学年高中化学专题3常见的烃第二单元芳香烃第1课时苯的结构与性质教学案苏教版选修5.docx
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学年高中化学专题3常见的烃第二单元芳香烃第1课时苯的结构与性质教学案苏教版选修5
第1课时 苯的结构与性质
[目标导航] 1.阅读教材与观察模型掌握苯结构的特殊性。
2.观察样品以及演示实验了解苯的物理性质。
3.观察演示实验掌握苯的化学性质。
一、苯的分子结构
议一议
1.苯的一氯取代物只有一种，能否说明苯的碳碳键完全相同？
答案 不能。
无论苯分子中碳原子间存在单双键交替排列情况还是介于单双键之间的一种特殊共价键，其一氯代物都只有一种。
2.苯不能使溴水及酸性高锰酸钾溶液褪色，能否说明苯属于饱和烃？
答案 不能。
苯分子中的碳碳键既不是碳碳单键，也不是碳碳双键，是介于单键和双键之间的特殊共价键。
3.有哪些方法可以说明苯分子中不存在碳碳双键，而是一种介于单键与双键之间的特殊的键？
答案
（1）二取代物共有3种，而非4种。
（2）苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，也不能使溴水褪色。
（3）碳碳双键加氢时总要放出热量，并且放出的热量与碳碳双键的数目大致成正比。
苯在镍等催化作用下可与氢气发生加成反应生成环己烷，所放出的热量比环己二烯与氢气加成生成环己烷的还要少。
说明苯环中并不存在单双键交替的结构。
（4）苯分子中每一个碳碳键的键长都是0.140nm。
而碳碳单键的键长是0.154nm，碳碳双键键长是0.134nm。
二、苯的性质
1.物理性质
苯是一种无色有特殊气味的易挥发的液体，不溶于水，密度比水小。
有毒，是一种重要的有机溶剂。
2.化学性质
议一议
1.烷烃与苯都能与卤素发生取代反应，其反应有何异同？
答案 相同点：
都属于取代反应；
不同点：
反应条件不同。
2.怎样从实验的角度分析苯与液溴发生的是取代反应而不是加成反应？
答案 依据产物的不同进行判断，若是加成反应，生成物中则不存在HBr，若是取代反应，则产物中存在HBr，因此可以用稀硝酸酸化的硝酸银溶液或紫色石蕊溶液检测。
3.苯的硝化反应为什么需要水浴加热？
答案 苯的硝化反应需要准确控制反应的温度，故需要水浴加热。
一、苯的卤代反应
1.实验装置
2.实验现象
（1）向三颈烧瓶中加入苯和液溴后，反应迅速进行，溶液几乎“沸腾”，一段时间后反应停止，三颈烧瓶中有红棕色气体。
（2）反应结束后，三颈烧瓶底部出现红褐色油状液体（溴苯）。
（3）锥形瓶内有白雾，向锥形瓶中加入AgNO3溶液，出现浅黄色沉淀。
（4）向三颈烧瓶中加入NaOH溶液，产生红褐色沉淀[Fe（OH）3]。
3.注意事项
（1）此处反应物为液溴（纯溴）而不是溴水。
液溴的浓度大，可增大化学反应速率。
而溴水与苯不能发生取代反应，混合后发生萃取，分层后，水在下层，溶溴的苯在上层。
（2）苯与液溴反应必须有催化剂才能进行。
虽然加入铁粉，但实际起催化作用的是FeBr3：
2Fe＋3Br2==2FeBr3，上述实验现象中加入NaOH，即可验证有Fe3＋的存在。
（3）直形冷凝管的作用——使苯和溴苯冷凝回流，导出HBr和少量溴蒸气。
（4）导管不可插入液面以下，以防倒吸，管口附近出现的白雾，是HBr遇水蒸气所形成的。
（5）纯净的溴苯是一种无色的液体，密度比水大，难溶于水。
烧瓶中生成的溴苯因溶入溴而显褐色，其提纯的方法是将溶有溴的溴苯倒入盛有NaOH溶液的烧杯中，振荡，溴苯比水重，沉在下层，用分液漏斗分离出溴苯。
反应的化学方程式为Br2＋2NaOH==NaBr＋NaBrO＋H2O。
例1
某化学课外小组用下图装置制取溴苯。
先向分液漏斗中加入苯和液溴，再将混合液慢慢滴入反应器A（A下端活塞关闭）中。
（1）写出A中反应的化学方程式_______________________________________________。
（2）A中观察到的现象是______________________________________________________。
（3）实验结束时，打开A下端的活塞，让反应液流入B中，充分振荡，目的是________________________________________________________________________，
写出有关的化学方程式____________________________________________________。
（4）C中盛放CCl4的作用是_________________________________________________。
（5）能证明苯和液溴发生的是取代反应，而不是加成反应，可向试管D中加入AgNO3溶液，若产生淡黄色沉淀，则能证明。
另一种验证的方法是向试管D中加入____________，现象是________________________________________________________________________。
解析 本题主要考查溴苯制备过程中的具体实验知识。
由于苯、液溴的沸点较低，且反应
为放热反应，故A中观察到的现象为反应液微沸，有红棕色气体充满A容器。
HBr中混有的Br2在经过CCl4时被吸收；在制备的溴苯中常混有Br2，一般加入NaOH溶液中，因发生反应Br2＋2NaOH==NaBr＋NaBrO＋H2O而除去。
若该反应为取代反应则必有HBr生成，若为加成反应则没有HBr生成，故只需检验D中是否含有大量H＋或Br－即可。
答案
（1）
（2）反应液微沸，有红棕色气体充满A容器
（3）除去溶于溴苯中的溴 Br2＋2NaOH==NaBr＋NaBrO＋H2O（或3Br2＋6NaOH==5NaBr＋NaBrO3＋3H2O）
（4）除去溴化氢气体中的溴蒸气
（5）石蕊溶液 溶液变红色（其他合理答案均可）
规律总结
只有在掌握好教材实验原理、操作等有关知识的基础上，才可能对其中不足做科学的改造。
本题通过CCl4洗气瓶，就可以减少污染，避免Br2的干扰，通过NaOH溶液，就可以看到溴苯的真面目。
变式训练1 溴苯是一种化工原料，实验室合成溴苯的装置示意图及有关数据如下：
苯
溴
溴苯
密度/（g·cm－3）
0.88
3.10
1.50
沸点/℃
80
59
156
水中溶解度
微溶
微溶
微溶
按下列合成步骤回答问题：
（1）在a中加入15mL苯和少量铁屑。
在b中小心加入4mL液态溴。
向a中滴入几滴溴，有白色烟雾产生，是因为生成了________气体。
继续滴加至液溴滴完。
装置d的作用是________________________________________________________________________。
（2）液溴滴完后，经过下列步骤分离提纯：
①向a中加入10mL水，然后过滤除去未反应的铁屑。
②滤液依次用10mL水、8mL10%的NaOH溶液、10mL水洗涤。
NaOH溶液洗涤的作用是________________________________________________________________________。
③向分出的粗溴苯中加入少量的无水氯化钙，静置、过滤。
加入氯化钙的目的是________________________________________________________________________。
（3）经以上分离操作后，粗溴苯中还含有的主要杂质为________，要进一步提纯，下列操作中必须的是________（填字母）。
A.重结晶B.过滤C.蒸馏D.萃取
（4）在该实验中，a的容积最适合的是________（填字母）。
A.25mLB.50mLC.250mLD.500mL
答案
（1）HBr 吸收HBr和Br2
（2）②除去HBr和未反应的Br2 ③干燥 （3）苯 C （4）B
解析 根据苯和溴反应制备溴苯的条件知铁屑起催化作用，然后对产物进行分离和提纯。
（1）苯和溴在催化剂作用下反应，产生的HBr具有挥发性，看到有白雾产生。
由于该反应放热，而液溴具有挥发性，故挥发出的气体是Br2和HBr，用NaOH溶液吸收。
（2）（3）反应完毕后，反应容器中的主要成分是溴苯，还有未反应的苯和Br2及生成的HBr，加入NaOH除去HBr和未反应的Br2。
再水洗，用CaCl2进一步进行干燥，最后根据苯和溴苯的沸点不同进行蒸馏分离。
（4）烧瓶作为反应容器时，液体的体积不超过容积的
，而液体的体积为15mL＋4mL＝19mL，故容积选择50mL。
二、苯的硝化反应
1.实验步骤
（1）先将1.5mL浓硝酸注入大试管中，再慢慢注入2mL浓硫酸，并及时摇匀和冷却。
（2）向冷却后的酸中逐滴加入1mL苯，充分振荡，混合均匀。
（3）将混合物控制在50～60℃的条件下约10min，实验装置如下图。
（4）将反应后的液体倒入盛冷水的烧杯中，可以看到烧杯底部有黄色油状物生成，经过分离得到粗硝基苯。
（5）粗产品依次用蒸馏水和5%NaOH溶液洗涤，最后再用蒸馏水洗涤，将用无水CaCl2干燥后的粗硝基苯进行蒸馏，得到纯硝基苯。
硝基苯是一种带有苦杏仁味的、无色油状液体，密度比水大，有毒，易溶于酒精和乙醚。
2.注意事项
（1）加入药品顺序，不可以颠倒，因为向硝酸中加入浓H2SO4相当于浓H2SO4的稀释，过程是放热的。
由于苯易挥发，故需冷却后才能加入。
（2）将反应容器放入水浴中，便于控制温度在50～60℃。
因为温度在70～80℃时，苯将与硫酸发生磺化反应。
当温度升高至100～110℃时则生成二取代产物（间二硝基苯），方程式如下：
（3）长直导管的作用是将反应物冷凝回流。
（4）反应后的粗产品用5%的NaOH溶液洗涤，除去产品中残留的HNO3和H2SO4及NO2。
（5）浓H2SO4作用为催化剂和脱水剂。
例2
实验室制备硝基苯的实验装置如下图所示，主要步骤如下：
①配制一定比例的浓H2SO4和浓HNO3混合酸，加入反应器中。
②向室温下的混合酸中逐滴加入一定质量的苯，充分振荡，混合均匀。
③在50～60℃下发生反应，直至反应结束。
④除去混合酸后，粗产品依次用蒸馏水和5%NaOH溶液洗涤，最后再用蒸馏水洗涤。
⑤将用无水CaCl2干燥后的粗硝基苯进行蒸馏，得到纯硝基苯。
填写下列空白：
（1）配制一定比例的浓H2SO4和浓HNO3混合酸时，操作注意事项是________________________________________________________________________。
（2）步骤③中，为了使反应在50～60℃下进行，常用的方法是________________________________________________________________________。
（3）步骤④中洗涤和分离粗硝基苯应使用的仪器是
________________________________________________________________________。
（4）步骤④中粗产品用5%NaOH溶液洗涤的目的是
________________________________________________________________________。
（5）纯硝基苯是无色、密度比水________（填“小”或“大”）、具有________味的油状液体。
解析 浓H2SO4和浓HNO3混合时，应先将浓HNO3注入容器中，再慢慢注入浓H2SO4，并及时搅拌和冷却。
如果先注入浓H2SO4，再注入浓HNO3，会造成浓HNO3局部过热溅迸、挥发。
反应温度是50～60℃，为方便控制，应用水浴加热。
答案
（1）先将浓HNO3注入容器中，再慢慢注入浓H2SO4，并及时搅拌和冷却
（2）将反应器放在50～60℃的水浴中加热 （3）分液漏斗 （4）除去粗产品中残留的酸 （5）大 苦杏仁
变式训练2 中国石油吉林石化公司双苯厂一装置发生爆炸，导致松花江受到严重污染，污水流经哈尔滨市，市民生活和企事业单位受到较大影响。
（1）硝基苯是松花江特大污染事故的主要污染物，该物质中非烃基官能团的结构简式是________。
使用活性炭可以大大降低松花江水中硝基苯的浓度，吸附过程属于________（填字母）。
A.氧化反应B.加成反应
C.物理变化D.化学变化
（2）下列说法正确的是________。
A.硝基苯是由苯与硝酸发生加成反应制取的
B.硝基苯与三硝基甲苯互为同系物
C.硝基苯有毒，密度比水小
D.硝基苯属于芳香族化合物
答案
（1）—NO2 C
（2）D
解析
（1）硝基苯分子中的官能团是硝基，硝基的结构简式是—NO2；吸附过程没有新物质生成，所以活性炭吸附污水中硝基苯的过程属于物理变化。
（2）硝基苯是由苯与硝酸发生取代（硝化）反应制取的：
苯和甲苯互为同系物，但硝基苯与三硝基甲苯不是同系物，因为两者含有的硝基个数不同，它们不符合“在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团”的要求；硝基苯有毒，密度比水大；因此A、B、C均不正确。
分子中含有苯环的化合物都属于芳香族化合物，根据硝基苯的分子结构可知硝基苯属于芳香族化合物。
1.下列关于苯的说法中正确的是（ ）
A.苯的分子式为C6H6，它不能使酸性KMnO4溶液褪色，属于饱和烃
B.从苯的凯库勒式（
）看，苯分子中含有碳碳双键，应属于烯烃
C.在催化剂作用下，苯与液溴反应生成溴苯，发生了加成反应
D.苯分子为平面正六边形结构，6个碳原子之间的键完全相同
答案 D
解析 从苯的分子式C6H6看，其氢原子数远未达到饱和，应属不饱和烃，而苯不能使酸性KMnO4溶液褪色是由于苯分子中的碳碳键是介于碳碳单键与碳碳双键之间的独特的键所致；苯的凯库勒式（
）并未反映出苯的真实结构，只是由于习惯而沿用，不能由其来认定苯分子中含有双键，因而苯也不属于烯烃；在催化剂的作用下，苯与液溴反应生成了溴苯，发生的是取代反应而不是加成反应；苯分子为平面正六边形结构，其分子中6个碳原子之间的价键完全相同。
2.苯环结构中不存在C—C单键与C==C双键的交替结构，可以作为证据的是（ ）
①苯不能使溴水褪色
②苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色
③苯在一定条件下既能发生取代反应，又能发生加成反应
④经测定，邻二甲苯只有一种结构
⑤经测定，苯环上碳碳键的键长相等
A.①②④⑤B.①②③⑤C.①②③D.①②
答案 A
解析 假设苯分子中有C==C双键，则能使溴水褪色且能使酸性高锰酸钾溶液褪色；如果存在C—C单键与C==C双键的交替结构则邻二甲苯会有2种结构，苯环上碳碳键的键长不会相等。
3.将等体积的苯、汽油和水在试管中充分混合后静置。
下列图示现象正确的是（ ）
答案 D
解析 题中苯、汽油和水的密度有差别，其中苯和汽油密度比水小，且能互溶，所以分两层，上下层比例约为2∶1。
4.溴苯是一种化工原料，可以用溴和苯反应合成。
实验室合成溴苯的装置示意图如下：
下表为苯、溴和溴苯的相关数据：
苯
溴
溴苯
密度/g·cm－3
0.88
3.10
1.50
沸点/℃
80
59
156
水中溶解度
微溶
微溶
微溶
回答下列问题：
在A中加入30.0mL无水苯和少量铁屑。
在B中小心加入8.0mL液态溴。
向A中滴加液溴，反应一段时间后，点燃酒精灯加热蒸馏。
（1）A的容积最适合的是________（填字母）。
a.25mLb.50mLc.100mLd.250mL
（2）收集溴苯时，应根据________（填“C1”或“C2”）所显示的温度，其温度应为________。
（3）在反应开始后到收集溴苯之前，应先将F装置连接在D装置后，用它可承接的物质有____________________（填化学式）。
（4）某化学小组设计如下实验方案，证明苯和溴发生的是取代反应而不是加成反应。
第一步：
取少量反应后F装置中的溶液于试管中；
第二步：
向其中加入过量的稀硝酸；
第三步：
继续滴加少量的硝酸银溶液。
如果有浅黄色沉淀生成则证明苯和溴发生的是取代反应。
该实验方案__________（填“合理”或“不合理”），理由是
________________________________________________________________________。
答案
（1）c
（2）C2 156℃
（3）溴、溴化氢、苯
（4）不合理 溴可以和NaOH溶液反应生成溴离子，也能产生浅黄色沉淀，无法确定是否生成溴化氢，即无法确定两者发生的是取代反应（要点一：
溴和NaOH反应；要点二：
无法确定是否生成溴化氢。
）
[基础过关]
一、苯的分子结构
1.苯的结构简式可用
来表示，下列关于苯的叙述中不正确的是（ ）
A.苯分子中所有原子共平面
B.苯中含有碳碳双键，所以苯属于烯烃
C.苯分子中6个碳碳键完全相同
D.苯的核磁共振氢谱图中有一个峰
答案 B
解析 苯分子中6个碳碳键完全相同，苯分子中不含有简单的碳碳双键，苯的核磁共振氢谱图中有一个峰。
2.有机物分子中所有原子不可能处于同一平面的是（ ）
答案 B
二、苯的性质及应用
3.除去溴苯中少量溴的方法是（ ）
A.加入苯使之反应
B.加入KI
C.加NaOH溶液后静置分液
D.加CCl4萃取后静置分液
答案 C
4.下列事实中，能说明苯与一般烯烃在性质上有很大差别的是（ ）
A.苯是平面形分子
B.苯不跟酸性KMnO4溶液反应
C.1mol苯能与3molH2发生加成反应
D.苯易挥发
答案 B
解析 苯中不存在双键，而存在大π键，但烯烃中存在碳碳双键，故两者在化学性质上有着本质的区别，如苯不可以使酸性KMnO4溶液褪色，而烯烃可以与溴水发生加成，也可以被酸性KMnO4溶液氧化。
5.与饱和链烃、不饱和链烃相比较，苯的独特性质具体来说是（ ）
A.难氧化，易加成，难取代
B.难氧化，能加成，较易取代
C.易氧化，易加成，难取代
D.因是单双键交替结构，故易加成为环己烷
答案 B
解析 苯的性质很稳定，一般不能被氧化剂氧化，与H2等加成时，常需要加入催化剂，溴化、硝化和磺化等取代反应要容易些，故B项正确。
6.下列关于苯的叙述正确的是（ ）
A.反应①为取代反应，有机产物与水混合浮在上层
B.反应②为氧化反应，反应现象是火焰明亮并带有浓烟
C.反应③为取代反应，有机产物是一种烃
D.反应④中1mol苯最多与3molH2发生加成反应，是因为苯分子含有三个碳碳双键
答案 B
解析 反应①为取代反应，有机产物溴苯的密度大于水的密度，与水混合在下层，A不正确；反应②为氧化反应，苯分子中含碳量高，所以反应现象是火焰明亮并带有浓烟，B正确；反应③为取代反应，也是硝化反应，有机产物是硝基苯，不是一种烃，C不正确；苯分子能和氢气发生加成反应，但苯分子中不存在碳碳双键，苯分子中的碳碳键是一种介于碳碳单键和碳碳双键之间的独特的化学键，D不正确，答案选B。
7.下列关于苯的叙述中错误的是（ ）
A.苯在催化剂作用下能与液溴发生取代反应
B.在苯中加入酸性KMnO4溶液，振荡并静置后下层液体为紫色
C.在苯中加入溴水，振荡并静置后下层液体为橙色
D.在一定条件下，苯能与氯气发生加成反应
答案 C
解析 苯在催化剂铁的作用下能与液溴发生取代反应生成溴苯，A正确；苯不能被酸性高锰酸钾溶液氧化，且苯不溶于水，密度小于水，因此在苯中加入酸性KMnO4溶液，振荡并静置后下层液体为紫色，B正确；苯和溴水不反应，但可以发生萃取，苯的密度小于水，所以在苯中加入溴水，振荡并静置后上层液体为橙色，C不正确；在一定条件下，苯能与氯气发生加成反应，D正确。
三、物质的鉴别与分离
8.用分液漏斗可以分离的一组液体混合物是（ ）
A.溴和CCl4B.苯和溴苯
C.硝基苯和水D.汽油和苯
答案 C
解析 硝基苯不溶于水且密度比水大，可以用分液漏斗进行分离。
而其余三组物质都是互溶的，不能用分液漏斗进行分离。
[能力提升]
9.人们对苯及芳香烃的认识有一个不断深入的过程，回答下列问题：
（1）由于苯的含碳量与乙炔相同，人们认为它是一种不饱和烃，写出C6H6的一种含叁键且无支链链烃的结构简式：
_________________________________________________________。
（2）已知分子式为C6H6的有机物有多种，其中的两种为
（Ⅰ）
；（Ⅱ）
。
①这两种结构物质的性质表现在以下两方面：
定性方面（即化学性质方面）：
Ⅱ能，而Ⅰ不能______（填字母）。
A.被酸性高锰酸钾溶液氧化
B.与溴水发生加成反应
C.与溴发生取代反应
D.与氢气发生加成反应
定量方面（即消耗反应物的量方面）：
1molC6H6与H2加成时：
Ⅰ需________mol，而Ⅱ需________mol。
②今发现C6H6还可能有一种如下图所示的立体结构，该结构的二氯代物有______种。
（3）1866年凯库勒提出了苯的单、双键交替的正六边形平面结构，解释了苯的部分性质，但还有一些问题尚未解决，它不能解释下列事实______（填字母）。
A.苯不能使溴水褪色
B.苯能与H2发生加成反应
C.溴苯没有同分异构体
D.邻二溴苯只有一种
（4）现代化学认为苯分子碳碳之间的键是_______________________________________。
（5）苯不能使溴水因发生化学反应而褪色，性质类似烷烃，但能与液溴、浓硝酸等发生取代反应，写出苯的硝化反应的化学方程式：
_______________________________________。
答案
（1）HC≡C—C≡C—CH2—CH3（或其他合理答案）
（2）①AB 3 2 ②3
（3）AD
（4）介于碳碳单键和碳碳双键之间的独特的键
（5）
解析
（1）苯的分子式为C6H6，与同碳原子数烷烃相比少了8个H，故C6H6为链烃时，其分子中应含2个—C≡C—，或1个—C≡C—和2个
。
（2）①由于Ⅱ中存在碳碳双键，故Ⅱ可被酸性KMnO4溶液氧化，也能与溴水发生加成反应，而苯中的碳碳键、碳氢键不能发生上述反应，故选A、B。
由于苯环上加氢后形成环己烷（C6H12），比苯多6个氢原子，故需3molH2，而Ⅱ有2个碳碳双键，故需2molH2。
②有3种氢原子，如右图
，故二氯代物也有3种。
（3）若苯是单双键交替结构，则能使溴水或酸性KMnO4溶液褪色，其邻二溴苯则有2种，
和
，故苯的凯库勒式结构不能解释a和d两项。
10.已知下列信息：
Ⅰ.苯环上新导入的取代基的位置主要决定于原有取代基的性质；
Ⅱ.可以把原有取代基分为两类：
a.原取代基使新导入的取代基进入苯环的邻、对位，如：
—OH、—CH3（或烃基）、—Cl、—Br等；b.原取代基使新导入的取代基进入苯环的间位，如：
—NO2、—SO3H、—CHO等。
现有下列变化：
（反应过程中每步只能引进一个新的取代基）
（1）请写出其中一些主要有机物的结构简式：
A______________，B__________，C______________，D______________，E__________。
（2）写出①②两步反应的化学方程式：
________________________________________________________________________。
答案
（1）
（2）
＋H2O
或
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