第三章 有机化合物
第一讲 最简单的有机化合物—甲烷
复习重点：甲烷的结构特点和甲烷的取代反应；同分异构体和同系物。
复习难点：建立有机物立体结构模型，将甲烷和烷烃的结构特点、有机物的成键特点从实物模型转换为学生头脑中的思维模型，从化学键的层面认识甲烷的结构和性质。
知识梳理
一、甲烷分子组成与结构
1、三式：分子式：＿＿＿＿＿；电子式：＿＿＿＿＿结构式：＿＿＿＿＿。
2、甲烷空间结构的描述：甲烷是＿＿＿＿＿结构，碳原子位于＿＿＿＿＿，顶点都是＿＿＿＿＿。
3、甲烷分子结构的参数：键角都是＿＿＿＿；键长1．09×10－10m；键能是413kJ/mol。
二、甲烷的性质
1、物理性质：＿＿色＿＿味＿＿体，比空气＿＿，＿＿溶于水。
2、化学性质：一般情况下，性质＿＿＿稳定，跟强酸、强碱或强氧化剂等＿＿＿反应。
(１)甲烷的氧化反应：有机方程式书写不用“=”而用＿＿表示。
CH4(g)＋2Ｏ２(g)
CO2(g)+2H2O(l)
问题：①点燃甲烷前要进行什么操作?[ ＿＿]②火焰的颜色是什么?[ ＿＿]③燃烧时火焰是淡蓝色的气体还有哪些?[ ＿＿、＿＿、＿＿] ④燃烧后的产物如何检验?[ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿]
(2)甲烷的取代反应: 取代反应：有机物分子里的某些原子或原子团＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿的反应叫取代反应。取代反应与置换反应区别如下：
3、甲烷与氯气在光照条件下反应，现象：黄绿色逐渐＿＿＿＿，瓶壁出现＿＿＿＿，说明产生了不溶于水的物质。瓶口有＿＿＿，使湿石蕊试纸变＿＿，推断有氯化氢生成。四个反应的方程式＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。甲烷四种取代产物性质见下表：
3、热解反应：CH4 
C+2H2↑
三、烷烃
1、烷烃定义及通性：烃的分子里＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿达到“饱和”的链烃叫做饱和链烃，也叫烷烃。通式：＿＿＿（n≥1）,如乙烷、丙烷、丁烷等。通性：①n≤4＿＿体，溶沸点、密度随碳原子数增大而＿＿＿②通常状况下，很＿＿稳定，与酸、碱和氧化剂＿＿反应，也难与其它物质化合。③可燃：在空气中燃烧生成＿＿＿＿＿＿＿＿。④取代：在光照条件下，都能与氯气等发生＿＿＿反应。
2、同系物：＿＿＿相似，在分子组成上＿＿＿＿＿＿＿＿的物质互称为同系物。如：甲烷、乙烷、丙烷互称为同系物，它们都属于烷烃。
(1) 烷烃的命名方法——根据分子里所含碳原子的数目来命名。
A.碳原子数在十以下的，依次用＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿来表示。如：
戊烷、辛烷等。
B.碳原子数在十以上的，就用＿＿＿来表示。如：十一烷、十七烷等
(2)烃基—＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿所剩余的部分。一般用“R—”表示。如果这种烃是烷烃，那么烷烃失去一个氢原子后所剩余的原子团叫烷基。如：—CH3叫＿＿基，—CH2CH3叫＿＿＿基。
3、同分异构体：化合物具有相同的＿＿＿＿，但具有＿＿＿的现象，叫做同分异构现象。如正丁烷和异丁烷。具有＿＿＿＿现象的化合物互称为同分异构体。
疑难点拨
一、同系物规律
1、同系物：结构相似，组成上相差一个或若干个“CH2”原子团的物质。注意事项：(1)同系物必须是同类有机物(2)结构相似指具有相似的原子连接方式，相同的官能团类别和官能团数目(3)具有相同通式的有机物除烷烃外，不能以通式相同的作为确定是不是同系物的充分条件(4)同分异构体之间不是同系物关系（5）同系物的物理性质具有规律性的变化；同系物的化学性质相似。
2、同系物的判断规律：(1)一差（分子组成至少相差一个CH2原子团）(2)一同（具有相同的通式）(3)二相似（结构相似，化学性质相似）
二、同分异构体面面观：具有相同分子式而分子结构不同的物质
1、同分异构体的种类
(1)碳架异构（指碳原子之间连接成不同的链状或环状结构而造成的异构）；(2)位置异构（指官能团或取代基在碳架上的位置不同而造成的异构）；(3)类别异构（指有机物分子中的官能团不同或有机物类别不同而造成的异构，也叫官能团异构）。
2、几类同分异构体
(1)CnH2n：(n≥3)烯烃和环烷烃；(2)CnH2n－2：(n≥3)二烯烃和炔烃；(3)CnH2n＋2O：(n≥2)饱和一元醇和饱和一元醚；(4)CnH2nO：(n≥2)饱和一元醛、烯醇和环氧烷；(n≥3)饱和一元酮；(5)CnH2nO2：(n≥2)饱和一元羧酸、饱和一元羧酸饱一元醇酯；(6)CnH2n＋1O2N：(n≥2)氨基酸、硝基化合物和亚硝酸酯；（7）CnH2n－6O：(n≥7)酚、芳香醇和芳香醚。
3、几种特殊的同分异构体
(1)C8H8：苯乙烯和立方烷；(2)C8H10：乙苯和邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯；(3)C6H12O6：葡萄糖和果糖；(4)C11H22O11：蔗糖和麦芽糖；(5)CH4ON2：尿素[CO(NH2)2]和氰酸铵[NH4CNO]
4、同分异构体书写规律
(1)烷烃（只可能存在碳链异构），书写时应注意全而不重。规则如下：成直链，一条线；摘一碳，挂中间；往边移，不到端；摘两碳，乙基安；二甲基，同、邻、间；不重复，要写全。
(2)具有官能团的化合物如烯烃、炔烃、卤代烃、醇、酮等，它们有官能团位置异构、类别异构、碳架异构，书写要按顺序考虑。一般情况是：位置异构→碳架异构→类别异构。
(3)芳香族化合物：取代基在苯环上的相对位置具有邻、间、对三种。
5、判断同分异构体数目的常见方法和思路：
(1)基团连接法：将有机物看作由基团连接而成，由基团的异构数目可推断有机物的异构体数目。如：丁基有四种，丁醇（看作丁基与羟基连接而成）也有四种：戊醛、戊酸（分别看作丁基跟醛基、羧基连接物）也分别有四种。再如：C9H12的芳香烃（可看作一价苯基跟丙基、二价苯基跟一个甲基和一个乙基、三价苯基跟三个甲基连接而得）共有8种。
(2)换位思考法：将有机物分子中的不同原子或基团换位进行思考。
如：乙烷分子中共有6个H原子，若有一个氢原子被Cl原子取代所得一氯乙烷只有一种结构，那么五氯乙烷有多少种？假设把五氯乙烷分子中的Cl看作H原子，而H原子看成Cl原子，其情况跟一氯乙烷完全相同，故五氯乙烷也有一种结构。同理：二氯乙烷有二种结构，四氯乙烷也有二种结构。又如：二氯苯有三种，四氯苯也有三种。
(3)等效氢原子法（又称对称法）：分子中等效氢原子有如下情况：①分子中同一个碳原子上连接的氢原子等效。②同一个碳原子上所连接的甲基上的氢原子等效。如新戊烷（可以看作四个甲基取代了甲烷分子中的四个氢原子而得），其四个甲基等效，各甲基上的氢原子完全等效，也就是说新戊烷分子中的12个H原子是等效的。③分子中处于镜面对称位置（相当于平面镜成像时，物与像的关系）上的氢原子是等效的。如 
分子中的18个H原子是等效的。
三、有机物的命名
1、烷烃的命名
(1)首先选择主链：选择分子中最长碳链称作某烷（由主链C原子数决定烷的名称）；若有两条碳链等长，则以含取代基（或支链）多者为主链。
(2)对主链碳原子编号：从离取代基最近的一端编起（以阿拉伯数字）；若在离两端等距离的位置同时出现取代基时，则从哪端编号能使取代基位置之和最小，就从哪一端编起。
(3)写出烷烃的系统名称.
2、含有官能团或特殊原子团的化合物命名时，首先确定命名的化合物母体，然后据母体进行命名。母体的确定是根据化合物分子中的官能团或特殊基因。如含：“
”的化合物，以烯为母体，化合物最后名称为“某某烯”；含—OH、—CHO、—COOH的化合物分别以醇、醛、酸为母体。苯的同系物以苯为母体命名。
官能团的链状化合物选择主链一律以含官能团的最长碳链为主链，编号时从官能团（—CHO、—COOH）或离官能团近的一端（醇、卤代烃）编号，其他步骤跟烷烃命名相似。
苯的同系物及苯的取代物命名时苯环上的编号既可顺时针编，亦可逆时针编，但是要从环上最简单的取代基或侧链编起，且使各取代基或侧链的位置之和最小。（也可能用习惯命名法），如
：邻—二甲苯，
：间—二甲苯，
：对—二甲苯。
典例剖析
【例1】在光照下，将等物质的量的CH4和Cl2充分反应，得到产物的物质的量最多的是
A.CH3Cl B.CH2Cl2 C.CCl4 D.HCl
解析：由CH4与Cl2发生取代反应的化学方程式可知，每生成1 mol卤代烃，可生成1 mol HCl，由于CH4与Cl2发生的每一步取代反应中都有HCl生成，所以，产物中HCl的物质的量最多。这里注意，不要简单地按CH4＋Cl2 CH3Cl＋HCl进行考虑。其实，该反应一旦进行，生成的CH3Cl立即与Cl2发生“连锁”反应。答案：D
【例2】一定量的CH4燃烧后得到的产物是CO、CO2、H2O（g），此混合物的质量为49.6 g，当其缓缓通过足量的无水CaCl2时气体质量减少25.2 g，则混合气中CO的质量为
A.24.4 g B.13.2 g C.12.5 g D.11.2 g
解析： 设产物中CO的物质的量为x，CO2的物质的量为y。由C原子守恒可得CH4的物质的量为（x+y）,又由H原子守恒可得生成H2O的物质的量为2（x+y）。则 解得 x=0.4 mol，y=0.3 mol m（CO）=0.4 mol×28 g·mol－1=11.2 g答案：D
【例3】（2001年全国理综）A、B、C、D、E五种芳香族化合物都是某些植物挥发油中的主要成分，有的是药物，有的是香料。它们的结构简式如下所示：
请回答下列问题：
(1)这五种化合物中，互为同分异构体的是__________。
(2)
，反应①采取的适当措施，使分子中烯键不
起反应。
以上反应式中的W是A—E中的某一化合物，则W是________。X是D的同分异构体，X的结构简式是________。反应②属于_________。（填反应类型）。
解析：本题给出了有机物的结构简式。（1）问要求找出互为同分异构体的化合物，只要找出分子式相同的但结构不同的化合物即可。其中只有B和C符合要求。（2）问给出了有机物的转化关系，且W是A—E中的化合物，X与D互为同分异构体。W氧化得 
，只能是E（
）的醛基氧化，故W为E。D的同分异构体X应与D有相同化学式，而
比D少2个H原子，因而转变为X的反应只能是加H2反应，而H原子加在烯键上。
答案：（1）B和C（2）E； 
；还原（或加成、加氢、催化加氢等）。
【例4】（2001年全国理综）已知化合物B3N3H6（硼氮苯）与C6H6（苯）分子结构相似，如下图：
（苯） （硼氮苯）
则硼氮苯的二氯取代物B3N3H4Cl2的同分异构体数目为
A．2 B．3 C．4 D．6
解析：要推算硼氮苯的二氯取代物数目，其方法是将二个Cl原子“定一、移一”，首先将一个Cl原子定在B原子上，移动另一Cl原子，得3种结构；将一Cl原子定于N原子上，移动另一Cl原子，也得3种结构，其中有两种（另一Cl在B上的）与前面重复，故只有四种。答案：C
【例5】（2003年江苏）人们使用四百万只象鼻虫和它们的215磅粪物，历经30多年时间弄清了棉子象鼻虫的四种信息素的组成，它们的结构可表示如下（括号内表示④的结构简式）
以上四种信息素中互为同分异构体的是（ ）
A．①和② B．①和③ C．③和④ D．②和④
解析：本题看似复杂，其实只要写出四种信息素的分子式，问题即迎刃而解，因四种信
息素的结构各不相同，只要分子式相同的即互为同分异构。答案：C
【例6】下列各组物质：①金刚石和C60 ②H2、D2和T2 ③
和
④CH3(CH2)2CH3和(CH3)2CHCH3 ⑤乙烷和已烷⑥CH3CH2CH2CH(CH2CH3)CH3和CH3(CH2)2CH(CH3)CH2CH3中，互为同位素的是（填序号，下同）
，互为同素异形体的是 ，互为同系物的是
，属于同一物质的是 。
解析：互为同位素的是和，互为同素异形体的是金刚石和C60，互为同系物的是乙烷和已烷，属于同一物质的是CH3CH2CH2CH(CH2CH3)CH3和CH3(CH2)2CH(CH3)CH2CH3。
知能训练
一、选择题
1．2005年1月14日，成功登陆土卫六的“惠更斯”号探测器发回了350张照片和大量数据。分析指出，土卫六“酷似地球经常下雨”，不过“雨”的成份是液态甲烷。下列关于土卫六的说法中，不正确的是 （ ）
A．土卫六上存在有机分子 B．地表温度极高
C．地貌形成与液态甲烷冲刷有关 D．土卫六上形成了甲烷的气液循环系统
2．甲烷气体在氧气中燃烧生成二氧化碳和水的实验事实说明 （ ）
A．甲烷的分子式为CH4 B．甲烷气体中含碳元素和氢元素
C．甲烷气体中只含有碳元素和氢元素 D．甲烷的化学性质比较稳定
3．已知瓦斯气又叫煤层气，它与天然气成分无异，下列有关说法不正确的是（ ）
A．瓦斯气主要成分是甲烷
B．瓦斯气在空气中占任意体积分数时，均会发生爆炸
C．井下及时通风透气、加强监测，控制瓦斯气的浓度并严禁明火，是安全生产的关键之一
D．煤层气直接排放到空气中，不仅浪费资源还会加剧温室效应。
4、下列微粒中，与甲烷分子具有相同的质子数和相同的电子数的是（ ）
A、HCl B、NH3 C、NH4＋ D、OH-
5、将一定量的甲烷完全燃烧，使所生成的气体依次通过装有足量无水CaCl2和NaOH的玻璃管。结果盛NaOH的玻璃管质量增加了1.1g，则原来甲烷在标准状况下的体积为（ ）
A、2.24L B、1.12L C、0.56L D、0.28L
6．下列化学性质中，烷烃不具备的是 （ ）
A．可以在空气中燃烧 B．与C12发生取代反应
C．可以与溴水中的溴反应而使溴水褪色 D．能使高锰酸钾溶液褪色
7、下列有机物没有同分异构体的是（ ）
A、C4H10 B、CH3Cl C、CH2Cl2 D、C5H12
8、下列分子式只能表示一种物质的是（ ）
A、C2H6 B、C4H10 C、C4H4Cl2 D、C
9、标准状况下将35ml气态烷烃完全燃烧，恢复到原来状况下，得到140ml二氧化碳气体，则该烃的分子式为（ ）
A、C5H12 B、C4H10 C、C3H6 D、C3H8
10、两种气态烃的混合气体共1L，在空气中燃烧生成1.5LCO2气体和2L水蒸气（气体体积均在相同状况下测定），关于该混合气体的说法正确的是（ ）
A、一定含有甲烷 B、一定含有甲烷，不一定含乙烷
C、一定含有乙烷，不一定含有甲烷 D、一定不含有乙烷
11、相对分子质量为100的烷烃，主链上有5个碳原子的同分异构体有 种
A、3 B、4 C、5 D、6
12、下列各物质中属于同分异构体的是（ ）
A、石墨与金刚石
13、互称为同分异构体的物质不可能具有（ ）
A、相同的相对分子质量 B、相同的结构
C、相同的通式 D、相同的化学式
14．以M原子为中心形成的MX2Y2分子中X、Y分别只以单键与M结合。下列说法正确的是 （ ）
A．若MX2Y2分子为平面四边形就有两种同分异构体
B．若MX2Y2分子为平面四边形则无同分异构体
C．若MX2Y2分子为四面体形就有两种同分异构体
D．若MX2Y2分子为四面体形则无两种同分异构体
15、1mol某烷烃完全燃烧，需要8mol氧气，这种烷烃的化学式是（ ）
A、C3H8 B、C4H10 C、C5H12 D、C6H14
16、下列物质在一定条件下，可与CH4发生化学反应的是（ ）
A、氯气 B、溴水 C、氧气 D、KMnO4溶液
17、将CH4（隔绝空气）加热到1000℃以上，可发生反应CH4 
C+2H2，然后通入水蒸气，则混合气体中不可能存在的气体是（ ）
A、CO B、H2 C、CO2 D、O2
二、填空题
18、．化学式为C8Hm的烷烃，m值等于 ；CnH22的烷烃，n值等于 ；相对分子质量为212的烷烃的分子式为 。
19．目前，从自然界发现的和人工合成的有机物已经超过2000万种，远远多于无机物。其主要原因如下：
⑴有机化合物都含有C元素，碳原子最外层有 个电子，每个C原子可以与C原子或其他元素的原子形成 个共价键，这些共价键可能是 、 或 。
 |
⑵多个C原子可以相互结合成 或 ，而分子式相同的分子，其结合方式也有可能不同。如4个C原子相互以单键结合的方式就有4种，请在下列方框中画出其他3种结合方式：
20．烷烃分子中的基团可能有四种：—CH3、—CH2—、
其数目分别用a、b、c、d表示，对烷烃(除甲烷外)中存在的关系作讨论：
⑴下列说法正确的是
A．a的数目与b的数目的大小无关 B．c增加1，a就会增加3
C．d增加1，a就会增加2 D．b增加1，a就会增加2
⑵四种基团之间的关系为：a= (用a、b、c、d表示)
⑶若某烷烃分子中，b=c=d=1，则满足此条件的该分子的结构可能有 种。
21．一卤代物只有一种的烷烃，其分子结构有“球形”（A）和“椭球形”（B）两类，它们的组成有一定的规律性，A类是以甲烷分子为母体，用甲基经过多次循环处理后制得的； B类是以乙烷分子为母体，用甲基多次循环处理后制得的。
⑴写出碳原子数在10个之内，一卤代烃只有一种的烷烃的结构简式。
；
⑵A与B之间是否存在同分异构体？为什么？
。
22． (2001年上海市高考综合能力测试)目前上海大部分城市居民所使用的燃料主要是管道煤气，浦东新区居民开始使用东海天然气作为民用燃料。管道煤气的主要成分为CO、H2和少量烃类，天然气的主要成分是CH4。它们的燃烧反应如下：
根据以上化学方程式判断，燃烧相同体积的管道煤气和天然气，消耗空气体积较大是 。因此燃烧管道煤气的灶具如需改燃天然气，灶具的改进方法是 进风口（填“增大”或“减少”），如不作改进可能产生的不良后果是 ，管道煤气中含有的烃类，除甲烷外，还有少量乙烷、丙烷、丁烷等，它们的某些性质见下表：
| 乙烷 | 丙烷 | 丁烷 | |
| 熔点（℃） | -183.3 | -189.7 | -138.4 |
| 沸点（℃） | -88.6 | -42.1 | -0.5 |
试根据以上某个关键数据解释冬天严寒的季节有时管道煤气火焰很小，并且呈断续状态的原因是 。
参考答案：
1、B 2、B 3、B 4、B 5、C 6、D 7、BC 8、A 9、B 10、A 11、C 12、CD 13、B 14、AD 15、C 16、AC 17、D
18．18 10 C15H32
19．⑴4 4 单键 双键 三键 ⑵碳链 碳环
（其它合理形式亦可）
20． ⑴AC ⑵2+c+2d ⑶3
21．⑴CH4，CH3CH3，C(CH3)4，(CH3)3C—C(CH3)3
⑵不可能有同分异构体存在。因为A类物质中碳原子数为奇数。
22．天然气；增大；不能充分燃烧，生成有毒的CO；丁烷遇冷凝结为液体使管道内气流不畅。