的難度不一樣,所得產物比例不相等,D 項錯誤。