学习笔记

Appearance

烃（烷、烯、炔与芳香烃） ​

概览

烃是只含碳、氢的有机物，是有机化学的"骨架"。本笔记依次掌握烷烃（取代）、烯烃（加成、加聚、氧化）、炔烃（乙炔的制备与性质）与芳香烃（苯及苯的同系物）的结构与性质。核心是抓住**碳碳单键/双键/三键与苯环"特殊结构"**决定的不同反应类型。

核心概念 ​

1. 烷烃 ​

  • 通式：$\ce{C_nH_{2n+2}}$（$n\ge1$），碳原子均为 $sp^3$ 杂化，只含 σ 键。
  • 物理性质：随碳原子数增多，熔沸点升高；$n\le4$ 为气态；不溶于水。
  • 化学性质：性质稳定，不与强酸、强碱、强氧化剂反应。
    • 取代反应（卤代）：光照下与 $\ce{Cl2}$ 等发生自由基取代。 $$\ce{CH4 + Cl2 ->[光照] CH3Cl + HCl}$$
    • 氧化反应：燃烧。$\ce{C_nH_{2n+2} + \dfrac{3n+1}{2}O2 ->[点燃] nCO2 + (n+1)H2O}$
    • 裂化/裂解：$\ce{C16H34 -> C8H18 + C8H16}$ 等，用于制取小分子烯烃与汽油。

2. 烯烃 ​

  • 通式：$\ce{C_nH_{2n}}$（含一个 $\ce{C=C}$），双键碳为 $sp^2$ 杂化，含 1σ+1π，π 键易断裂。
  • 加成反应（特征反应）：
    • 加卤素：$\ce{CH2=CH2 + Br2 -> CH2BrCH2Br}$（溴水褪色，用于检验烯烃）。
    • 加 $\ce{H2}$：$\ce{CH2=CH2 + H2 ->[催化剂] CH3CH3}$。
    • 加 $\ce{HX}$：$\ce{CH2=CH2 + HCl -> CH3CH2Cl}$（不对称烯烃按马氏规则）。
    • 加水：$\ce{CH2=CH2 + H2O ->[催化剂、加压] CH3CH2OH}$（工业制乙醇）。
  • 加聚反应：$\ce{nCH2=CH2 ->[催化剂] [-CH2-CH2-]_n}$（聚乙烯）。
  • 氧化反应：燃烧；使酸性 $\ce{KMnO4}$ 溶液褪色（被氧化）。
  • 二烯烃可发生 1,4-加成（共轭二烯）。

3. 炔烃 ​

  • 通式：$\ce{C_nH_{2n-2}}$（含一个 $\ce{C≡C}$），三键碳为 $sp$ 杂化，含 1σ+2π。
  • 乙炔的实验室制备： $$\ce{CaC2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + CH≡CH \uparrow}$$ （电石 + 水，用饱和食盐水可减缓反应速率）
  • 乙炔性质：
    • 燃烧：明亮火焰，含碳量高；
    • 与 $\ce{Br2}$ 加成：$\ce{CH≡CH + 2Br2 -> CHBr2CHBr2}$；
    • 与 $\ce{H2}$ 分步加成可制乙烯、乙烷；
    • 与 $\ce{HCl}$ 加成制氯乙烯，再聚合成聚氯乙烯（PVC）。

4. 芳香烃——苯 ​

  • 苯分子式 $\ce{C6H6}$，平面正六边形，六个碳均为 $sp^2$ 杂化，6 个碳间形成大 π 键（介于单双键之间）。
  • 结构特征：苯环中碳碳键完全相同，键长相等，既不是单键也不是双键。
  • 化学性质："易取代、难加成、可氧化（苯本身难氧化）"。
    • 取代反应：
      • 硝化：$\ce{C6H6 + HNO3 ->[浓H2SO4、加热] C6H5NO2 + H2O}$（硝基苯）。
      • 卤代：$\ce{C6H6 + Br2 ->[FeBr3] C6H5Br + HBr}$（溴苯）。
      • 磺化：$\ce{C6H6 + H2SO4(浓) ->[加热] C6H5SO3H + H2O}$（苯磺酸）。
    • 加成反应：与 $\ce{H2}$ 在催化下生成环己烷：$\ce{C6H6 + 3H2 ->[催化剂] C6H12}$。
    • 苯不能使溴水、酸性 $\ce{KMnO4}$ 溶液褪色（区别于烯、炔）。

5. 苯的同系物 ​

  • 通式：$\ce{C_nH_{2n-6}}$（$n\ge6$），如甲苯 $\ce{C6H5CH3}$。
  • 性质：苯环上取代（邻、间、对）；侧链受苯环影响易被氧化，能使酸性 $\ce{KMnO4}$ 溶液褪色（苯不能）： $$\ce{C6H5CH3 ->[KMnO4/H+] C6H5COOH}$$
  • 甲苯硝化：$\ce{C6H5CH3 + 3HNO3 ->[浓H2SO4] C6H2CH3(NO2)3 + 3H2O}$（TNT，2,4,6-三硝基甲苯）。

重点知识 ​

烃类性质对比速查表 ​

烃通式结构特点特征反应使溴水褪色使 KMnO4 褪色
烷烃$\ce{C_nH_{2n+2}}$只含 σ 键取代（光照）否否
烯烃$\ce{C_nH_{2n}}$含$\ce{C=C}$加成、加聚是是
炔烃$\ce{C_nH_{2n-2}}$含$\ce{C≡C}$加成是是
苯$\ce{C6H6}$大 π 键取代（催化）否（萃取分层）否
苯的同系物$\ce{C_nH_{2n-6}}$苯环+侧链取代、侧链氧化否是

溴水褪色辨析

烯、炔使溴水褪色是加成反应（化学变化）；苯使溴水萃取分层（上层橙红色、下层无色）是物理变化，不算褪色。

典型例题 ​

例题 1：乙炔的制备与性质 ​

题目：实验室用碳化钙与水反应制取乙炔，写出反应方程式并说明为何用饱和食盐水代替水。

分析：电石与水反应剧烈，放热，用饱和食盐水可减小 $\ce{CaC2}$ 与水的接触、减缓反应速率，便于控制。

解答：$\ce{CaC2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + CH≡CH\uparrow}$。用饱和食盐水代替水能减缓反应速率、控制气流平稳。

点评：电石法制乙炔是常考实验，注意产物 $\ce{Ca(OH)2}$是微溶物；生成的乙炔常混有$\ce{H2S}$、$\ce{PH3}$等杂质，可用$\ce{CuSO4}$ 溶液除去。

例题 2：苯的性质辨析 ​

题目：下列事实能证明苯分子中碳碳键不是单双键交替的是（　）① 苯不能使溴水褪色；② 苯不能使酸性 $\ce{KMnO4}$ 溶液褪色；③ 苯的邻二甲苯只有一种；④ 苯环上碳碳键长均相等。

分析：若碳碳键单双交替，则邻位二取代物应有两种（相邻单键、双键两种位置），且碳碳键长应有两种。

解答：③ 邻二甲苯只有一种、④ 碳碳键长相等都能直接证明；① ② 也支持但不如 ③④ 直接。选 ③④。

点评：邻位二取代物只有一种，是证明苯环不存在交替单双键的经典依据。

例题 3：烃的燃烧计算 ​

题目：某气态烃 10 mL 完全燃烧生成 30 mL $\ce{CO2}$ 和 20 mL 水蒸气（同温同压），求该烃的分子式并判断可能属于哪类烃。

分析：同温同压下气体体积比 = 物质的量比。设烃为 $\ce{C_xH_y}$： $$x=\frac{V(\ce{CO2})}{V(\ce{烃})}=\frac{30}{10}=3,\qquad y=\frac{2\times V(\ce{H2O})}{V(\ce{烃})}=\frac{2\times20}{10}=4$$ 分子式为 $\ce{C3H4}$。$\ce{C3H4}$满足通式$\ce{C_nH_{2n-2}}$（$n=3$），属于炔烃或二烯烃。

解答：分子式为 $\ce{C3H4}$，可能为丙炔 $\ce{CH≡CCH3}$或丙二烯$\ce{CH2=C=CH2}$，属于炔烃（或二烯烃）。

点评：燃烧计算抓住"碳守恒、氢守恒"：$x=V(\ce{CO2})/V(\ce{烃})$，$y=2V(\ce{H2O})/V(\ce{烃})$。算出的 H 数 $y$必须满足$y\le2x+2$ 且为偶数，否则数据有误。

易错提醒 ​

易错点

  1. 烷烃不能使溴水/酸性 KMnO4 褪色，烯、炔可以（加成/氧化）。
  2. 苯使溴水"萃取分层"不是褪色，不能据此说苯与溴发生了反应。
  3. 苯的同系物（甲苯）能使酸性 KMnO4 褪色，而苯不能，关键在侧链。
  4. 乙炔中碳为 sp 杂化，直线形，四个原子共线；烯烃双键碳 $sp^2$ 共面。
  5. 加成反应"原子利用率 100%"，取代反应不是；写方程式别漏无机小分子（如 $\ce{HCl}$、$\ce{H2O}$）。
  6. 烃分子中 H 数必为偶数（CnH2n+2、2n、2n-2、2n-6），计算结果若为奇数要复查。

与其他知识关联 ​

  • 与 有机物的结构特点与命名：烯、炔、苯同系物命名规则。
  • 与 烃的衍生物：烯加成得卤代烃/醇，卤代烃消去又得烯，形成转化闭环。
  • 与 有机合成与推断：烃是合成的原料端。
  • 与 杂化轨道理论：甲烷 $sp^3$、乙烯 $sp^2$、乙炔 $sp$、苯 $sp^2$ 的空间构型来源。
  • 与 选修二晶体：金刚石（$sp^3$）与石墨（$sp^2$）同素异形体的结构差异。

返回 00-有机化学基础总览

基于 Obsidian 整理 · 由 VitePress 构建

学习笔记