名校精品鲁科版化学选修五134《苯及其同系物的化学性质》学案.docx

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名校精品鲁科版化学选修五134《苯及其同系物的化学性质》学案

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第4课时　苯及其同系物的化学性质

[学习目标定位]　1.熟知苯及其同系物与X2、浓H2SO4、浓HNO3、酸性KMnO4溶液的反应。

2.认识苯及其同系物之间性质的差异及原因。

1．苯是无色、有特殊气味的液体，把苯倒入盛碘水的试管中，振荡，静置，发现液体分层，上层呈紫红色，下层呈无色，说明苯的密度比水小，而且不溶于水。

加几滴植物油于盛苯的试管中，振荡，发现植物油溶于苯，说明苯是很好的有机溶剂。

将盛有苯的两个试管分别插入沸水和冰水中，将会发现前者沸腾，后者凝结成无色晶体。

2．苯的分子式是C6H6，结构简式是

，其分子结构特点：

（1）苯分子为平面正六边形结构；

（2）分子中6个碳原子和6个氢原子都在同一平面内；

（3）6个碳碳键键长完全相同，是一种介于碳碳单键和碳碳双键之间的特殊化学键。

3．苯易发生取代反应，能发生加成反应，难被氧化，其化学性质不同于烷烃和烯烃。

苯不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，在空气中能够燃烧，燃烧时产生明亮的火焰并有浓烟产生，燃烧的化学方程式为2C6H6＋15O2

12CO2＋6H2O。

探究点一　苯与卤素单质、硝酸、浓硫酸的取代反应

1．溴苯的实验室制取

（1）实验装置如上图所示。

装置中的导管的作用是导气、冷凝回流。

（2）将苯和少量液溴放入烧瓶中，同时加入少量铁屑作催化剂，用带导管的塞子塞紧。

观察实验现象：

①常温下，整个烧瓶内充满红棕色气体，在导管口有白雾（HBr遇水蒸气形成）。

②反应完毕后，向锥形瓶中滴加AgNO3溶液，有淡黄色的AgBr沉淀生成。

③把烧瓶里的液体倒入盛有冷水的烧杯里，烧杯底部有褐色不溶于水的液体生成。

（3）反应方程式为

2.苯与浓硝酸的反应：

实验室制备硝基苯的实验装置如右图所示，主要步骤如下：

①配制一定比例浓硫酸与浓硝酸形成的混合酸，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55～60℃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）配制一定比例浓硫酸与浓硝酸形成的混合酸时，操作注意事项是___________________________。

（2）步骤③中，为了使反应在55～60℃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”）的油状液体。

（6）苯与浓硝酸反应的化学方程式为________________________________________。

答案　

（1）先将浓硝酸注入容器中，再慢慢注入浓硫酸，并及时搅拌和冷却　

（2）将反应器放在55～60℃的水浴中加热　（3）分液漏斗　（4）除去粗产品中残留的酸　（5）大

解析　浓硫酸与浓硝酸混合时，应先将浓硝酸注入容器中，再慢慢注入浓硫酸，并及时搅拌和冷却。

如果先注入浓硫酸，再注入浓硝酸，会造成浓硝酸受热迸溅、挥发。

反应温度是55～60℃，为方便控制，所以用水浴加热。

3．苯与浓硫酸的反应，苯与浓硫酸常温下不反应，加热时苯环上的氢原子可被磺酸基（—SO3H）取代，方程式为

4．已知，当苯环上有烃基支链时，由于受支链影响，苯环上与支链相邻的氢及与支链相对的氢都变得更为活泼，试写出：

（1）甲苯与液溴在一定条件下的反应方程式：

（2）当苯环上连有—NO2或—SO3H时可以使苯环上其间位氢原子变得较为活泼，试写出硝基苯与液溴在一定条件下的反应式

[归纳总结]

（1）通过有HBr生成可判断苯与溴单质发生的是取代反应而不是加成反应。

苯及其同系物都存在一个较稳定的苯环结构，因此具有相似的化学性质，苯及其同系物都能发生苯环上的取代反应。

（2）由于苯的同系物的分子中有与苯环相连的支链，使得苯的同系物表现与苯不同的性质，如甲苯与浓HNO3反应可生成三硝基甲苯。

[活学活用]

1．下列关于苯的说法中，正确的是（　　）

A．苯的分子式是C6H6，不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，所以属于饱和烃

B．从苯的凯库勒式（

）看，分子中含有双键，所以属于烯烃

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　饱和烃的通式为CnH2n＋2（n≥1），苯的分子式为C6H6，从苯分子中的碳氢比来看，苯是一种远没有达到饱和的烃，故A不正确；苯的凯库勒式并不能代表苯分子的真实结构，用凯库勒式表示苯的结构只是一种习惯用法，苯分子中的碳碳键完全相同，是一种介于碳碳单键和碳碳双键之间的特殊的化学键，故B不正确；在催化剂作用下，苯与液溴反应生成溴苯，是一种取代反应，而不是加成反应，故C不正确。

2．实验室用溴和苯反应制取溴苯，得到粗溴苯后，要用如下操作精制：

①蒸馏　②水洗　③用干燥剂干燥　④10%NaOH溶液洗　⑤水洗，正确的操作顺序为（　　）

A．①②③④⑤B．②④⑤③①

C．④②③①⑤D．②④①⑤③

答案　B

解析　本题的关键是弄清精制溴苯的最后两步，用水洗，则需干燥剂干燥，分离出干燥剂则只能用蒸馏的方法，所以最后两步应为③①。

探究点二　苯与氢气的反应

1．苯环上碳原子之间形成的是一种介于单双键之间特殊的化学键，一般情况下较为稳定，所以苯及其同系物不易发生加成反应，而易发生取代反应。

但是从组成上看苯环是不饱和的结构，所以在合适的催化剂和一定条件下可以与某些物质发生加成反应。

2．试写出在催化剂、加热、加压条件下苯、甲苯分别与H2发生加成反应的化学方程式。

[归纳总结]

（1）苯及其同系物较难发生加成反应进一步说明苯环上并不含与烯烃中相同的碳碳双键。

（2）苯及其同系物均不能使溴的四氯化碳溶液褪色。

但因为发生萃取作用可以使溴水褪色，并不是因发生加成反应而褪色。

[活学活用]

3．下列不是因为发生化学反应而使溶液褪色的是（　　）

A．将SO2通入酸性KMnO4溶液使其褪色

B．将乙烯通入酸性KMnO4溶液使其褪色

C．将己烯加入溴水使其褪色

D．将甲苯加入溴水使其褪色

答案　D

解析　SO2、乙烯使酸性KMnO4溶液褪色，均是因为发生了氧化还原反应，从而使MnO

消耗褪色；己烯含有

可以与溴水中的溴发生加成反应，而使溴水褪色；甲苯使溴水褪色是由于溴易溶于有机溶剂，而发生了萃取现象，溴水中的溴溶解在甲苯中，而使水层变无色，故答案为D。

探究点三　苯的同系物与KMnO4（H＋）溶液反应

1．苯不能使溴的四氯化碳溶液褪色，也不能使酸性KMnO4溶液褪色。

但是苯的某些同系物可以使酸性KMnO4溶液褪色，如甲苯由于可以与酸性KMnO4溶液反应生成苯甲酸从而使酸性KMnO4溶液褪色，反应式为

2．分子式为C10H14的苯的同系物，苯环上只有一个支链的同分异构体有四种，请在表中空格内写出第四种同分异构体的结构简式：

（1）上述四种物质中分别加入酸性KMnO4溶液，可观察到的现象是①②③中酸性KMnO4溶液褪色，④中不褪色。

（2）通过上述实验得出的结论是与苯环直接相连的碳原子上如果没有氢原子，则不能使酸性KMnO4溶液褪色。

[归纳总结]

（1）苯的同系物由于出现了支链，支链与苯环相互影响，所以苯的同系物与苯比较，性质并不完全相同，苯环受支链影响，苯环上的氢变得较为活泼，支链上的烃基由于受苯环影响变得也较为活泼。

（2）在苯的同系物中如果侧链烃基中与苯环直接相连的碳原子上有氢原子，它就能被酸性KMnO4溶液氧化，侧链烃基通常被氧化为羧基。

苯及苯的同系物均可燃烧。

[活学活用]

4．下列说法中，正确的是（　　）

A．芳香烃的分子通式是CnH2n－6（n≥6）

B．苯的同系物是分子中仅含有一个苯环的所有烃类物质

C．苯和甲苯都不能使酸性KMnO4溶液褪色

D．苯和甲苯都能与卤素单质、硝酸等发生取代反应

答案　D

解析　芳香烃是分子中含有一个或多个苯环的烃类物质，而苯的同系物仅指分子中含有一个苯环且侧链全部为烷基的芳香烃，其通式为CnH2n－6（n≥6）；苯不能使酸性KMnO4溶液褪色，而甲苯可以，这是由于苯环和侧链相互影响所致。

5．下列有关甲苯的实验事实中，能说明侧链对苯环性质有影响的是（　　）

A．甲苯通过硝化反应生成三硝基甲苯

B．甲苯能使酸性高锰酸钾溶液褪色

C．甲苯燃烧时产生很浓的黑烟

D．1mol甲苯与3mol氢气发生加成反应

答案　A

解析　侧链对苯环的影响，应是原来无侧链时没有的性质，现在因为有侧链而有了相应的性质。

A选项中甲苯硝化反应生成三硝基甲苯，和没有支链时苯的硝化反应不一样，所以A正确；B选项中是苯环对甲基的影响，造成甲基被氧化；C选项中产生黑烟是苯中碳的含量高造成的；D选项中无论是苯还是苯的同系物均能与H2发生加成反应并且比例为1∶3。

1．下列物质中属于苯的同系物的是（　　）

答案　D

解析　同系物概念：

结构相似，分子组成相差1个或若干个CH2原子团，只有D符合。

2．下列有关芳香烃的说法中，正确的是（　　）

A．苯是结构最简单的芳香烃

B．芳香烃的通式是CnH2n－6（n≥6）

C．含有苯环的有机化合物一定属于芳香烃

D．芳香烃就是苯和苯的同系物

答案　A

3．下列分子中所有碳原子不在同一平面上的是（　　）

A．2丁烯B．甲苯

C．1丁烯D．

答案　C

4．与链烃相比，苯的化学性质的主要特征是（　　）

A．难氧化、难取代、难加成B．易氧化、易取代、易加成

C．难氧化、易取代、能加成D．易氧化、易取代、难加成

答案　C

解析　苯中的碳碳键比较特殊，是介于碳碳单键和碳碳双键之间的一种特殊的化学键，难氧化能加成，但是在一定条件下易发生取代反应。

5．下列说法不正确的是（　　）

A．在有机物中碳原子与其他原子最多形成4个共价键

B．用溴水既可以鉴别甲烷和乙烯，也可以除去甲烷中的乙烯

C．煤中含有大量的苯、甲苯、二甲苯等有机物，可以通过干馏的方法将其提纯出来

D．用酸性高锰酸钾溶液可以鉴别己烷和甲苯

答案　C

解析　碳原子最外层有4个电子，最多与其他原子形成4个共价键；乙烯可以使溴水褪色并被溴水吸收，而甲烷不能使溴水褪色也不能被溴水吸收；甲苯能使酸性高锰酸钾溶液褪色，而己烷不能使酸性高锰酸钾溶液褪色。

6．目前，化学家们已合成了一系列有机物：

（1）写出联m苯的化学式（用m表示）____________。

（2）该系列有机物中，其中含碳量最高的化合物碳含量百分率约为________（保留三位有效数字）。

（3）若联苯中C—C能自由旋转，那么联苯的二氯取代物有________种。

答案　

（1）C6mH4m＋2　（m≥2）　

（2）94.7%　（3）12

[基础过关]

一、苯的分子结构与性质

1．苯环实际上不具有碳碳单键和双键的简单交替结构，可以作为证据的事实有（　　）

①苯的间位二取代物只有一种　②苯的邻位二取代物只有一种　③苯分子中碳碳键的键长均相等　④苯不能使酸性KMnO4溶液褪色　⑤苯在加热和催化剂存在条件下，与氢气发生加成反应　⑥苯在FeBr3存在的条件下，与液溴发生取代反应，但不能因化学变化而使溴水褪色

A．①②③④B．②③④⑥C．③④⑤⑥D．全部

答案　B

解析　苯不能因化学变化使溴水褪色、不能使酸性高锰酸钾溶液褪色，都说明苯分子中没有典型的双键。

若苯环上具有单键和双键交替的结构，碳碳键的键长应该不等（双键键长比单键键长短），其邻位二氯代物应该有

两种，而间位二氯代物只有一种。

2．下列有关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．在一定条件下苯能与氯气发生加成反应

C．在苯中加入酸性高锰酸钾溶液，振荡并静置后下层液体为紫红色

D．在苯中加入溴水，振荡并静置后下层液体为橙色

答案　D

解析　苯能萃取溴水中的溴，由于苯的密度比水小，所以振荡并静置后上层液体为橙红色。

3．下列关于苯的性质的叙述中，不正确的是（　　）

A．苯是无色带有特殊气味的液体

B．常温下苯是一种不溶于水且密度小于水的液体

C．苯在一定条件下能与溴发生取代反应

D．苯不含真正的双键，故不可能发生加成反应

答案　D

解析　苯是没有颜色，带有特殊气味的液体，苯有毒，不溶于水，密度比水小，熔点为5.5℃，沸点为80.1℃。

苯在铁粉作催化剂的条件下和液溴发生取代反应；在一定条件下，苯还可以和氢气发生加成反应生成环己烷。

4．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

二、苯的同系物的性质

5．下列各组物质用酸性高锰酸钾溶液和溴水都能区别的是（　　）

A．苯和甲苯B．1己烯和二甲苯

C．苯和1己烯D．己烷和苯

答案　C

解析　若区别两种物质，它们与酸性KMnO4溶液或溴水混合后现象应各不相同。

A、D项中它们与溴水混合后现象相同；B项中物质与酸性KMnO4溶液混合后现象相同。

6．甲苯是由苯环和甲基结合而成的，甲苯能够使酸性KMnO4溶液褪色是因为（　　）

A．烷烃能使酸性KMnO4溶液褪色

B．苯环能使KMnO4酸性溶液褪色

C．苯环使甲基的活性增强而导致的

D．甲基使苯环的活性增强而导致的

答案　C

解析　苯的同系物中苯环和侧链之间可以相互影响。

苯环使侧链更活泼，而侧链则使苯环上的侧链邻、对位的氢原子更活泼，更易取代，甲苯使酸性KMnO4溶液褪色是苯环对侧链影响的结果。

7．下列变化属于取代反应的是（　　）

A．苯与溴水混合，水层褪色

B．乙烯使溴的四氯化碳溶液褪色

C．甲苯制三硝基甲苯

D．苯和氯气在一定条件下生成六氯环己烷

答案　C

三、苯的同系物的同分异构体

8．间二甲苯苯环上的一个氢原子被—NO2取代后其一元取代产物的同分异构体有（　　）

A．1种B．2种C．3种D．4种

答案　C

解析　判断因取代基位置不同而形成的同分异构体时，通常采用“对称轴”法。

即在被取代的主体结构中，找出对称轴，取代基只能在对称轴的一侧，或是在对称轴上而不能越过对称轴（针对一元取代物而言）。

如二甲苯的对称轴如下（虚线表示）：

邻二甲苯

（小圆圈表示能被取代的位置），间二甲苯

，对二甲苯H3C

。

因此，邻、间、对二甲苯苯环上的一元取代物分别有2、3、1种。

9．已知甲苯的一氯代物有4种同分异构体，将甲苯完全氢化后，再发生氯代反应，其一氯代物的同分异构体数目有（　　）

A．4种B．5种C．6种D．7种

答案　B

解析　将甲苯完全氢化得到甲基环己烷：

，在—CH3上、—CH3邻、间、对位及与—CH3相连的碳原子上的氢原子可以被氯原子取代而得到5种一氯代物，图示为

。

10．下列烃中苯环上的一氯代物的同分异构体数目最少的是（　　）

A．邻二甲苯B．间二甲苯

C．对二甲苯D．乙苯

答案　C

解析　四种物质苯环上的一氯代物的同分异构体数分别为2、3、1、3。

分子的对称性越强，其一氯代物的同分异构体数目越少。

[能力提升]

11．苯的同系物中，有的侧链能被酸性高锰酸钾溶液氧化，生成芳香酸，反应如下：

表示烷基或氢原子）

（1）现有苯的同系物甲、乙，分子式都是C10H14。

甲不能被酸性高锰酸钾溶液氧化为芳香酸，它的结构简式是________；乙能被酸性高锰酸钾溶液氧化为分子式为C8H6O4的芳香酸，则乙可能的结构有________种。

（2）有机物丙也是苯的同系物，分子式也是C10H14，它的苯环上的一溴代物只有一种，试写出丙所有可能的结构简式

________________________________________________________________________。

解析　

（1）本题以分子式为C10H14的苯的同系物可能具有的结构展开讨论。

题中信息没有说明什么样的结构不能被酸性KMnO4溶液氧化为芳香酸，但仔细分析可以发现，能被氧化为芳香酸的苯的同系物都有一个共同点——侧链与苯环直接相连的碳原子上都有氢原子，产物中羧基数目等于苯的同系物分子中能被氧化的侧链数目；若苯的同系物能被氧化为分子式为C8H6O4的芳香酸（二元酸），说明苯环上有两个侧链，可能是两个乙基，也可能是一个甲基和一个丙基，而丙基又有两种结构（—CH2CH2CH3和

），两个侧链在苯环上的位置又有邻位、间位和对位3种可能，故分子式为C10H14、有两个侧链的苯的同系物有3×3＝9种可能的结构。

（2）分子式为C10H14的苯的同系物苯环上的一溴代物只有一种，其苯环上可能只有2个相同的侧链且位于对位，或有3个相同的侧链且彼此不相邻，或4个相同的侧链，且两两处于对称位置。

12．某液态烃的分子式为C8H10，实验证明它能使酸性高锰酸钾溶液褪色，但不能使溴水褪色。

（1）试判断该有机物属于哪类烃，并写出其可能的同分异构体的结构简式。

（2）若苯环上的氢原子被溴原子取代，所得一溴代物有3种同分异构体，则该烃的结构简式为________________________________________________________________________。

答案　

（1）该有机物属于苯的同系物。

支链为乙基时，为

，支链是2个甲基时，为、

解析　有机物分子中，位置等同的氢原子叫等效氢，显然有多少种等效氢，其一元取代物就有多少种。

这种通过等效氢来确定一元取代物同分异构体数目的方法，叫等效氢法。

[拓展探究]

13．人们对苯及芳香烃的认识有一个不断深化的过程，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，写出分子式为C6H6的一种含两个叁键且无支链的链烃的结构简式________。

（2）已知分子式为C6H6的有机物有多种，其中的两种为

（Ⅰ）

　　（Ⅱ）

①这两种结构的区别表现在以下两方面：

定性方面（即化学性质方面）：

（Ⅱ）能__________（填字母），而（Ⅰ）不能。

a．被高锰酸钾酸性溶液氧化

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（即消耗反应物的量的方面）：

1molC6H6与H2加成时：

（Ⅰ）需要H2________mol，而（Ⅱ）需要H2________mol。

②今发现C6H6还可能有另一种如右图所示的立体结构，该结构的二氯代物有________种。

答案　

（1）CHCCCCH2CH3（答案合理即可）　

（2）①ab　3　2　②3

解析　本题考查的是有机物结构的书写及结构对性质的影响。

（1）按题中要求写出一种即可。

（2）由于（Ⅱ）中存在双键，故Ⅱ可被酸性KMnO4溶液氧化，也能与溴水发生加成反应，而苯中存在特殊的键不能发生上述反应，故应选ab；由于苯环上加氢后得到环己烷（C6H12），比苯多出6个氢原子，故需耗3molH2，而Ⅱ中有2mol双键，故需2molH2。

②根据对称性即可写出

，故其二氯代物有3种。