建構(gòu)模型認(rèn)知 突破有機(jī)物分子中原子共平面問(wèn)題

■湖北省英山縣長(zhǎng)沖高級(jí)中學(xué) 張進(jìn)華

有機(jī)物分子中原子是否共平面問(wèn)題一直是高頻考點(diǎn),很多考生在解答該類(lèi)題目時(shí)感覺(jué)困難和棘手,并表現(xiàn)有兩種極端的情況:一種考生是謹(jǐn)小慎微、縮手縮腳,不敢合理聯(lián)想;另一種考生則天馬行空、主觀(guān)臆斷,隨意發(fā)揮。這兩種情況最后可能都會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。如何突破有機(jī)物原子共平面問(wèn)題? 關(guān)鍵是建構(gòu)模型認(rèn)知。首先要掌握教材里幾種典型的有機(jī)物分子空間結(jié)構(gòu)特征,這是證據(jù)推理的基礎(chǔ)。解題時(shí),依據(jù)題目所給有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn),變換不同的角度選定主體,從而把分子拆分為若干區(qū)塊,先對(duì)拆分的區(qū)塊逐一作局部分析,再將各區(qū)塊的情況綜合起來(lái),答案也就柳暗花明、水落石出了。

一、建構(gòu)模型認(rèn)知

1.建構(gòu)化學(xué)模型。

(1)熟悉幾種典型的有機(jī)物分子空間結(jié)構(gòu)。

甲烷為正四面體結(jié)構(gòu),鍵角109°28′,中心的碳原子與2 個(gè)氫原子共平面,余下的另外2 個(gè)氫原子一定不在此平面;乙烯為平面結(jié)構(gòu),2個(gè)碳原子與4個(gè)氫原子共平面,鍵角120°;乙炔為直線(xiàn)形結(jié)構(gòu),鍵角180°,2個(gè)碳原子與2 個(gè)氫原子在一條直線(xiàn)上;苯分子為平面正六邊形結(jié)構(gòu),6 個(gè)碳原子與6 個(gè)氫原子共平面;氨分子結(jié)構(gòu)為三角錐形,氮原子在錐頂,3個(gè)氫原子在錐底。具體結(jié)構(gòu)模型如下。

(2)等位代換不變?cè)瓌t。

甲烷、乙烯、乙炔、苯、甲醛等分子中的H原子如果被其他原子(如C、O、N、Cl等)所取代,則取代原子(如C、O、N、Cl等)處于原被取代H 原子位置,即取代后的分子構(gòu)型基本不變。

2.建構(gòu)數(shù)學(xué)模型的證據(jù)推理。

數(shù)學(xué)定理“不在同一直線(xiàn)上的三個(gè)點(diǎn)可以確定一個(gè)平面”,“如果一條直線(xiàn)上的兩個(gè)點(diǎn)在某個(gè)平面內(nèi),那么這條直線(xiàn)在這個(gè)平面內(nèi)”,是借助數(shù)學(xué)模型來(lái)推導(dǎo)有機(jī)物原子是否共平面的兩條重要推理證據(jù)。

3.建構(gòu)推理思維模型。

(1)形成共價(jià)單鍵的原子可以繞軸旋轉(zhuǎn),雙鍵、三鍵的原子不能繞軸旋轉(zhuǎn)。

(2)若結(jié)構(gòu)式中出現(xiàn)甲基(或飽和碳原子)的有機(jī)物,其分子中的所有原子就不可能共平面。

(3)將所給有機(jī)物的分子中一定有共面的結(jié)構(gòu)分別確定為平面M 和平面N,若兩個(gè)平面通過(guò)一個(gè)碳碳單鍵相連,則通過(guò)旋轉(zhuǎn)任意一個(gè)平面,可以達(dá)到兩個(gè)平面重合,此時(shí)該有機(jī)物分子中所有原子共平面。

(5)審題時(shí)一定要注意題目的要求,是“碳原子”還是“所有原子”,是“可能”還是“一定”,是“至少”還是“最多”,是“共線(xiàn)”還是“共平面”等。

二、典型例題解析

例1下列分子中的所有碳原子不可能在同一平面上的是( )。

解析:由于飽和碳原子上連接4 個(gè)共價(jià)鍵,構(gòu)成四面體,所以凡是含有飽和碳原子的化合物,分子中的所有原子就不可能是共面的。B項(xiàng)有機(jī)物中有連接3個(gè)碳原子的飽和碳原子,其所有碳原子不可能在同一平面上。

答案:B

例2描述CH3—CH CH—C═C—CF3分子結(jié)構(gòu)的下列敘述中,正確的是( )。

A.6個(gè)碳原子有可能都在一條直線(xiàn)上

B.6個(gè)碳原子不可能都在一條直線(xiàn)上

C.6個(gè)碳原子有可能都在同一平面上

D.6個(gè)碳原子不可能都在同一平面上

解析:根據(jù)題中分子所含有的甲烷、乙烯、乙炔結(jié)構(gòu)特征,該分子的碳鏈空間結(jié)構(gòu)可表示為或。乙烯的平面形結(jié)構(gòu)決定1、2、3、4號(hào)這4個(gè)碳原子在同一平面內(nèi),1、2、3 號(hào)(或2、3、4號(hào))3個(gè)碳原子有鍵角接近120°,所以6個(gè)碳原子不可能都在一條直線(xiàn)上;乙炔的直線(xiàn)形結(jié)構(gòu)-C≡C-決定了3、4、5、6號(hào)4個(gè)碳原子在同一直線(xiàn)上,而且該直線(xiàn)上3、4號(hào)2個(gè)碳原子已經(jīng)在前述平面上,因此這條直線(xiàn)在這個(gè)平面(如果一條直線(xiàn)上的兩個(gè)點(diǎn)在平面內(nèi),那么該直線(xiàn)在這個(gè)平面內(nèi)),總計(jì)有6個(gè)碳原子共面。

答案:B、C

例3已知碳碳單鍵可以繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn),有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為的烴,下列說(shuō)法中正確的是( )。

A.分子中至少有9 個(gè)碳原子處于同一平面上

B.分子中至少有10 個(gè)碳原子處于同一平面上

C.分子中至少有11 個(gè)碳原子處于同一平面上

D.分子中16個(gè)碳原子一定處于同一平面上

解析:題目所給的烴看起來(lái)比較復(fù)雜,若能從苯分子結(jié)構(gòu)特征入手分析,就很容易理解其空間結(jié)構(gòu)情況。先以分子中左邊的苯環(huán)為主體進(jìn)行研究(方便起見(jiàn),對(duì)該烴的部分碳原子做了編號(hào),它連接的兩個(gè)甲基的碳原子取代苯環(huán)氫原子位置,所以處于苯環(huán)這個(gè)平面,即左邊苯環(huán)上的6個(gè)碳原子與直接連在這個(gè)苯環(huán)上的2個(gè)甲基的碳原子共平面;同理可知編號(hào)為4 號(hào)的碳原子也處在左邊苯環(huán)平面上;根據(jù)苯環(huán)為平面正六邊形的幾何特點(diǎn),可推知編號(hào)為1、2、3、4、5、6的6個(gè)碳原子在一條直線(xiàn)上。綜合起來(lái),共有2 個(gè)(左邊的2 個(gè)甲基)+6 個(gè)(左邊的苯環(huán))+2個(gè)(4號(hào)、5號(hào)碳)+1 個(gè)(6號(hào)碳)=11個(gè)碳原子處于同一平面上。

答案:C

例4某烴的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為,有關(guān)其結(jié)構(gòu)說(shuō)法正確的是( )。

A.所有原子可能在同一平面上

B.所有原子可能在同一條直線(xiàn)上

C.所有碳原子可能在同一平面上

D.所有氫原子可能在同一平面上

解析:根據(jù)乙烯、苯為平面結(jié)構(gòu),乙炔為直線(xiàn)形結(jié)構(gòu),CH4為四面體結(jié)構(gòu)的特征,題中分子的結(jié)構(gòu)可用圖1中a、b表示。

圖1

單鍵能繞鍵軸旋轉(zhuǎn),雙鍵和三鍵不能繞鍵軸旋轉(zhuǎn),從a、b 2個(gè)圖示中可得:當(dāng)a、b中用虛線(xiàn)所圍的兩個(gè)面完全重合時(shí)共面的原子最多,此時(shí)所有的碳原子都共面,但共直線(xiàn)的碳原子只有a圖中編號(hào)的1、2、3、4、5等5個(gè)碳原子。由于分子中有—CH3,故不可能所有原子共平面。

答案:C

三、同步訓(xùn)練

(1)在同一直線(xiàn)上的原子最多有____個(gè)。

(2)一定在同一平面上的原子最多有____個(gè)。

(3)可能在同一平面上的原子最多有____個(gè)。

4.輔酶Q10具有預(yù)防動(dòng)脈硬化的功效,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式如下:

(1)輔酶Q10分子式為_(kāi)____,該分子中含有個(gè)甲基。

(2)分子中的四個(gè)氧原子____(填“在”或“不在”)同一平面。

A.4、3、6 B.4、3、8

C.2、5、4 D.4、4、6

同步訓(xùn)練答案:

1.(1)4 (2)12 (3)17

提示:一個(gè)苯環(huán)決定12 個(gè)原子共平面;三鍵決定4 個(gè)原子共直線(xiàn);羰基是鍵角約為120°平面結(jié)構(gòu)。

2.13

提示: 同一個(gè)苯環(huán)上6個(gè)碳原子及分子中心的一個(gè)碳原子共平面,加上另外一個(gè)苯環(huán)通過(guò)單鍵為軸旋轉(zhuǎn)到這個(gè)平面,所以最多6+1+6=13個(gè)碳原子共平面。

3.10

提示:參考本文例題3的分析思路,至少有1+6+2+1=10個(gè)碳原子處于同一平面。

4.(1)C59H90O414 (2)在

5.B

提示:根據(jù)有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可知,含有的飽和碳原子個(gè)數(shù)是4 個(gè);由于碳碳三鍵是直線(xiàn)形結(jié)構(gòu),而碳碳雙鍵是平面形結(jié)構(gòu),飽和碳原子都是四面體結(jié)構(gòu),則在同一直線(xiàn)上的碳原子數(shù)為3。又因?yàn)閱捂I是可以旋轉(zhuǎn)的,則在同一平面上的碳原子數(shù)最多為8 。