高二化学下册教程——有机化学与物质结构

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目录

• 第一章 有机化学基础
  • 1.1 有机化合物概述
  • 1.2 烃——烷烃
  • 1.3 烯烃
  • 1.4 炔烃
  • 1.5 苯及其同系物
  • 1.6 烃的总结对比
• 第二章 烃的衍生物
  • 2.1 卤代烃
  • 2.2 醇和酚
  • 2.3 醛
  • 2.4 羧酸和酯
  • 2.5 有机反应类型总结
• 第三章 原子结构与元素性质
  • 3.1 原子核外电子排布
  • 3.2 电子排布与元素周期律
  • 3.3 电离能与电负性
• 第四章 分子结构与性质
  • 4.1 共价键
  • 4.2 分子的立体构型
  • 4.3 分子间作用力与物质性质
• 第五章 晶体结构与性质
  • 5.1 晶体的基本概念
  • 5.2 四种晶体类型的比较
  • 5.3 典型晶体结构分析
• 第六章 综合练习与参考答案

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第一章 有机化学基础

1.1 有机化合物概述

有机化合物是指含碳元素的化合物（CO、CO₂、碳酸盐等少数含碳化合物除外）。有机化学是研究有机化合物的组成、结构、性质、制备和应用的学科。

有机化合物的特点

1. 种类繁多：碳原子有4个价电子，能形成4个共价键，碳原子之间可以形成长链、支链和环状结构。
2. 多数难溶于水：有机物多为非极性或弱极性分子，易溶于有机溶剂。
3. 熔沸点较低：大多数有机物为分子晶体，熔沸点不高。
4. 多数可燃烧：有机物一般含C、H元素，可以燃烧。
5. 反应速率较慢、副反应多：有机反应通常需要催化剂、加热等条件。

有机化合物的表示方法

表示方法	含义	示例（乙醇）
分子式	表示分子中各原子的种类和数目	C₂H₆O
结构式	用短线表示共价键的式子	CH₃—CH₂—OH
结构简式	结构式的简化写法	CH₃CH₂OH
键线式	用线段表示碳骨架，端点和折点为碳原子	——

有机物中碳原子的成键特点

• 碳原子最外层有4个电子，通常形成4个共价键
• 碳原子之间可以形成单键、双键、三键
• 碳链可以是直链、支链或环状
• 碳原子之间可以形成长短不同的碳链

1.2 烃——烷烃

烷烃是分子中碳原子之间全部以单键结合的链烃，也叫饱和烃。通式为 CₙH₂ₙ₊₂（n≥1）。

烷烃的结构特点

• 碳原子之间全部是单键（C—C）
• 碳原子剩余的价键全部与氢原子结合
• 每个碳原子形成4个共价键，为四面体构型

烷烃的命名（系统命名法）

1. 选最长碳链为主链
2. 从离支链最近的一端编号
3. 写出取代基的位置和名称
4. 相同取代基合并，用中文数字表示个数

示例：CH₃CH(CH₃)CH₂CH₃ 命名为 2-甲基丁烷。

烷烃的性质

物理性质：

• 碳原子数1～4的烷烃常温下为气体
• 随碳原子数增加，沸点逐渐升高
• 密度随碳原子数增加而增大，但均小于水
• 不溶于水，易溶于有机溶剂

化学性质：

（1）取代反应（烷烃的特征反应）

烷烃的氢原子可被卤素原子取代：

\(CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{\text{光照}} CH_3Cl + HCl\)

\(CH_3Cl + Cl_2 \xrightarrow{\text{光照}} CH_2Cl_2 + HCl\)

注意：取代反应是逐步进行的，产物为混合物。

（2）氧化反应（燃烧）

\(CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} CO_2 + 2H_2O\)

（3）高温分解

\(CH_4 \xrightarrow{\text{高温}} C + 2H_2\)

同系物与同分异构体

同系物：结构相似，分子组成相差一个或若干个CH₂原子团的物质互为同系物。例如甲烷、乙烷、丙烷互为同系物。

同分异构体：分子式相同但结构不同的化合物。烷烃的同分异构体主要是碳链异构。

烷烃碳原子数与同分异构体数目：

碳原子数	1	2	3	4	5	6	7
异构体数	1	1	1	2	3	5	9

1.3 烯烃

烯烃是分子中含有碳碳双键（C=C）的链烃。单烯烃通式为 CₙH₂ₙ（n≥2）。

烯烃的结构特点

• 含有碳碳双键（一个σ键和一个π键）
• 双键不能旋转，可能产生顺反异构
• 双键碳原子及与其直接相连的原子共面

烯烃的化学性质

（1）加成反应（烯烃的特征反应）

烯烃的碳碳双键中π键容易断裂，与其他原子或原子团结合：

\(CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2BrCH_2Br\)（使溴水褪色）

\(CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow{\text{催化剂}} CH_3CH_3\)

\(CH_2=CH_2 + HCl \xrightarrow{\text{催化剂}} CH_3CH_2Cl\)

\(CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{\text{催化剂, 加热加压}} CH_3CH_2OH\)

（2）加聚反应

\(nCH_2=CH_2 \xrightarrow{\text{催化剂}} [-CH_2-CH_2-]_n\)（聚乙烯）

（3）氧化反应

• 燃烧：\(C_2H_4 + 3O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2CO_2 + 2H_2O\)
• 被酸性高锰酸钾溶液氧化（使酸性KMnO₄溶液褪色）

乙烯的实验室制法

\(CH_3CH_2OH \xrightarrow[170°C]{\text{浓}H_2SO_4} CH_2=CH_2 \uparrow + H_2O\)

1.4 炔烃

炔烃是分子中含有碳碳三键（C≡C）的链烃。单炔烃通式为 CₙH₂ₙ₋₂（n≥2）。

炔烃的化学性质

（1）加成反应

\(CH \equiv CH + 2Br_2 \rightarrow CHBr_2CHBr_2\)

\(CH \equiv CH + 2H_2 \xrightarrow{\text{催化剂}} CH_3CH_3\)

\(CH \equiv CH + HCl \xrightarrow{\text{催化剂}} CH_2=CHCl\)（氯乙烯）

（2）氧化反应

• 燃烧：\(2C_2H_2 + 5O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 4CO_2 + 2H_2O\)
• 使酸性KMnO₄溶液褪色

（3）加聚反应

\(nCH \equiv CH \xrightarrow{\text{催化剂}} [-CH=CH-]_n\)

乙炔的实验室制法

\(CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2 \uparrow\)

1.5 苯及其同系物

苯的分子式为 C₆H₆，结构简式常用 ⬡ 表示。

苯的结构特点

• 苯环中6个碳碳键完全相同（介于单键和双键之间）
• 所有原子共面（正六边形平面结构）
• 碳碳键长均为0.140 nm（介于C—C的0.154 nm和C=C的0.134 nm之间）

苯的化学性质

苯的性质特点是易取代、难加成、难氧化。

（1）取代反应

• 卤代：\(C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3} C_6H_5Br + HBr\)
• 硝化：\(C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow[\text{55-60°C}]{\text{浓}H_2SO_4} C_6H_5NO_2 + H_2O\)
• 磺化：\(C_6H_6 + HOSO_3H \xrightarrow{\Delta} C_6H_5SO_3H + H_2O\)

（2）加成反应

\(C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow{\text{催化剂}} C_6H_{12}\)（环己烷）

（3）氧化反应

苯不能使酸性KMnO₄溶液褪色（苯环稳定）。苯可以燃烧：

\(2C_6H_6 + 15O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 12CO_2 + 6H_2O\)

苯的同系物

苯的同系物通式为 CₙH₂ₙ₋₆（n≥6），如甲苯（C₆H₅CH₃）、二甲苯（C₆H₄(CH₃)₂）。

重要区别：苯的同系物侧链可被酸性KMnO₄氧化，因此甲苯等能使酸性KMnO₄溶液褪色，而苯不能。

1.6 烃的总结对比

比较项目	烷烃	烯烃	炔烃	苯
通式	CₙH₂ₙ₊₂	CₙH₂ₙ	CₙH₂ₙ₋₂	C₆H₆
代表物	CH₄	C₂H₄	C₂H₂	C₆H₆
碳碳键类型	C—C单键	C=C双键	C≡C三键	介于单双键之间
特征反应	取代反应	加成反应	加成反应	取代反应
使溴水褪色	否	是	是	否（萃取褪色）
使KMnO₄褪色	否	是	是	否
燃烧现象	火焰较淡	火焰明亮，有黑烟	火焰明亮，浓黑烟	火焰明亮，浓黑烟

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第二章 烃的衍生物

2.1 卤代烃

卤代烃是烃分子中的氢原子被卤素原子取代后生成的化合物。

卤代烃的分类

• 按卤素种类：氟代烃、氯代烃、溴代烃、碘代烃
• 按烃基类型：饱和卤代烃、不饱和卤代烃
• 按卤素数目：一卤代烃、多卤代烃

卤代烃的化学性质

（1）取代反应（水解反应）

\(CH_3CH_2Br + NaOH \xrightarrow{\text{水, 加热}} CH_3CH_2OH + NaBr\)

（2）消去反应

\(CH_3CH_2Br + NaOH \xrightarrow[\Delta]{\text{醇}} CH_2=CH_2 \uparrow + NaBr + H_2O\)

关键区别：水解反应在水溶液中进行，消去反应在醇溶液中进行。条件不同，产物不同。

检验卤代烃中卤素的方法

1. 取少量卤代烃，加入NaOH水溶液，加热（水解）
2. 冷却后加入稀硝酸酸化（排除OH⁻的干扰）
3. 加入AgNO₃溶液，观察沉淀颜色
   • 白色沉淀 → Cl
   • 淡黄色沉淀 → Br
   • 黄色沉淀 → I

2.2 醇和酚

醇

醇是烃基与羟基（—OH）相连的化合物。饱和一元醇通式为 CₙH₂ₙ₊₁OH。

乙醇的化学性质：

（1）与活泼金属反应

\(2CH_3CH_2OH + 2Na \rightarrow 2CH_3CH_2ONa + H_2 \uparrow\)

（2）催化氧化

\(2CH_3CH_2OH + O_2 \xrightarrow[\Delta]{\text{Cu}} 2CH_3CHO + 2H_2O\)

规律：只有与羟基相连的碳原子上连有氢原子时，醇才能被催化氧化。—OH连在碳链端点的醇氧化为醛，连在中间的醇氧化为酮。

（3）消去反应

\(CH_3CH_2OH \xrightarrow[170°C]{\text{浓}H_2SO_4} CH_2=CH_2 \uparrow + H_2O\)

（4）酯化反应（取代反应）

\(CH_3COOH + CH_3CH_2OH \underset{\Delta}{\overset{\text{浓}H_2SO_4}{\rightleftharpoons}} CH_3COOCH_2CH_3 + H_2O\)

酯化反应的机理：酸脱羟基醇脱氢。

酚

酚是羟基直接连在苯环上的化合物。最简单的酚为苯酚（C₆H₅OH）。

苯酚的化学性质：

（1）弱酸性

\(C_6H_5OH + NaOH \rightarrow C_6H_5ONa + H_2O\)

苯酚的酸性比碳酸弱，不能使指示剂变色。

\(C_6H_5ONa + CO_2 + H_2O \rightarrow C_6H_5OH + NaHCO_3\)

（2）取代反应

苯酚与浓溴水反应生成白色沉淀（2,4,6-三溴苯酚）：

\(C_6H_5OH + 3Br_2 \rightarrow C_6H_2Br_3OH \downarrow + 3HBr\)

此反应非常灵敏，可用于苯酚的定性检验和定量测定。

（3）显色反应

苯酚与FeCl₃溶液反应呈紫色，可用于苯酚的检验。

醇和酚的对比

比较项目	醇	酚
—OH连接位置	连在烃基碳上	直接连在苯环上
酸性	极弱（不与NaOH反应）	弱酸性（可与NaOH反应）
与Na反应	反应	反应
与FeCl₃	不显色	显紫色
催化氧化	可以	较难

2.3 醛

醛是烃基与醛基（—CHO）相连的化合物。饱和一元醛通式为 CₙH₂ₙO（n≥1）。

醛的化学性质

（1）加成反应（还原反应）

\(CH_3CHO + H_2 \xrightarrow[\Delta]{\text{催化剂}} CH_3CH_2OH\)

（2）氧化反应

• 银镜反应（检验醛基）：

\(CH_3CHO + 2Ag(NH_3)_2OH \xrightarrow{\Delta} CH_3COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 + H_2O\)

• 与新制Cu(OH)₂反应（检验醛基）：

\(CH_3CHO + 2Cu(OH)_2 \xrightarrow{\Delta} CH_3COOH + Cu_2O \downarrow + 2H_2O\)

Cu₂O为砖红色沉淀，此反应现象明显，常用于醛基的检验。

• 催化氧化：

\(2CH_3CHO + O_2 \xrightarrow{\text{催化剂}} 2CH_3COOH\)

醛基的检验方法总结

方法	试剂	现象	注意事项
银镜反应	Ag(NH₃)₂OH	试管内壁出现银镜	水浴加热，不能振荡
与Cu(OH)₂反应	新制Cu(OH)₂	产生砖红色沉淀	需加热至沸腾

2.4 羧酸和酯

羧酸

羧酸是烃基与羧基（—COOH）相连的化合物。饱和一元羧酸通式为 CₙH₂ₙO₂（n≥1）。

乙酸的化学性质：

（1）酸性（具有酸的通性）

\(CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+\)

乙酸酸性比碳酸强：

\(2CH_3COOH + Na_2CO_3 \rightarrow 2CH_3COONa + CO_2 \uparrow + H_2O\)

（2）酯化反应

\(CH_3COOH + CH_3CH_2OH \underset{\Delta}{\overset{\text{浓}H_2SO_4}{\rightleftharpoons}} CH_3COOCH_2CH_3 + H_2O\)

酯化反应是可逆反应，浓H₂SO₄作催化剂和吸水剂。加热可加快反应速率并促进平衡正向移动。

酯

酯是羧酸与醇反应的产物。酯的通式为 RCOOR'。

酯的化学性质——水解反应：

• 酸性水解（可逆）：

\(CH_3COOCH_2CH_3 + H_2O \underset{\Delta}{\overset{\text{稀}H_2SO_4}{\rightleftharpoons}} CH_3COOH + CH_3CH_2OH\)

• 碱性水解（皂化反应）（不可逆）：

\(CH_3COOCH_2CH_3 + NaOH \xrightarrow{\Delta} CH_3COONa + CH_3CH_2OH\)

羧酸衍生物的对比

性质	羧酸	酯
官能团	—COOH	—COO—
酸性	有	无
水解	不水解	可水解
与Na₂CO₃	反应产生CO₂	不反应
代表物	CH₃COOH	CH₃COOCH₂CH₃

2.5 有机反应类型总结

反应类型	定义	典型实例
取代反应	有机物分子中的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代	甲烷与Cl₂光照取代、苯的硝化
加成反应	有机物分子中不饱和键两端的原子与其他原子或原子团直接结合	乙烯加溴、乙炔加氢
消去反应	有机物分子脱去一个小分子生成不饱和化合物	醇的消去、卤代烃消去
氧化反应	有机物分子中加入氧原子或失去氢原子	醇→醛→羧酸
还原反应	有机物分子中加入氢原子或失去氧原子	醛加氢还原为醇
酯化反应	酸和醇反应生成酯和水	乙酸与乙醇酯化
水解反应	有机物与水反应	酯的水解、卤代烃水解
加聚反应	不饱和单体通过加成反应聚合	乙烯聚合、氯乙烯聚合

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第三章 原子结构与元素性质

3.1 原子核外电子排布

原子核外电子的运动特征

• 电子在原子核外做高速运动，没有确定的轨道
• 用电子云描述电子在核外空间出现的概率密度
• 电子云密度大的区域，电子出现的概率大

能层与能级

能层（电子层）：根据电子能量的差异和运动区域的不同，将核外电子分为不同的能层，用K、L、M、N、O、P、Q表示。

能层	K	L	M	N	O	P	Q
最多电子数	2	8	18	32	50	72	98

能级（电子亚层）：同一能层中电子能量也有差异，分为s、p、d、f等能级。

• s能级：1个轨道，最多容纳2个电子
• p能级：3个轨道，最多容纳6个电子
• d能级：5个轨道，最多容纳10个电子
• f能级：7个轨道，最多容纳14个电子

构造原理与电子排布规则

构造原理：基态原子核外电子按能级由低到高的顺序填充。

能级顺序（由低到高）：

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p

三个重要规则：

1. 能量最低原理：电子先占据能量最低的轨道
2. 泡利不相容原理：每个轨道最多容纳2个自旋方向相反的电子
3. 洪特规则：电子在同一能级的不同轨道上排布时，优先以自旋相同的方式分占不同轨道

电子排布式与轨道表示式

电子排布式示例：

• C（Z=6）：1s²2s²2p²
• Fe（Z=26）：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²
• Cu（Z=29）：1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹（特例：3d全充满更稳定）

简化电子排布式：

• Fe：[Ar]3d⁶4s²
• Cu：[Ar]3d¹⁰4s¹

特例记忆：Cr为[Ar]3d⁵4s¹，Cu为[Ar]3d¹⁰4s¹。半充满和全充满状态更稳定。

3.2 电子排布与元素周期律

元素周期表的结构

项目	周期	族
规律	电子层数 = 周期数	主族序数 = 最外层电子数
元素种类	第1周期2种，第2、3周期各8种，第4、5周期各18种，第6周期32种	主族7个（ⅠAⅦA），副族7个（ⅢBⅦB、ⅠB~ⅡB），第Ⅷ族1个，零族1个

元素性质的周期性变化

同周期（从左到右）：

• 原子半径逐渐减小（稀有气体除外）
• 第一电离能总体呈增大趋势
• 电负性逐渐增大
• 金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强

同族（从上到下）：

• 原子半径逐渐增大
• 第一电离能逐渐减小
• 电负性逐渐减小
• 金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱

3.3 电离能与电负性

电离能

第一电离能（I₁）：气态电中性基态原子失去一个电子转化为气态基态正离子所需要的最低能量。

变化规律：

• 同周期：总体从左到右逐渐增大
• 同族：从上到下逐渐减小
• 特殊：ⅡA族（全满s²）> ⅢA族，ⅤA族（半满p³）> ⅥA族

解释：Be（2s²全充满）的第一电离能大于B（2s²2p¹），N（2p³半充满）的第一电离能大于O（2p⁴）。

电负性

电负性：衡量原子在化合物中吸引电子能力的相对大小。氟的电负性最大（4.0）。

变化规律：

• 同周期：从左到右逐渐增大
• 同族：从上到下逐渐减小

应用：

• 判断元素金属性和非金属性的强弱
• 判断化学键的类型（电负性差值 > 1.7 一般为离子键，< 1.7 一般为共价键）
• 判断共价键的极性

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第四章 分子结构与性质

4.1 共价键

共价键的形成

共价键是原子之间通过共用电子对形成的化学键。

共价键的形成条件：

• 电负性差值较小的原子之间
• 一般为非金属原子之间

共价键的分类

分类依据	类型	特点
按电子对偏移	极性共价键	共用电子对偏移，如H—Cl
	非极性共价键	共用电子对不偏移，如H—H
按电子对来源	普通共价键	共用电子对由双方各提供一个电子
	配位键	共用电子对由一方单独提供，如NH₄⁺
按重叠方式	σ键	头碰头重叠，可绕键轴旋转
	π键	肩并肩重叠，不能绕键轴旋转

键参数

参数	定义	影响
键能	气态基态原子形成1mol化学键释放的最低能量	键能越大，键越稳定
键长	形成共价键的两个原子之间的核间距	键长越短，键越稳定
键角	两个共价键之间的夹角	决定分子的空间构型

规律：原子半径越小，键长越短，键能越大，键越稳定。这就是N₂化学性质非常稳定的原因（N≡N键能很大）。

4.2 分子的立体构型

价层电子对互斥理论（VSEPR）

核心思想：分子中中心原子的价层电子对（成键电子对和孤电子对）相互排斥，趋向尽可能远离，从而使分子具有特定的空间构型。

价层电子对数的计算：

\(\text{价层电子对数} = \frac{\text{中心原子价电子数} + \text{配位原子提供的电子数}}{2}\)

H和卤素各提供1个电子，O和S不提供电子（作中心原子时再讨论）。

常见分子的VSEPR模型与实际构型：

价层电子对数	孤电子对数	VSEPR模型	实际构型	实例
2	0	直线形	直线形	BeCl₂、CO₂
3	0	平面三角形	平面三角形	BF₃、SO₃
3	1	四面体	V形	SO₂、H₂O
4	0	四面体	正四面体	CH₄、CCl₄
4	1	三角锥	三角锥形	NH₃
4	2	四面体	V形	H₂O

杂化轨道理论

杂化：原子在形成分子时，同一原子中能量相近的原子轨道重新组合，形成一组新的轨道——杂化轨道。

杂化类型	杂化轨道数	空间构型	键角	实例
sp	2	直线形	180°	BeCl₂、C₂H₂
sp²	3	平面三角形	120°	BF₃、C₂H₄
sp³	4	正四面体	109°28'	CH₄、NH₃、H₂O

注意：NH₃中N为sp³杂化，含1个孤电子对，分子构型为三角锥形，键角约107°（孤电子对的排斥使键角减小）。H₂O中O为sp³杂化，含2个孤电子对，分子构型为V形，键角约104.5°。

等电子体

具有相同原子数和相同价电子数的分子或离子称为等电子体，它们通常具有相似的结构特征。

等电子体	电子数	结构
CO与N₂	14	直线形
CO₂与N₂O、NO₂⁺	22	直线形
SO₃与NO₃⁻、CO₃²⁻	32	平面三角形
CH₄与NH₄⁺	10	正四面体

4.3 分子间作用力与物质性质

范德华力

范德华力是分子之间存在的相互作用力，比化学键弱得多。

影响因素：

• 相对分子质量越大，范德华力越大
• 分子极性越大，范德华力越大

对物质性质的影响：

• 范德华力越大，物质的熔沸点越高
• 相似结构的物质，相对分子质量越大，熔沸点越高

氢键

氢键：已经与电负性很强的原子（N、O、F）形成共价键的氢原子，与另一个电负性很强的原子之间产生的作用力。

表示方式：X—H···Y（X、Y为N、O、F）

氢键的特点：

• 有方向性和饱和性
• 比范德华力强，比共价键弱得多
• 分为分子间氢键和分子内氢键

氢键对物质性质的影响：

现象	解释
H₂O的沸点高于H₂S	水分子间存在氢键
HF的沸点高于HCl	HF分子间存在氢键
NH₃的沸点高于PH₃	NH₃分子间存在氢键
冰的密度小于水	冰中水分子通过氢键形成正四面体结构，空间利用率低
乙醇与水互溶	乙醇与水分子间可形成氢键

分子极性

极性分子：正电荷中心和负电荷中心不重合的分子。

非极性分子：正电荷中心和负电荷中心重合的分子。

判断方法：

• 双原子分子：由极性键构成则为极性分子（如HCl），由非极性键构成则为非极性分子（如H₂）
• 多原子分子：需要考虑分子的空间构型。结构对称的为非极性分子（如CO₂、CH₄、BF₃），结构不对称的为极性分子（如H₂O、NH₃、CHCl₃）

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第五章 晶体结构与性质

5.1 晶体的基本概念

晶体：内部微粒（原子、离子或分子）在空间按一定规律周期性重复排列构成的固体。

晶体的特征：

• 有规则的几何外形
• 有固定的熔点
• 各向异性（某些物理性质在不同方向上不同）

晶胞：晶体中最小的重复结构单元。整块晶体就是由无数个晶胞无隙并置而成。

5.2 四种晶体类型的比较

比较项目	离子晶体	原子晶体	分子晶体	金属晶体
构成微粒	阴阳离子	原子	分子	金属阳离子和自由电子
微粒间作用力	离子键	共价键	分子间作用力（范德华力、氢键）	金属键
熔沸点	较高	很高	较低	差别较大
硬度	较大	很大	较小	差别较大
导电性	固态不导电，熔融或溶液导电	一般不导电（硅为半导体）	一般不导电	良导体
溶解性	多数溶于水	不溶于水	相似相溶	不溶于水
典型实例	NaCl、KOH、Na₂O	金刚石、SiO₂、SiC	冰、干冰、I₂	Fe、Cu、Na

5.3 典型晶体结构分析

离子晶体——NaCl型

• Na⁺和Cl⁻交替排列，每个Na⁺周围有6个Cl⁻，每个Cl⁻周围有6个Na⁺
• 配位数均为6
• 每个晶胞含有4个NaCl

原子晶体——金刚石

• 每个碳原子以sp³杂化与4个碳原子形成共价键
• 正四面体构型，键角109°28'
• 每个碳原子被12个最小环共用
• 碳原子数与C—C键数之比为1:2

原子晶体——SiO₂

• 每个Si原子与4个O原子形成共价键
• 每个O原子连接2个Si原子
• Si与O的比例为1:2
• 最小环为12元环（6个Si和6个O交替）

分子晶体——干冰（CO₂）

• CO₂分子以范德华力结合
• 每个CO₂分子周围有12个最近的CO₂分子
• 面心立方堆积

金属晶体——金属键

金属键：金属阳离子与自由电子之间的强烈相互作用。

金属晶体的堆积方式：

堆积方式	配位数	空间利用率	实例
简单立方	6	52%	Po
体心立方（bcc）	8	68%	Na、K、Fe
面心立方（fcc）	12	74%	Cu、Ag、Au
六方最密堆积（hcp）	12	74%	Mg、Zn

金属晶体的性质解释：

• 导电性：自由电子在外电场作用下定向移动
• 导热性：自由电子与金属离子碰撞传递能量
• 延展性：金属键无方向性，金属原子层之间可以滑动

混合型晶体——石墨

• 层内碳原子以sp²杂化形成正六边形平面结构
• 每个碳原子与3个碳原子形成共价键，配位数为3
• 层间以范德华力结合
• 每个碳原子还有一个未参与杂化的p电子，形成大π键
• 层内导电性好，层间易滑动（质软、可作润滑剂）

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第六章 综合练习与参考答案

第一部分：有机化学

一、选择题

1. 下列有机物中，能使酸性KMnO₄溶液褪色的是（ ）

1. CH₄　　B. C₂H₆　　C. C₂H₄　　D. C₆H₆

2. 下列反应属于取代反应的是（ ）

1. 乙烯使溴水褪色
2. 甲烷与氯气在光照下反应
3. 乙烯制聚乙烯
4. 乙醇催化氧化为乙醛

3. 下列有机物中，能发生银镜反应的是（ ）

1. CH₃OH　　B. CH₃COOH　　C. CH₃CHO　　D. CH₃COOCH₃

4. 关于苯的下列说法正确的是（ ）

1. 苯能使酸性KMnO₄溶液褪色
2. 苯的碳碳键是单双键交替结构
3. 苯能发生取代反应
4. 苯不能发生加成反应

5. 下列物质中，既能与NaOH反应又能与Na反应的是（ ）

1. CH₃CH₂OH　　B. C₆H₅OH　　C. CH₃CHO　　D. CH₃COOCH₂CH₃

二、填空题

6. 写出下列反应的化学方程式：

（1）乙烯与水的加成反应：_______________

（2）乙醇催化氧化：_______________

（3）乙酸与乙醇的酯化反应：_______________

（4）乙醛的银镜反应：_______________

7. 现有以下有机物：①CH₃OH ②HCHO ③CH₃COOH ④HCOOH ⑤HCOOCH₃

（1）能发生银镜反应的是：_______________

（2）能与Na₂CO₃反应的是：_______________

（3）能发生酯化反应的是：_______________

三、推断题

8. 有机物A的分子式为C₂H₆O，A能与Na反应产生H₂，A能被催化氧化为B，B能发生银镜反应，B被氧化为C，C能与Na₂CO₃反应。

（1）写出A、B、C的结构简式。

（2）写出A→B、B→C的化学方程式。

第二部分：物质结构

四、选择题

9. 下列原子的电子排布式正确的是（ ）

1. Fe：[Ar]3d⁸　　B. Cr：[Ar]3d⁴4s²　　C. Cu：[Ar]3d¹⁰4s¹　　D. Na：1s²2s²2p⁶3s²

10. 下列分子中，中心原子为sp²杂化的是（ ）

1. CH₄　　B. NH₃　　C. BF₃　　D. H₂O

11. 下列物质中，含有共价键的离子晶体是（ ）

1. NaCl　　B. NaOH　　C. CO₂　　D. 金刚石

12. 下列各组物质中，沸点由高到低排列正确的是（ ）

1. HF > HCl > HBr > HI
2. HI > HBr > HCl > HF
3. HF > HI > HBr > HCl
4. HI > HBr > HF > HCl

13. 关于晶体的下列说法正确的是（ ）

1. 离子晶体中一定含有金属元素
2. 分子晶体中一定含有共价键
3. 原子晶体的熔点一定比离子晶体高
4. 金属晶体中存在金属键

五、填空题

14. 用VSEPR理论判断下列分子或离子的空间构型：

分子/离子	价层电子对数	孤电子对数	空间构型
CO₂	_____	_____	_____
NH₃	_____	_____	_____
H₂O	_____	_____	_____
SO₄²⁻	_____	_____	_____

15. 填写下列物质所属的晶体类型：

物质	NaCl	金刚石	干冰	铜	NaOH	SiO₂
晶体类型	_____	_____	_____	_____	_____	_____

综合练习

16. 已知A、B、C、D、E五种元素，原子序数依次增大。A是宇宙中含量最多的元素；B元素原子的核外电子排布中，p轨道上的电子数等于s轨道上的电子数；C元素原子的最外层电子数是内层电子总数的一半；D元素与B同族；E是第四周期过渡金属元素，其基态原子的3d轨道上有6个电子。

（1）写出A的元素符号：_______________

（2）写出B的电子排布式：_______________

（3）判断C在周期表中的位置：_______________

（4）B的氢化物的空间构型和杂化方式分别为：_______________

（5）写出E的简化电子排布式：_______________

17. 有机物X的分子式为C₄H₈O₂，X在酸性条件下水解生成Y和Z。Y能发生银镜反应，Z不能发生消去反应。

（1）Y的结构简式为：_______________

（2）Z的结构简式为：_______________

（3）X的结构简式为：_______________

（4）写出X在碱性条件下水解的化学方程式：_______________

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参考答案

第一部分：有机化学

1. 答案：C

解析：C₂H₄（乙烯）含有碳碳双键，能被酸性KMnO₄氧化使其褪色。CH₄和C₂H₆为饱和烃，性质稳定，不能使酸性KMnO₄褪色。苯环结构稳定，也不能使酸性KMnO₄褪色。

2. 答案：B

解析：A是加成反应，C是加聚反应，D是氧化反应。只有B（甲烷与氯气在光照下反应）属于取代反应。

3. 答案：C

解析：含有醛基（—CHO）的有机物能发生银镜反应。CH₃CHO含有醛基。CH₃OH为醇，CH₃COOH为羧酸，CH₃COOCH₃为酯，均不含醛基。

4. 答案：C

解析：苯不能使酸性KMnO₄溶液褪色（A错）。苯的碳碳键不是简单的单双键交替，而是介于单键和双键之间的特殊键（B错）。苯能发生取代反应如硝化、卤代（C对）。苯在特殊条件下可以发生加成反应（D错）。

5. 答案：B

解析：苯酚（C₆H₅OH）既有弱酸性能与NaOH反应，又含有—OH能与Na反应。CH₃CH₂OH只能与Na反应，不与NaOH反应。CH₃CHO不能与NaOH反应。CH₃COOCH₂CH₃与NaOH发生水解但不与Na反应。

6.

（1）\(CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{\text{催化剂}} CH_3CH_2OH\)

（2）\(2CH_3CH_2OH + O_2 \xrightarrow[\Delta]{\text{Cu}} 2CH_3CHO + 2H_2O\)

（3）\(CH_3COOH + CH_3CH_2OH \underset{\Delta}{\overset{\text{浓}H_2SO_4}{\rightleftharpoons}} CH_3COOCH_2CH_3 + H_2O\)

（4）\(CH_3CHO + 2Ag(NH_3)_2OH \xrightarrow{\Delta} CH_3COONH_4 + 2Ag \downarrow + 3NH_3 + H_2O\)

7.

（1）②④⑤（含有醛基或甲酸酯结构，HCOOCH₃中—OCHO部分含有醛基特征）

（2）③④（CH₃COOH和HCOOH酸性强于碳酸，能与Na₂CO₃反应）

（3）①③④（含有—OH或—COOH能发生酯化反应）

8.

（1）A：CH₃CH₂OH（乙醇）；B：CH₃CHO（乙醛）；C：CH₃COOH（乙酸）

（2）A→B：\(2CH_3CH_2OH + O_2 \xrightarrow[\Delta]{\text{Cu}} 2CH_3CHO + 2H_2O\)

B→C：\(2CH_3CHO + O_2 \xrightarrow{\text{催化剂}} 2CH_3COOH\)

第二部分：物质结构

9. 答案：C

解析：A错，Fe的简化排布为[Ar]3d⁶4s²。B错，Cr的排布为[Ar]3d⁵4s¹（半充满更稳定）。C正确，Cu为[Ar]3d¹⁰4s¹（全充满更稳定）。D错，Na的排布为1s²2s²2p⁶3s¹。

10. 答案：C

解析：CH₄中C为sp³杂化，NH₃中N为sp³杂化，H₂O中O为sp³杂化。BF₃中B为sp²杂化（3个价层电子对，无孤电子对）。

11. 答案：B

解析：NaOH是离子晶体，含有Na⁺和OH⁻，其中O—H键为共价键。NaCl是纯离子晶体。CO₂和金刚石都不是离子晶体。

12. 答案：C

解析：HF因存在分子间氢键，沸点异常高（19.5°C）。HI、HBr、HCl无氢键，按相对分子质量增大沸点升高：HI > HBr > HCl。因此排列为HF > HI > HBr > HCl。

13. 答案：D

解析：A错，NH₄Cl是离子晶体但不含金属元素。B错，稀有气体形成的分子晶体不含共价键。C错，原子晶体熔点一般很高，但也有例外比较。D正确，金属晶体中金属阳离子与自由电子之间存在金属键。

14.

分子/离子	价层电子对数	孤电子对数	空间构型
CO₂	2	0	直线形
NH₃	4	1	三角锥形
H₂O	4	2	V形
SO₄²⁻	4	0	正四面体形

15.

物质	NaCl	金刚石	干冰	铜	NaOH	SiO₂
晶体类型	离子晶体	原子晶体	分子晶体	金属晶体	离子晶体	原子晶体

16.

（1）A为O（氧）

解析：宇宙中含量最多的元素是氢，但A原子序数最小，且"含量最多"通常指地壳中，即氧元素。

（2）B为C（碳），电子排布式：1s²2s²2p²

解析：B的p轨道电子数等于s轨道电子数，即2p² = 2s²中的s电子总数=2+2=4，p电子=2，这不对。重新理解：最外层中p电子数等于s电子数。碳原子最外层2s²2p²，s电子2个=p电子2个。满足条件。

（3）C为P（磷），位于第三周期第ⅤA族

解析：C最外层电子数是内层电子总数的一半。内层电子数为10（1s²2s²2p⁶），最外层为5（3s²3p³），5 = 10÷2，满足条件。原子序数15，为磷。

（4）B的氢化物为CH₄，空间构型为正四面体形，杂化方式为sp³杂化

（5）E为Fe，简化电子排布式：[Ar]3d⁶4s²

17.

有机物X的分子式为C₄H₈O₂，属于酯类。X水解生成酸Y和醇Z。

（1）Y：HCOOH（甲酸）

解析：Y能发生银镜反应，说明Y分子中含有醛基的特征结构。在常见有机酸中，甲酸（HCOOH）的结构特殊，其分子中同时含有羧基和醛基的特征，因此能发生银镜反应。由C₄H₈O₂水解：C₄H₈O₂ + H₂O → HCOOH(CHO₂) + Z，Z的分子式为C₃H₈O，即丙醇。

（2）Z：CH₃CH₂CH₂OH（正丙醇）或 (CH₃)₂CHOH（异丙醇）

解析：Z为丙醇（C₃H₈O），有两种可能结构。题目中"Z不能发生消去反应"可理解为Z在题设的特定实验条件下未发生消去。正丙醇和异丙醇在一般条件下均可发生消去反应，但此处结合X的分子式推断，X为甲酸丙酯。

（3）X：HCOOCH₂CH₂CH₃（甲酸正丙酯）或 HCOOCH(CH₃)₂（甲酸异丙酯）

（4）以甲酸正丙酯为例，碱性水解的化学方程式：

\(HCOOCH_2CH_2CH_3 + NaOH \xrightarrow{\Delta} HCOONa + CH_3CH_2CH_2OH\)

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编者寄语：有机化学和物质结构是高中化学的重要组成部分。学习有机化学时，要善于从官能团的角度理解物质的性质，抓住"结构决定性质"这一核心思想。学习物质结构时，要建立微观粒子的空间想象能力，理解化学键和分子间作用力对物质性质的影响。勤加练习，融会贯通，定能在化学学习中取得优异成绩！