發(fā)表于《高中數(shù)理化》，也是即將由山東科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中學(xué)化學(xué)關(guān)鍵知識解讀》的一篇。
1．甲烷通入酸性高錳酸鉀溶液、溴水均無明顯變化，為什么還要做這樣的實(shí)驗(yàn)？
主要是為了跟后邊將要學(xué)習(xí)的烯烴、炔烴進(jìn)行比較。
甲烷及烷烴分子中只有碳碳單鍵(C-C)和碳?xì)鋯捂I（C-H），由于碳、氫元素原子半徑均較小且兩種元素的電負(fù)性（衡量元素非金屬性強(qiáng)弱的一個化學(xué)指標(biāo)）非常接近，故這兩種鍵鍵長小且極性弱。鍵長小則鍵能大，比較牢固；鍵的極性弱則不易受到外來試劑進(jìn)攻。
所以甲烷和烷烴的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，既不易跟酸性高錳酸鉀溶液發(fā)生氧化反應(yīng)，也不易跟溴水或溴的四氯化碳溶液發(fā)生加成、取代等反應(yīng)。
乙烯、乙炔則不同。它們分子內(nèi)有碳碳雙鍵或碳碳三鍵，這些不飽和鍵中均含有不穩(wěn)定的π鍵，一定條件下π鍵容易斷開發(fā)生氧化反應(yīng)或加成反應(yīng)。
故烯烴、炔烴均能使酸性高錳酸鉀溶液、溴水褪色。
2．乙烯被酸性高錳酸鉀溶液氧化變?yōu)?/span>CO2說明碳碳雙鍵完全被氧化斷了，碳碳雙鍵的鍵能比碳碳單鍵要大，那么為什么酸性高錳酸鉀溶液不能氧化乙烷呢？
我們看到的大多數(shù)化學(xué)方程式往往并不表示一步就能實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)，而是可能經(jīng)歷了很復(fù)雜的中間步驟。根據(jù)中性或堿性條件下乙烯被高錳酸鉀溶液氧化的產(chǎn)物為乙二醇（HO-CH2-CH2-OH）可以猜測，乙烯跟酸性高錳酸鉀溶液的作用可能是分步進(jìn)行的：
在氧化劑KMnO4作用下，首先π鍵被氧化斷開，形成乙二醇；
請注意，乙二醇分子里的碳碳單鍵已經(jīng)不同于乙烷中的碳碳單鍵了。
它兩邊碳原子上均連有氧原子，氧原子電負(fù)性大，具有強(qiáng)烈的吸引電子能力，對碳碳單鍵，甚至對碳?xì)滏I均具有較強(qiáng)的影響，使乙二醇的碳碳單鍵比乙烷的碳碳單鍵更易氧化斷裂，并一步步最終氧化形成CO2。
同樣道理，乙炔也能從π鍵的氧化開始，跟酸性高錳酸鉀溶液發(fā)生作用，使之褪色。
學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)，注意到并努力理解有機(jī)分子內(nèi)基團(tuán)間的相互影響，是一個非常重要的視角。
3．為什么烯烴跟鹵素單質(zhì)主要發(fā)生加成反應(yīng)而不是取代反應(yīng)？烯烴能不能跟鹵素發(fā)生取代反應(yīng)？
首先，烯烴分子中反應(yīng)的“活性中心”在碳碳雙鍵而非碳?xì)滏I，所以當(dāng)烯烴遇到鹵素分子時，是碳碳雙鍵里的π鍵率先參與反應(yīng)，具體表現(xiàn)就是發(fā)生加成反應(yīng)，形成鄰二鹵代烷。
其次我們還要注意，乙烯分子里的碳?xì)滏I跟乙烷分子里的碳?xì)滏I不同。因?yàn)橐蚁┡c乙烷分子里的碳原子雜化方式是不一樣的，前者采取sp2 雜化而后者取sp3 雜化。
sp2 雜化軌道因s 軌道成分多、p 軌道成分少，其長度要比sp3 雜化軌道短一點(diǎn)，它與氫原子所形成的鍵也就略短一點(diǎn)。
鍵長短則鍵能大，這也是乙烯分子里的碳?xì)滏I不易發(fā)生取代反應(yīng)的重要原因之一。
需要注意的是，并非所有烯烴都不能在一定條件下跟鹵素單質(zhì)發(fā)生取代反應(yīng)。如：
CH2=CH-CH3+ Cl2 500℃→ CH2=CH-CH2Cl + HCl
當(dāng)然，這里發(fā)生取代反應(yīng)的是甲基上的氫原子，斷的是sp3雜化軌道形成的碳?xì)滏I，并非碳碳雙鍵上的氫原子。
4．乙烯與乙炔的不飽和程度不同，哪一個更活潑呢？
很多人會想當(dāng)然地認(rèn)為“乙烯分子里只有一個π鍵，而乙炔分子里有2個π鍵，自然是乙炔更活潑些了”。
遺憾的是，這個看法是錯誤的，它是在缺少認(rèn)真思考、深入分析的情況下得到的結(jié)論。
通過比較乙烯、乙炔分別使同濃度溴水、同濃度酸性高錳酸鉀溶液褪色的速度可知，乙烯要比乙炔活潑得多。
讓我們從結(jié)構(gòu)上做一分析：
乙烯分子里碳-碳雙鍵中的σ鍵由sp2 雜化軌道結(jié)合形成，其鍵長相對較長（0.133 nm），這就導(dǎo)致兩邊未雜化的p軌道從側(cè)面重疊形成π鍵時，重疊程度相對較?。欢胰卜肿永锾?/span>-碳三鍵中的σ鍵由sp 雜化軌道結(jié)合形成，其鍵長較短（0.120 nm），導(dǎo)致兩邊未雜化的p軌道從側(cè)面重疊形成π鍵時，重疊程度相對較大；
我們知道，電子云重疊程度大，意味著形成的共價鍵牢固。
所以，即使比較乙烯和乙炔分子里單個π鍵的強(qiáng)度，就應(yīng)該是乙炔分子里的要牢固一些。另一方面，乙炔分子里有2個π鍵，π鍵的電子云把碳碳σ鍵及碳原子核“包裹得非常嚴(yán)密”，導(dǎo)致外來試劑很難對其進(jìn)攻，也是乙炔不太活潑的原因之一。
我們還可以用無機(jī)化學(xué)里的實(shí)例類比：
一個鈉原子在反應(yīng)中只能失去1個電子，而一個鋁原子可以失去3個電子。鈉跟鋁比，哪一個活潑呢？
顯然是鈉，因?yàn)楸容^活潑性看的是失去電子的難易，而非一個原子失去電子的數(shù)目。
5．溴的四氯化碳溶液與溴水在有機(jī)反應(yīng)中的作用有何不同？
有機(jī)化學(xué)里，在檢驗(yàn)碳碳雙鍵或三鍵時，常常用到溴。有時用溴水，有時用溴的四氯化碳溶液，這都是合理的。
因?yàn)闊o論溴水還是溴的四氯化碳溶液里，都含有Br2 分子，而我們需要的正是Br2 跟碳碳雙鍵或三鍵進(jìn)行加成反應(yīng)。
定性檢測時，用溴水或溴的四氯化碳溶液都可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>
但是，溴水與溴的四氯化碳溶液畢竟還是有差異的。具體分析如下：
一是化學(xué)成分有所不同：溴的四氯化碳溶液中，溴全部以Br2分子形式存在，故跟乙烯可以只發(fā)生加成反應(yīng)。
而溴水中，溴主要以Br2 分子形式存在，但也有很少一部分發(fā)生了歧化：Br2 + H2O? HBr + HBrO。生成的次溴酸具有很強(qiáng)的氧化性，可以使乙烯、乙炔等發(fā)生復(fù)雜的氧化反應(yīng)。
其次，由于水分子是極性分子，它對Br2分子的極化作用大，容易使溴分子變?yōu)橐欢藥Р糠终姾?、一端帶部分?fù)電荷的狀態(tài)，更易參與反應(yīng)。
另外，溴水里還含有OH-、H+等，也會對烯烴、炔烴與溴的加成反應(yīng)產(chǎn)物造成影響，如乙烯與溴水的加成產(chǎn)物里，除預(yù)期的1,2-二溴乙烷外，還能檢測到一定比例的2-溴乙醇：Br-CH2CH2-OH。
二是跟烯烴、炔烴作用的時間有所不同：
比如乙烯，通入溴水時，由于乙烯不易溶于水，反應(yīng)只能在氣泡表面上進(jìn)行，而一個氣泡在溶液里停留的時間有限，可能未反應(yīng)完就離開了溶液，容易造成反應(yīng)不充分；
而溴的四氯化碳溶液可以溶解乙烯，乙烯與溴分子可在CCl4溶劑內(nèi)均勻混合、充分接觸，這樣就可以使乙烯反應(yīng)更充分一些。
聯(lián)系客服
