資源簡介

2.3　芳香烴
【學習目標】
1.了解苯的結構特點和化學性質。
2.了解苯的同系物的結構與性質的關系。
3.了解苯及苯的同系物的取代、加成、氧化反應。
4.了解苯的同系物之間的同分異構現象。
【自主預習】
1.苯
(1)苯的結構
(2)苯的物理性質
顏色 狀態 氣味 密度 水溶性 熔、沸點 毒性
無色 液體 特殊氣味 比水小 不溶于水 低 有毒
(3)苯的化學性質(填化學方程式)
①取代反應
與液溴:
與濃硝酸:
②加成反應(與H2):
③氧化反應
2.苯的同系物
(1)概念:苯環上的氫原子被　　　　取代后的產物。
(2)結構特點:分子中只有一個苯環,側鏈都是　　　　。
(3)通式:　　　　　　　;物理性質與苯類似。
(4)化學性質
【答案】
1.(1)C6H6　　　碳碳單鍵　碳碳雙鍵
正六邊形
(3)①+Br2+HBr↑
+HO—NO2+H2O
②+3H2
③2C6H6+15O212CO2+6H2O
2.(1)烷基　(2)烷基　(3)CnH2n-6(n>6)
(4)+3H2O
nCO2+(n-3)H2O　
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)苯的結構簡式可寫為“”,說明苯分子中碳碳單鍵和碳碳雙鍵是交替排列的。 (　　)
(2)苯分子為平面正六邊形結構,6個碳原子之間的鍵完全相同。 (　　)
(3)苯的一氯代物只有一種結構,說明苯分子中的碳碳鍵完全相同,不存在單雙鍵交替排列的形式。 (　　)
(4)苯的二氯代物有3種。 (　　)
(5)苯不具有典型的雙鍵所應具有的加成反應的性能,故不可能發生加成反應。 (　　)
(6)苯的分子式為C6H6,它不能使酸性KMnO4溶液褪色,屬于飽和烴。 (　　)
(7)從苯的凱庫勒式()看,苯分子中含有碳碳雙鍵,應屬于烯烴。 (　　)
(8)在催化劑作用下,苯與液溴反應生成溴苯,發生了加成反應。 (　　)
(9)將液溴、鐵粉和苯混合加熱即可制得溴苯。 (　　)
(10)除去溴苯中紅棕色的溴,可用稀NaOH溶液反復洗滌,并用分液漏斗分液。 (　　)
(11)用苯和濃HNO3、濃H2SO4反應制取硝基苯時需水浴加熱,溫度計應放在混合液中。 (　　)
(12)制取硝基苯時,應取濃H2SO4 2 mL,再滴入苯約1 mL,然后放在水浴中加熱。 (　　)
【答案】(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×　(6)× (7)×　(8)×　(9)×　(10)√　(11)×　(12)×
2.CH4、C2H4、C2H2、四種分子的空間結構有何特點
【答案】CH4呈正四面體形,C2H4呈平面形,C2H2呈直線形,呈平面正六邊形。
3.苯能否與Br2發生加成反應
【答案】苯分子結構中不存在碳碳雙鍵,不能與Br2發生加成反應。
4.己烯和苯都能使溴水褪色,二者褪色原理相同嗎
【答案】不相同。己烯與溴水發生加成反應,苯萃取溴水中的單質溴。
【合作探究】
任務1　苯
情境導入　苯是一種重要的有機化合物,也是組成結構最簡單的芳香烴。苯有毒性,也是一種致癌物質。它不溶于水,且密度小于水,易溶于有機溶劑,本身也可作為有機溶劑。苯是石油化工的基本原料,苯的產量和生產的技術水平是一個國家石油化工發展水平的標志之一。為了研究苯的結構,很多科學家對此進行了深入研究。最終被德國有機化學家凱庫勒攻克,確定苯的結構為。
問題生成
1.苯的分子式是什么 苯分子中所有原子是否處于同一平面上
【答案】C6H6;苯分子為平面正六邊形結構,分子中所有原子處于同一平面上。
2.苯分子中是否存在碳碳雙鍵
【答案】不存在,苯分子中的6個碳原子均采取sp2雜化,碳碳之間的化學鍵是一種介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間的獨特化學鍵。
3.烷烴和苯均能與鹵素單質發生取代反應,它們的反應條件有何異同
【答案】相同點:都與純鹵素單質反應,不與鹵素單質的水溶液反應。不同點:烷烴與鹵素單質在光照條件下取代,苯需要鹵化鐵作催化劑。
4.根據苯的結構,預測苯可能發生的化學反應類型。
【答案】苯可能發生取代反應、加成反應,苯作為有機物可以在氧氣中燃燒。
【核心歸納】
1.苯的分子結構
(1)分子結構
苯分子中的碳原子均采取sp2雜化,每個碳原子的雜化軌道分別與氫原子的s軌道及相鄰碳原子的sp2雜化軌道以σ鍵結合,鍵角均為120°,形成平面正六邊形結構。每個碳原子余下的p軌道垂直于碳、氫原子構成的平面,相互平行重疊形成大π鍵。
(2)苯的分子組成及結構特點
2.苯的化學性質
3.苯的兩個實驗
反應 苯的溴代反應 苯的硝化反應
實驗 原理 +Br2+HBr↑ +HNO3+H2O
實驗 裝置
實驗 現象 ①三頸瓶內充滿紅棕色氣體,液體呈現微沸狀態; ②錐形瓶內充滿白霧; ③三頸瓶底有褐色不溶于水的液體生成 將反應后的液體倒入一個盛有冷水的燒杯中,燒杯底部有黃色油狀物質(溶有NO2)生成,然后用NaOH(5%)溶液洗滌, 最后用蒸餾水洗滌后得無色油狀、有苦杏仁味、密度比水大的液體
注意 事項 ①應該用純溴,苯與溴水不反應; ②要使用催化劑FeBr3,無催化劑不反應; ③錐形瓶中的導管不能插入液面以下,防止倒吸,因HBr極易溶于水 ①濃硫酸的作用是作催化劑、吸水劑; ②必須用水浴加熱,溫度計插入水浴中測量水的溫度
【典型例題】
【例1】苯的結構簡式可用來表示,下列有關苯結構和性質的說法正確的是(　　)。
A.苯分子中的碳碳鍵是單鍵和雙鍵交替排列的,因此苯是環烯烴
B.易被酸性KMnO4溶液氧化,與溴水發生加成反應而使溴水褪色
C.苯主要是以石油為原料而獲得的一種化工原料,是重要有機溶劑
D.苯分子中存在大π鍵, 6個碳碳鍵完全相同,碳原子采取sp2雜化
【答案】D
【解析】苯分子中不存在碳碳單鍵和碳碳雙鍵,苯分子中的6個碳碳鍵完全相同,是介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間的特殊鍵,A項錯誤,D項正確;苯與溴水、酸性KMnO4溶液不反應,B項錯誤;苯主要是以煤為原料而獲得的一種化工原料,C項錯誤。
【例2】下列實驗能成功的是(　　)。
A.用溴水可鑒別苯、CCl4、戊烯
B.加入濃溴水,然后過濾除去苯中少量的己烯
C.苯、溴水、鐵粉混合制取溴苯
D.用分液漏斗分離二溴乙烷和苯
【答案】A
【解析】溴水與苯混合后上層顏色較深,與CCl4混合后下層顏色較深,與戊烯混合后溴水褪色,可用溴水進行鑒別;濃溴水與己烯反應的生成物能溶于苯,不能使之分離,不能用溴水除去苯中的己烯;制取溴苯需要用液溴,而不是溴水;二溴乙烷與苯互溶,不能用分液漏斗分離。
【靈犀一點】　有機物分子的共面、共線問題分析與判斷
(1)四種代表物的空間結構:甲烷的四面體結構(其中3個原子共面),乙烯的6原子共面結構,乙炔的4原子共線結構,苯的12原子共面結構。
(2)判斷方法
①分子中出現飽和碳原子,分子中所有原子不共面。
②分子中出現一個,至少有6個原子共面。
③分子中出現一個—C≡C—,至少有4個原子共線。
④分子中出現一個苯環,至少有12個原子共面。
任務2　苯的同系物
= 情境導入　對二甲苯俗稱PX,分子式為C8H10,常溫下是具有芳香氣味的無色透明液體,有毒,不溶于水,與乙醇、乙醚、氯仿等有機溶劑混溶。PX主要用于制備對苯二甲酸(PTA)以及對苯二甲酸二甲酯(DMT),進而生產滌綸纖維、聚酯薄片等。
問題生成
1.你能寫出對二甲苯及其含有苯環的同分異構體的結構簡式嗎
【答案】、、 、。
2.、、和屬于苯的同系物嗎
【答案】都不屬于。分子中只含一個苯環,且苯環連接的側鏈為一個或若干個烷基的烴才是苯的同系物。
3.和是兩種不同的結構嗎
【答案】是同一種結構。因為苯環中的碳碳鍵是介于單鍵和雙鍵之間的獨特共價鍵,故鄰二甲苯只有一種。
4.苯的同系物的化學性質和苯完全相同嗎
【答案】不完全相同,如苯的同系物大多數能被酸性KMnO4溶液氧化而使其褪色。
【核心歸納】
1.苯的同系物
苯的同系物是指苯環上的氫原子被烷基取代所得到的一系列產物,其分子中有一個苯環,側鏈都是烷基,通式為CnH2n-6(n≥7)。
2.苯的同系物的物理性質
(1)苯的同系物為無色液體,不溶于水,易溶于有機溶劑,密度比水的小。
(2)三種二甲苯的熔、沸點與密度
①熔點:對二甲苯>鄰二甲苯>間二甲苯。
②沸點:鄰二甲苯>間二甲苯>對二甲苯。
③密度:鄰二甲苯>間二甲苯>對二甲苯。
3.苯的同系物的化學性質(以甲苯為例)
(1)氧化反應
①甲苯能使酸性KMnO4溶液褪色,這是因為甲苯上的甲基被酸性KMnO4溶液氧化。
②燃燒
燃燒的通式為CnH2n-6+O2nCO2+(n-3)H2O。
(2)取代反應
甲苯與濃硝酸和濃硫酸的混合物在加熱條件下發生反應生成2,4,6-三硝基甲苯,發生反應的化學方程式為+3HO—NO2+3H2O。2,4,6-三硝基甲苯又叫梯恩梯(TNT),是一種淡黃色晶體,不溶于水,是一種烈性炸藥。
(3)加成反應
在一定條件下甲苯與H2發生加成反應,生成甲基環己烷,化學方程式為+3H2。
注意:①由于甲基與苯環之間存在相互作用,甲基使苯環上與甲基處于鄰、對位的氫原子活化而易被取代,而苯環也使甲基活化,可以被酸性KMnO4溶液氧化。
②苯的同系物與酸性KMnO4溶液反應的條件是與苯環直接相連的碳原子上有氫原子,且產物中羧基數目等于苯環上能被氧化的側鏈烷基數目。
4.稠環芳香烴
(1)概念:含有多個苯環的芳香烴。
(2)分類
①多苯代脂烴:苯環通過脂肪烴基連接在一起。如二苯甲烷:。
②聯苯或聯多苯:苯環之間通過碳碳單鍵直接相連。如聯苯:。
③稠環芳香烴:由兩個或兩個以上的苯環共用相鄰的兩個碳原子形成的。如萘:、蒽:。
(3)苯的同系物、芳香烴、芳香族化合物之間的關系
【典型例題】
【例3】下列有關甲苯的實驗事實中,與苯環上的甲基有關的是(　　)。
①甲苯與濃硫酸和濃硝酸的混合物反應生成鄰硝基甲苯和對硝基甲苯
②甲苯能使酸性高錳酸鉀溶液褪色,而苯不能
③甲苯燃燒產生帶濃煙的火焰
④1 mol甲苯與3 mol H2發生加成反應
A.①③ B.②④ C.①② D.③④
【答案】C
【解析】由于甲基對苯環的影響,使苯環上與甲基相連的碳原子的鄰、對位碳原子上的氫變得活潑,更容易被取代,①符合題意;由于苯環對甲基的影響,使甲基易被酸性KMnO4溶液氧化,②符合題意。
【例4】工業上可由乙苯生產苯乙烯:+H2↑。下列說法正確的是(　　)。
A.可用溴的四氯化碳溶液鑒別乙苯和苯乙烯
B.乙苯的同分異構體共有3種
C.乙苯和苯乙烯都屬于苯的同系物
D.乙苯和苯乙烯分子內共平面的碳原子數最多均為7
【答案】A
【解析】苯乙烯可與溴發生加成反應,溶液褪色,而乙苯與溴不反應,故可用溴的四氯化碳溶液鑒別乙苯和苯乙烯,A項正確;若含有苯環,乙苯的同分異構體可為二甲苯,有鄰、間、對3種,若不含苯環,則同分異構體的種類更多,B項錯誤;苯乙烯中苯環所連的烴基不是烷烴基,苯乙烯不是苯的同系物,C項錯誤;苯環和碳碳雙鍵都為平面結構,與苯環直接相連的原子在同一個平面上,碳碳單鍵可以旋轉,則乙苯分子中最多有8個碳原子共平面,苯乙烯分子中最多有8個碳原子共平面,D項錯誤。
【靈犀一點】　苯與苯的同系物的比較
(1)甲苯分子中甲基和苯環相互影響
(2)反應條件不同產物不同
(3)苯與苯的同系物在分子組成、結構和性質上的異同
苯 苯的同系物
相同點 結構 組成 ①分子中都含有一個苯環 ②都符合分子通式CnH2n-6(n≥6)
化學 性質 ①燃燒時現象相同,火焰明亮,伴有濃煙 ②都易發生苯環上的取代反應 ③都能發生加成反應,都比較困難
不同點 取代 反應 易發生取代反應,主要得到一元取代產物 更容易發生取代反應,常得到多元取代產物
氧化 反應 難被氧化,不能使酸性KMnO4溶液褪色 易被氧化劑氧化,能使酸性KMnO4溶液褪色
差異 原因 苯的同系物分子中,苯環與側鏈相互影響。苯環影響側鏈,使側鏈烴基性質活潑而易被氧化;側鏈烴基影響苯環,使苯環上烴基鄰、對位的氫更活潑而易被取代
【隨堂檢測】
1.下列關于苯的性質的敘述中,不正確的是(　　)。
A.苯是無色帶有特殊氣味的液體
B.常溫下苯是不溶于水且密度小于水的液體
C.苯在一定條件下能與溴發生取代反應
D.苯不含真正的碳碳雙鍵,故不能發生加成反應
【答案】D
【解析】苯是無色液體,帶有特殊氣味,A項正確;在常溫下苯是不溶于水的液體,其密度比水小,B項正確;苯和液溴在FeBr3催化下發生取代反應產生溴苯,C項正確;苯分子中的碳碳鍵是介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間的一種特殊的化學鍵,所有的碳碳鍵鍵長相同,鍵能也相同,苯在一定條件下也能發生加成反應,D項錯誤。
2.某同學分別用下列裝置a和b制備溴苯,下列說法不正確的是(　　)。
A.兩燒瓶中均出現紅棕色氣體,說明液溴沸點低
B.a裝置錐形瓶中出現淡黃色沉淀,可推斷燒瓶中發生取代反應
C.b裝置試管中CCl4吸收Br2,液體變棕紅色
D.b裝置中的倒置漏斗起防倒吸作用,漏斗內可形成白煙
【答案】B
【解析】制備溴苯的過程中有熱量產生,溶液溫度升高,導致沸點較低的液溴揮發,成為紅棕色的溴蒸氣,A項正確;a裝置中揮發出的溴蒸氣進入錐形瓶被AgNO3溶液吸收,也會產生淡黃色的AgBr沉淀,故a裝置錐形瓶中出現淡黃色沉淀,不能說明苯和液溴發生了取代反應,B項錯誤;b裝置中揮發的Br2被CCl4吸收,成為棕紅色的Br2的CCl4溶液,C項正確;HBr氣體極易溶于水,用倒置的漏斗可防止倒吸,用濃氨水吸收HBr,揮發的NH3和HBr反應生成固體NH4Br,有白煙產生,D項正確。
3.兩種烴的球棍模型如圖所示,下列說法正確的是(　　)。
甲　　　乙
A.二者均不能與Cl2反應
B.二者互為同分異構體
C.二者都不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色
D.二者都不能發生加成反應
【答案】B
【解析】甲是乙苯,乙是間二甲苯,二者分子中均有烷基,在光照下均能與Cl2發生取代反應,A項錯誤;二者分子式相同,結構不同,互為同分異構體,B項正確;二者都是苯的同系物,都能使酸性高錳酸鉀溶液褪色,C項錯誤;在一定條件下二者都能夠與氫氣發生加成反應,D項錯誤。
4.(2021·河北卷)苯并降冰片烯是一種重要的藥物合成中間體,結構簡式如圖。關于該化合物,下列說法正確的是(　　)。
A.是苯的同系物
B.分子中最多8個碳原子共平面
C.一氯代物有6種(不考慮立體異構)
D.分子中含有4個碳碳雙鍵
【答案】B
【解析】苯的同系物必須是只含有1個苯環,側鏈為烷烴基的芳香烴,由結構簡式可知,苯并降冰片烯的側鏈不是烷烴基,不屬于苯的同系物,A項錯誤;由結構簡式可知,苯并降冰片烯分子中苯環上的6個碳原子和連在苯環上的2個碳原子共平面,B項正確;由結構簡式可知,苯并降冰片烯分子的結構上下對稱,分子中含有5種等效氫原子,則一氯代物有5種,C項錯誤;苯環不是單雙鍵交替的結構,由結構簡式可知,苯并降冰片烯分子中只含有1個碳碳雙鍵,D項錯誤。
5.(2022·河北卷改編)在HY沸石催化下,萘與丙烯反應主要生成二異丙基萘M和N。
++
下列說法正確的是(　　)。
A.M和N互為同系物
B.M分子中最多有12個碳原子共平面
C.N的一溴代物有4種
D.萘的二溴代物有10種
【答案】D
【解析】M和N互為同分異構體,A項錯誤;M分子中最多有14個碳原子共平面,B項錯誤;N的一溴代物有5種,C項錯誤;萘的結構可表示為,圖中的數字表示含H碳原子的標號,兩個Br連在同一個苯環上的有1-2、1-3、1-4、2-3,兩個Br連在不同苯環上的有1-5、1-6、1-7、1-8、2-6、2-7,其二溴代物共有10種,D項正確。
6.(2019·全國乙卷)實驗室制備溴苯的反應裝置如圖所示,關于實驗操作或敘述錯誤的是(　　)。
A.向圓底燒瓶中滴加苯和溴的混合液前需先打開K
B.實驗中裝置b中的液體逐漸變為淺紅色
C.裝置c中的碳酸鈉溶液的作用是吸收溴化氫
D.反應后的混合液經稀堿溶液洗滌、結晶,得到溴苯
【答案】D
【解析】若關閉K,向燒瓶中加注液體,會使燒瓶中氣體壓強增大,苯和溴的混合液不能順利流下,打開K,可以平衡氣壓,便于苯和溴的混合液流下,A項正確;裝置b中四氯化碳的作用是吸收揮發出的苯和溴蒸氣,溴溶于四氯化碳使液體逐漸變為淺紅色,B項正確;裝置c中碳酸鈉溶液呈堿性,能夠吸收反應生成的溴化氫氣體,C項正確;反應后得到粗溴苯,向粗溴苯中加入稀氫氧化鈉溶液洗滌,除去其中溶解的溴,振蕩、靜置,分層后分液,向有機層中加入適當的干燥劑,然后蒸餾分離出沸點較低的苯,可以得到溴苯,不能用結晶法提純溴苯,D項錯誤。
2

展開更多......

收起↑