
?專題28 甲烷、乙烯、苯、煤、石油、
天然氣的綠綜合利用
1.有機必修高考考查一般為選擇題。
2.本部分的考查點主要有:
(1)甲烷、乙烯和苯的分子結(jié)構(gòu),如考查它們分子的空間結(jié)構(gòu)以及以它們?yōu)槟阁w的分子的空間結(jié)構(gòu),判斷是否共面或共線的問題;
(2)考查甲烷、乙烯和苯的性質(zhì);
(3)考查同系物、同分異構(gòu)體的概念及判斷;
(4)考查取代反應、加成反應和加聚反應等有機反應類型。
熱點題型一:甲烷、乙烯、苯的結(jié)構(gòu)
熱點題型二:甲烷、乙烯、苯的性質(zhì)
熱點題型三:烷烴的性質(zhì)
熱點題型四:取代反應與加成反應
熱點題型五:同系物
熱點題型六:同分異構(gòu)體
熱點題型七:煤的綜合利用
熱點題型八:化石燃料的組成及綜合應用
熱點題型一: 甲烷、乙烯、苯的結(jié)構(gòu)
1. 甲烷、乙烯、苯的結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)
甲烷
乙烯
苯
分子式
CH4
C2H4
C6H6
球棍模型
比例模型
結(jié)構(gòu)式
結(jié)構(gòu)簡式
CH4
CH2===CH2
結(jié)構(gòu)特點
全部是單鍵,屬于飽和烴;碳原子位于正四面體的中心,4個氫原子分別位于4個頂點
含碳碳雙鍵,屬于不飽和烴;6個原子在同一個平面上
碳碳鍵是介于碳碳單鍵和碳碳雙鍵之間的獨特的鍵;所有原子均在同一平面上,苯分子中的6個碳原子構(gòu)成一個正六邊形,鍵角均為120°
空間構(gòu)型
正四面體形
平面形
平面正六邊形
物理性質(zhì)
無色氣體,難溶于水,甲烷密度小于空氣,乙烯密度與空氣相近
無色特殊氣味的透明液體,易揮發(fā),密度比水小,難溶于水
注意:
(1)有機物分子中的單鍵,包括碳碳單鍵、碳氫單鍵、碳氧單鍵等可旋轉(zhuǎn)。但是形成雙鍵和三鍵的原子不能繞軸旋轉(zhuǎn),對原子的空間結(jié)構(gòu)具有“定格”作用。
(2)能說明苯分子結(jié)構(gòu)中并不存在單、雙鍵交替結(jié)構(gòu)的事實:
a.苯不能使溴的CCl4溶液褪色;b.苯不能使酸性KMnO4溶液褪色;c.苯的鄰位二元取代物(如鄰二甲苯)不存在同分異構(gòu)體;d.苯為平面正六邊形結(jié)構(gòu)。
(3)苯和乙烯均為平面結(jié)構(gòu),故苯乙烯分子中的所有原子可能共平面。
【例1】向苯、、無水乙醇、己烯中分別滴加少量溴水,振蕩、靜置后,描述錯誤的是
A.苯:上層紅棕色,下層無色 B.無水乙醇:液體不分層
C.己烯:上層無色,下層無色 D.:上層無色,下層紫色
【答案】D
【解析】向苯、CCl4、無水乙醇、己烯中分別滴加少量溴水,振蕩、靜置后,苯與溴水發(fā)生萃取,且苯的密度小于水,上層呈紅棕色;CCl4與溴水發(fā)生萃取,且CCl4的密度大于水,下層呈紅棕色;無水乙醇與溴水互溶,溶液不分層;己烯與溴水中的溴發(fā)生加成反應,生成的二溴代物密度大于水,且不溶于水,則上、下兩層均為無色,綜上所述,答案為D。
【例2】已知2—苯基丙烯的結(jié)構(gòu)簡式如圖,下列說法錯誤的是
A.分子式為C9H10 B.所有原子一定處于同一平面
C.可使溴水褪色 D.易溶于甲苯
【答案】B
【解析】A.根據(jù)碳原子成四鍵特點,利用鍵線式表示規(guī)則判斷,其化學式為:C9H10,故A正確;B.根據(jù)端點碳原子接四個單鍵判斷C原子采用sp3雜化判斷不可能所有的原子共面,故B錯誤;C.根據(jù)結(jié)構(gòu)特點含有碳碳雙建判斷,可以與溴單質(zhì)發(fā)生加成,故能使溴水褪色,故C正確;D.根據(jù)相似相溶原理,該有機物易溶于甲苯,故D正確;故選答案B。
【變式】下圖中A、B、C分別是三種有機物的結(jié)構(gòu)模型:
請回答下列問題:
(1)A、B、C三種有機物中,所有原子均共面的是___________(填名稱)。結(jié)構(gòu)簡式為的有機物中,處于同一平面內(nèi)的碳原子數(shù)至少為___________。
(2)有機物C不具有的結(jié)構(gòu)或性質(zhì)是___________(填字母)。
a.是碳碳雙鍵和碳碳單鍵交替的結(jié)構(gòu)
b.有毒、不溶于水、密度比水小
c.不能使酸性溶液和溴水褪色
d.一定條件下能與氫氣或氧氣反應
(3)等質(zhì)量的三種有機物完全燃燒生成和,消耗氧氣的體積(相同狀況下)最大的是___________(填“A”“B”或“C”)。
【答案】(1)乙烯、苯 8
(2) a
(3)A
【解析】(1)A、B、C三種有機物中,所有原子均共面的是乙烯和苯;分子中單鍵可以旋轉(zhuǎn),最多有12個碳原子在同一平面內(nèi),至少有8個碳原子在同一平面內(nèi),故答案為:乙烯、苯;8;(2)a.苯分子中碳碳鍵是介于碳碳雙鍵和碳碳單鍵之間的特殊的化學鍵,故錯誤;b.苯是有毒、不溶于水、密度比水小、具有芳香氣味的無色液體,故正確;c.苯分子中不含碳碳雙鍵,不能與酸性高錳酸鉀溶液發(fā)生氧化反應,不能與溴水發(fā)生加成反應,則不能使酸性高錳酸鉀溶液褪色,苯能萃取溴水中的溴單質(zhì)而使溴水褪色,故正確;d.一定條件下,苯能與氫氣發(fā)生加成反應生成環(huán)己烷,能在氧氣中燃燒生成二氧化碳和水,故正確;a錯誤,故答案為:a;(3)若將烴分子式改寫為CHx,等質(zhì)量的烴燃燒時,x值越大,消耗氧氣越多,三種烴改寫可得CH4、CH2、CH,由改寫化學式可知甲烷的x值最大,則等質(zhì)量燃燒時,甲烷消耗氧氣最多,故答案為:A。
判斷有機物分子中原子是否共面的思維模型
(1)牢記甲烷、乙烯、苯三種分子的空間構(gòu)型:CH4分子呈正四面體結(jié)構(gòu),分子中所有原子均在同一平面上。
(2)明確鍵的旋轉(zhuǎn)問題:單鍵(C—C)可以旋轉(zhuǎn),而雙鍵()不可以旋轉(zhuǎn);苯分子中苯環(huán)能以任一碳氫鍵為軸旋轉(zhuǎn)。
(3)清楚三種分子中H原子被其他原子如C、Cl等原子取代后,分子的空間構(gòu)型不變。
熱點題型二:甲烷、乙烯、苯的性質(zhì)
1.甲烷(CH4)
①穩(wěn)定性:與強酸、強堿和強氧化劑等一般不發(fā)生化學反應。
②燃燒反應:化學方程式為CH4+2O2CO2+2H2O(產(chǎn)生淡藍色火焰)。
③取代反應:在光照條件下與Cl2發(fā)生取代反應,第一步反應的方程式為CH4+Cl2CH3Cl+HCl,繼續(xù)反應依次又生成了CH2Cl2、CHCl3、CCl4。
注意:甲烷與氯氣發(fā)生取代反應,得到的有機產(chǎn)物是混合物,其中有機產(chǎn)物都不溶于水,常溫下,一氯甲烷是氣體,其他的都是液體。
2.乙烯(CH2===CH2)
-
注意:
(1)乙烯能使溴水、酸性KMnO4溶液褪色,但原理不同,前者屬于加成反應,后者屬于氧化反應。
(2)溴水、酸性KMnO4溶液均可鑒別乙烷和乙烯,但要除去乙烷中的乙烯時,只能選用溴水,因為酸性高錳酸鉀能將乙烯氧化成CO2。
3.苯(C6H6)
①燃燒反應:C6H6+15O212CO2+6H2O。(火焰明亮,帶濃煙)
②取代反應:
苯與液溴的取代反應:;苯的硝化反應:。
③加成反應:。
注意:
(1)苯不能與溴水、酸性KMnO4溶液反應而使它們褪色,但能夠萃取溴水中的溴而使其褪色。
(2)苯與液溴在FeBr3作催化劑的條件下發(fā)生取代反應。
【例1】甲烷是天然氣的主要成分,是一種高效、低耗、污染小的清潔能源。下列有關(guān)甲烷的說法正確的是
①甲烷是一種正四面體結(jié)構(gòu)的分子
②物質(zhì)的量1:1的甲烷與氯氣發(fā)生取代反應時,生成物只有CH3Cl和HCl
③0.5 mol甲烷完全燃燒時消耗氧氣最多為1mol
④1 mol甲烷全部生成CCl4,最多消耗2 mol氯氣
A.①② B.③④ C.①③ D.②④
【答案】C
【解析】①甲烷分子中C原子與4個H原子形成四個共價鍵,鍵角是109°28′,因此CH4分子是一種正四面體結(jié)構(gòu)的分子,①正確;②取代反應是逐步進行的,因此物質(zhì)的量1:1的甲烷與氯氣發(fā)生取代反應時,生成物不只有CH3Cl和HCl,生成的CH3Cl會進一步發(fā)生取代反應產(chǎn)生CH2Cl2、CHCl3、CCl4,每一步取代反應都會產(chǎn)生HCl分子,不是只有CH3Cl和HCl兩種物質(zhì),②錯誤;③CH4完全燃燒的化學方程式為:CH4+2O2CO2+2H2O,根據(jù)物質(zhì)反應轉(zhuǎn)化關(guān)系可知:0.5 mol甲烷完全燃燒時消耗氧氣最多為1 mol,③正確;④甲烷與氯氣發(fā)生取代反應,若最終變?yōu)镃Cl4,根據(jù)取代反應逐步進行的特點,可知1 mol甲烷全部生成CCl4,最多消耗4 mol氯氣,④錯誤;綜上所述可知:說法正確的是①③,故合理選項是C。
【例2】下列實驗能獲得成功的是
A.苯和溴水用溴化鐵作催化劑制溴苯
B.將苯與濃硝酸混合共熱制硝基苯
C.甲烷與氯氣光照制得純凈的一氯甲烷
D.乙烯通入溴的四氯化碳溶液中得到1,2-二溴乙烷
【答案】D
【解析】A.苯與液溴在催化作用下才能反應生成溴苯,故A錯誤;B.苯與濃在濃催化作用下共熱,才能制得硝基苯,故B錯誤;C.與光照下發(fā)生取代反應,產(chǎn)物有多種,故C錯誤;D.乙烯與發(fā)生加成反應生成,故D正確;故選:D。
【變式1】有6種物質(zhì):①乙烷;②丙炔;③己烯;④環(huán)丙烷;⑤甲苯;⑥聚乙烯。其中常溫下,既不能使酸性KMnO4溶液褪色,也不能與溴水反應使溴水褪色的是
A.①③④ B.①④⑥ C.①④⑤ D.②③⑤
【答案】B
【解析】①乙烷屬于烷烴,既不能使酸性KMnO4溶液褪色,也不能與溴水反應使溴水褪色,故符合題意;②丙炔屬于炔烴,既能使酸性KMnO4溶液褪色,也能與溴水反應使溴水褪色,故不符合題意;③己烯屬于烯烴,既能使酸性KMnO4溶液褪色,也能與溴水反應使溴水褪色,故不符合題意;④環(huán)丙烷屬于環(huán)烷烴,既不能使酸性KMnO4溶液褪色,也不能與溴水反應使溴水褪色,故符合題意;⑤甲苯屬于苯的同系物,能使酸性KMnO4溶液褪色,不能與溴水反應使溴水褪色,故不符合題意;⑥聚乙烯分子中不含有碳碳雙鍵,既不能使酸性KMnO4溶液褪色,也不能與溴水反應使溴水褪色,故符合題意;①④⑥符合題意,故選B。
【變式2】下列說法正確的是
A.碳碳間以單鍵結(jié)合,碳原子的剩余價鍵全部與氫原子結(jié)合的烴一定是飽和鏈烴
B.分子組成符合(n為正整數(shù))的烴一定是烷烴
C.正戊烷分子中所有原子均在一條直線上
D.碳、氫原子個數(shù)之比為1∶3的烴有2種
【答案】B
【解析】A.符合條件的還可以是環(huán)烷烴,如,故A錯誤;B.飽和的鏈狀烴只有烷烴符合通式,故B正確;C.在烷烴分子中,與飽和碳原子相連的4個原子一定位于四面體的4個頂點上,所以正戊烷分子中的所有原子不可能在一條直線上,故C錯誤;D.碳、氫原子個數(shù)之比為1∶3的烴只有乙烷,故D錯誤;故選B。
熱點題型三:烷烴的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
【知識清單】
通式
CnH2n+2(n≥1)
結(jié)構(gòu)
鏈狀(可帶支鏈)分子中碳原子呈鋸齒狀排列;碳原子間以單鍵相連,其余價鍵均被氫原子飽和
特點
一個碳原子與相鄰四個原子構(gòu)成四面體結(jié)構(gòu);1 mol CnH2n+2含共價鍵的數(shù)目是(3n+1)NA
物理性質(zhì)
密度:隨著分子中的碳原子數(shù)的增加而增大,但都小于水的密度
熔、沸點:隨分子中的碳原子數(shù)的增加而升高
狀態(tài):氣態(tài)→液態(tài)→固態(tài),碳原子數(shù)小于5的烷烴常溫下呈氣態(tài)
化學性質(zhì)
取代反應;氧化反應(燃燒);分解反應(高溫裂解)
注意:
烷烴與Cl2的取代反應,每取代1 mol氫原子,需要消耗1 mol Cl2。
【例1】下列說法正確的是
A.烷烴就是飽和烴
B.C20H42一定屬于烷烴
C.乙烷分子中的兩個C原子共線,而C、H八個原子共面
D.C3H8分子中的三個碳原子可能共線,但所有的原子不可能共面
【答案】B
【解析】A.烷烴屬于飽和烴,而飽和烴除鏈狀烷烴以外,還有環(huán)烷烴,故不能說烷烴就是飽和烴,故A錯誤;B.符合CnH2n+2通式的只有鏈狀烷烴,故C20H42一定為烷烴,故B正確;C.碳原子形成的4條價鍵是四面體構(gòu)型,故乙烷中的8個原子不能共平面,故C錯誤;D.烷烴中碳原子是鋸齒形,故丙烷中的3個碳原子不會共直線,故D錯誤;綜上所述,答案為B。
【例2】下列敘述錯誤的是
A.己烷有5種同分異構(gòu)體
B.苯在空氣中不易燃燒完全,燃燒時冒濃煙
C.甲烷和氯氣的混合氣體在光照條件下反應,生成純凈的CH3Cl
D.乙烯通入溴的四氯化碳溶液中,溶液褪色,是發(fā)生了加成反應
【答案】C
【解析】A. 己烷只有碳鏈異構(gòu),為CH3CH2CH2CH2CH2CH3、(CH3)2CHCH2CH2CH3、CH3CH2CH(CH3)CH2CH3、(CH3)2CHCH(CH3)2、(CH3)3CCH2CH3,共5種,故A正確;B.苯中含碳質(zhì)量分數(shù)很大, 苯在空氣中不易燃燒完全,產(chǎn)生碳,燃燒時冒濃煙,故B正確;C. 甲烷和氯氣的混合氣體在光照條件下反應,生成CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4的混合物,得不到純凈的CH3Cl,故C錯誤;D. 乙烯中含有碳碳雙鍵,乙烯通入溴的四氯化碳溶液中,溶液褪色,是發(fā)生了加成反應,故D正確;故選C。
【變式1】下列化學性質(zhì)中,烷烴不具備的是
A.一定條件下能發(fā)生分解反應 B.可以在空氣中燃燒
C.能與氯氣發(fā)生取代反應 D.能使高錳酸鉀溶液褪色
【答案】D
【解析】A.烷烴一定條件下能發(fā)生分解反應,例如甲烷分解生成氫氣和碳單質(zhì),故A正確;B.烷烴是由碳氫兩種元素組成的,具有可燃性,可以在空氣中燃燒,故B正確;C.烷烴能夠和氯氣光照條件下發(fā)生取代反應,故C正確;D.由于烷烴性質(zhì)穩(wěn)定,不能夠使高錳酸鉀溶液褪色,故D錯誤;故選D。
【變式2】下列說法不正確的是
A.1mol甲烷在光照條件下最多可以和2molCl2發(fā)生取代反應
B.烷烴跟鹵素單質(zhì)在光照條件下能發(fā)生取代反應,烷烴燃燒時生成二氧化碳和水
C.等質(zhì)量的烷烴完全燃燒,生成CO2的量隨著碳的質(zhì)量分數(shù)的增大而變大
D.CCl4與CH4一樣是正四面體結(jié)構(gòu)
【答案】A
【解析】A.甲烷與氯氣發(fā)生取代反應時,1個Cl2只能取代1個H原子,所以1mol甲烷在光照條件下最多可以和4molCl2發(fā)生取代反應,A不正確;B.在光照條件下,烷烴跟鹵素單質(zhì)可發(fā)生取代反應,烷烴燃燒時,碳元素轉(zhuǎn)化為二氧化碳、氫元素轉(zhuǎn)化為水,B正確;C.等質(zhì)量的烷烴完全燃燒,含碳元素的質(zhì)量分數(shù)越大,碳的物質(zhì)的量越大,生成CO2的量物質(zhì)的量越大,二氧化碳的質(zhì)量分數(shù)越大,C正確;D.CH4分子中含有4個C-H鍵,4個鍵的夾角相同,都為109°28',所以CH4為正四面體結(jié)構(gòu),CCl4相當于CH4分子中的4個H原子被4個Cl原子替代,空間構(gòu)型不變,所以也應是正四面體結(jié)構(gòu),D正確;故選A。
熱點題型四:取代反應與加成反應
1.加成反應的特點是:“斷一,加二,都進來”?!皵嘁弧笔侵鸽p鍵中的一個不穩(wěn)定鍵斷裂;“加二”是指加上兩個其他原子或原子團,一定分別加在兩個不飽和碳原子上,此反應類似無機反應中的化合反應,理論上原子利用率為100%。
2.取代反應的特點是“上一下一,有進有出”,類似無機反應中的復分解反應,注意在書寫化學方程式時,防止漏寫產(chǎn)物中的小分子,如苯的硝化反應中生成的水。
【例1】下列反應中前者屬于取代反應,后者屬于加成反應的是
A.甲烷與氯氣混合后光照反應;乙烯使酸性高錳酸鉀溶液褪色
B.乙烯與溴的四氯化碳溶液反應;苯與氫氣在一定條件下反應生成環(huán)己烷
C.苯與濃硝酸和濃硫酸的混合液反應生成油狀液體;乙烯與水生成乙醇的反應
D.乙炔與溴水反應;乙酸與乙醇的酯化反應
【答案】C
【解析】A.光照條件下,甲烷與氯氣的反應屬于取代反應;乙烯與酸性高錳酸鉀溶液發(fā)生氧化反應,使酸性高錳酸鉀溶液褪色,不屬于加成反應,故A不合題意;B.乙烯與溴的四氯化碳溶液反應生成1,2—二溴乙烷屬于加成反應,不屬于取代反應;苯與氫氣在一定條件下反應生成環(huán)己烷屬于加成反應,故B不合題意;C.苯與濃硝酸和濃硫酸的混合液反應生成硝基苯的反應屬于取代反應;乙烯與水生成乙醇的反應屬于加成反應,故C符合題意;D.乙炔與溴水的反應屬于加成反應,不屬于取代反應;乙酸與乙醇的酯化反應屬于取代反應,不屬于加成反應,故D不合題意;故選C。
【變式2】下列反應中,不屬于取代反應的是
A.
B.
C.
D.
【答案】D
【解析】A. 為酯化反應,屬于取代反應,故A不符合;B. 為乙烷的取代反應,故B不符合;C. 為苯的硝化反應,屬于取代反應,故C不符合;D. 屬于消去反應,故D符合;故選D。
【變式1】使1mol乙烯與氯氣完全發(fā)生加成反應,然后使該加成反應的產(chǎn)物與氯氣在光照條件下發(fā)生完全取代反應,則兩個過程中消耗氯氣的總物質(zhì)的量是
A.3mol B.4mol C.5mol D.6mol
【答案】C
【解析】,所以1乙烯與氯氣發(fā)生加成反應需要氯氣1;,所以1與氯氣發(fā)生取代反應,最多需要4氯氣,這兩部分之和為,本題答案是C。
【變式2】有機化學中的反應類型較多,將下列反應歸類.(填序號)
①由乙炔制取氯乙烯;②乙烷在空氣中燃燒;③乙烯使溴的四氯化碳溶液褪色;④乙烯使酸性高錳酸鉀溶液褪色;⑤由乙烯制取聚乙烯;⑥甲烷與氯氣在光照的條件下反應;⑦由乙烯制取乙醇;其中屬于取代反應的是_____;屬于氧化反應的是______;屬于加成反應的是______;屬于加聚反應的是_______。
【答案】⑥ ②④ ①③⑦ ⑤
【解析】①由乙炔制取氯乙烯:乙炔中含有碳碳叁鍵,與氯化氫發(fā)生加成反應生成氯乙烯,屬于加成反應;②乙烷在空氣中燃燒:燃燒屬于氧化反應;③乙烯使溴的四氯化碳溶液褪色:乙烯分子中含有碳碳雙鍵,能夠與溴發(fā)生加成反應導致溶液褪色;④乙烯使酸性高錳酸鉀溶液褪色:乙烯中碳碳雙鍵被酸性高錳酸鉀溶液氧化,該反應為氧化反應;⑤由乙烯制取聚乙烯:乙烯中含有碳碳雙鍵,通過加聚反應生成聚乙烯,屬于加聚反應;⑥甲烷與氯氣在光照的條件下反應:光照條件下,甲烷中氫原子被氯原子取代,該反應為取代反應;⑦由乙烯制取乙醇:乙烯含有碳碳雙鍵,與水發(fā)生加成反應生成乙醇,該反應為加成反應。
綜上,屬于屬于取代反應的是⑥;屬于氧化反應的是②④;屬于加成反應的是①③⑦;屬于加聚反應的是⑤,答案:⑥;②④;①③⑦;⑤。
熱點題型五:同系物
1.定義:結(jié)構(gòu)相似,在分子組成上相差一個或若干個CH2原子團的物質(zhì)互稱為同系物。
2.性質(zhì):同系物的化學性質(zhì)相似,物理性質(zhì)呈現(xiàn)一定的遞變規(guī)律(按碳原子數(shù)由小到大的順序):常溫下的狀態(tài):氣態(tài)→液態(tài)→固態(tài);熔沸點逐漸升高;密度逐漸增大。如熔、沸點:CH2===CH2
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