有机物与碳骨架

汽油在发动机里燃烧、塑料袋装满蔬菜、衣服上的棉纤维、餐桌上的糖和油脂，这些看似毫不相干的物质，其实都由同一种元素牵起骨架——碳。把碳原子连成链、绕成环，再挂上别的原子，就能拼出几千万种结构各异的物质。认识有机物，先要弄清两件事：哪些物质算作有机物，以及碳凭什么能搭起如此庞大的物质家族。

理解了碳骨架的搭建方式，后面遇到的烷烃、烯烃、醇、酸，本质上都只是“同一套碳骨架配上不同零件”，学习的脉络也就清晰起来。

从生活物质走进有机物

厨房里炒菜冒的油烟、点燃的蜡烛、酿酒得到的酒精，都是含碳的物质在发生变化。早期化学家发现，从动植物体内提取的物质（如糖、油脂、尿素）与矿石、食盐这类来自矿物的物质，性质差别很大，于是把前者称为“有机物”，意思是“有生命力才能合成”，后者称为“无机物”。

这种看法在 $1828$ 年被打破。德国化学家维勒在加热无机盐氰酸铵时，意外得到了本属于动物尿液成分的尿素：

$\text{NH}_4\text{OCN} \xrightarrow{\Delta} \text{CO(NH}_2)_2$

一种无机物在实验室里变成了“有机物”，说明有机物并不依赖什么神秘的生命力，完全可以人工合成。从此，有机物的定义不再和生命挂钩，而是回到物质组成本身。

今天所说的有机物，指的是含碳的化合物，简称碳化合物；但一氧化碳、二氧化碳、碳酸、碳酸盐、碳化物（如碳化钙）这些物质，虽然含碳，性质却更接近无机物，习惯上仍归入无机物。

有机物和无机物在性质上往往呈现鲜明差异，下表把日常能观察到的几条规律整理出来：

例题

下列物质中，属于有机物的是（　　）

A. 食盐 $\text{NaCl}$ 　　B. 葡萄糖 $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ 　　C. 碳酸钙 $\text{CaCO}_3$ 　　D. 二氧化碳 $\text{CO}_2$

食盐不含碳，是典型无机物，排除 A。碳酸钙、二氧化碳虽含碳，但性质接近无机物，按习惯归入无机物，排除 C、D。葡萄糖含碳、氢、氧，来自食物，是典型有机物。答案为 B。

碳为什么能成为骨架

要回答“碳凭什么撑起几千万种有机物”，得从碳原子的成键能力说起。碳原子最外层有 $4$ 个电子，既不容易失去全部电子，也不容易再夺来 $4$ 个电子，于是它选择和别的原子共用电子对，一共形成 $4$ 条共价键。这个“四价”特性，是碳骨架的根本原因。

更关键的是，碳原子不仅能和氢、氧、氮成键，还能牢固地和其他碳原子相连，一个接一个，几乎不受数目限制。碳和碳之间既能共用一对电子形成单键，也能共用两对、三对电子形成双键、叁键：

无论怎样成键，每个碳原子伸出的“键”总数始终是 $4$ 。以最简单的甲烷为例， $1$ 个碳连着 $4$ 个氢，刚好用满四条键：

$\text{CH}_4：\quad \text{H}-\overset{\displaystyle H}{\underset{\displaystyle H}{\text{C}}}-\text{H}$

判断有机物结构是否合理，一个最实用的办法就是“数键”：每个碳必须恰好连出 $4$ 条键，每个氢连出 $1$ 条键，每个氧连出 $2$ 条键。如果某个碳只连了 $3$ 条键，说明结构写错了，或者漏掉了一个氢。

例题

在化合物乙醇 $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$ 中，与碳原子相连的化学键共用满四价的规律是否成立？请以两个碳原子分别说明。

左边碳（ $\text{CH}_3$ ）：连着 $3$ 个氢和 $1$ 个碳， $3+1=4$ 条键，满足四价。右边碳（ $\text{CH}_2$ 中的碳）：连着 $2$ 个氢、 $1$ 个碳和 $1$ 个氧， $2+1+1=4$ 条键，同样满足四价。两个碳都恰好连出 $4$ 条键，结构合理。

碳骨架的基本形态

碳原子相互连接的方式不同，搭出的骨架形状也不同。把碳骨架看作物质的“主梁”，常见的形态可以分成链状和环状两大类，链状又分直链和带支链两种。

正丁烷和异丁烷是个很有意思的对比：两者分子式都是 $\text{C}_4\text{H}_{10}$ ，原子种类和数目完全一样，只因为碳骨架一个是直链、一个带支链，就成了沸点、性质都不同的两种物质。这种“同分子式、不同骨架”的现象，正是有机物种类极多的重要原因之一。

环状骨架在生活中也随处可见，例如汽油中的环己烷、卫生球里的萘，都属于环状结构。骨架形态决定了物质的“身材”，而挂在骨架上的原子或原子团，则进一步决定它的“性格”。

例题

分子式同为 $\text{C}_4\text{H}_{10}$ 的正丁烷和异丁烷，性质并不相同，原因是什么？

两者原子种类与数目完全相同，区别只在碳骨架的连接方式：正丁烷是四个碳排成的直链，异丁烷则是三个碳的主链上带一个甲基支链。骨架形状不同，分子的空间结构随之改变，因此熔沸点等物理性质出现差异。这说明决定有机物性质的不只是“有哪些原子”，还包括“原子怎样连接”。

有机物的表示方法

同一种有机物，可以用繁简不同的几种式子来表示。式子写得越简略，越方便书写；写得越详细，越能看清原子的连接方式。学会在它们之间互相转换，是读懂有机物的基本功。

键线式看起来最“省事”，规则是：每条线段的端点和折点都代表一个碳原子，碳上没画出的键默认连着氢，把碳补足到四价为止。例如一条“之”字形折线有几个拐点和端点，就有几个碳。这种写法在碳数较多时尤其方便，画起来一目了然。

读键线式时千万别漏数氢。键线式里碳上的氢一律不写，需要自己根据“碳为四价”去补全。比如键线式中某个端点的碳只连了一条线（即一个碳碳键），那它还连着 $3$ 个氢；中间拐点的碳连了两条线，则还连着 $2$ 个氢。

例题

把丙烷的结构简式 $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_3$ 改写成分子式。

数出碳原子： $\text{CH}_3$ 、 $\text{CH}_2$ 、 $\text{CH}_3$ 共 $3$ 个碳。数出氢原子： $3+2+3=8$ 个氢。合起来分子式为 $\text{C}_3\text{H}_8$ 。可以验证：两端碳各连 $3$ 氢加 $1$ 碳、中间碳连 $2$ 氢加 $2$ 碳，全部满足四价，结构成立。

有机物的主要特点

把前面对一个个例子的观察归拢起来，可以总结出有机物在性质上的几条共性。这些特点不是死规定，而是由“碳骨架 + 共价键”的结构决定的，理解了来源就不必硬背。

理解这些共性后，再看任何一种新的有机物，都可以先按这张表预估它的大致脾气，再去关注它独有的细节。

有机物的种类已知有几千万种，远超无机物，根源就在于碳原子既能成四价、又能彼此牢固相连，从而搭出长短不一、形态各异的骨架；再加上骨架上可以挂载不同的原子团，组合方式近乎无穷。抓住“碳骨架”这条主线，纷繁的有机物就有了统一的理解框架。

练习题

第 1 题

下列物质中，全部属于有机物的一组是（　　）

A. 甲烷 $\text{CH}_4$ 、酒精 $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ 、葡萄糖 $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$

B. 二氧化碳 $\text{CO}_2$ 、碳酸钠 $\text{Na}_2\text{CO}_3$ 、甲烷 $\text{CH}_4$

C. 食盐 $\text{NaCl}$ 、水 $\text{H}_2\text{O}$ 、酒精 $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$

D. 一氧化碳 $\text{CO}$ 、碳酸 $\text{H}_2\text{CO}_3$ 、葡萄糖 $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$

答案：A

A 组三者都含碳，且都是性质接近有机物的碳化合物，全部属于有机物，正确。

B 组中二氧化碳、碳酸钠虽含碳，但习惯上归入无机物，错误。

C 组的食盐、水均不含碳，不是有机物，错误。

D 组的一氧化碳、碳酸属于习惯上归入无机物的含碳物质，错误。

知识点：有机物的定义与含碳无机物的辨别（ $\text{CO}$ 、 $\text{CO}_2$ 、碳酸及碳酸盐属无机物）

第 2 题

关于碳原子成键的说法，正确的是（　　）

A. 碳原子最外层有 $4$ 个电子，在有机物中一定形成 $4$ 条共价键

B. 碳原子之间只能形成单键，不能形成双键或叁键

C. 碳原子既不能与碳相连，也不能与氢、氧相连

D. 碳原子在有机物中可以连出 $3$ 条键

答案：A

A 正确：碳原子有 $4$ 个最外层电子，在有机物中以共价键形式连出 $4$ 条键，即“四价”。

B 错误：碳碳之间可形成单键（乙烷）、双键（乙烯）、叁键（乙炔）。

C 错误：碳原子既能与碳相连成骨架，也能与氢、氧、氮等成键。

D 错误：碳在有机物中必为四价，连出 $3$ 条键说明结构写错或漏写了氢。

知识点：碳的四价特性与碳碳单键、双键、叁键

第 3 题

正丁烷与异丁烷的分子式都是 $\text{C}_4\text{H}_{10}$ ，但二者是不同的物质，根本原因是（　　）

A. 含碳、氢原子的数目不同

B. 碳骨架的连接方式不同

C. 一个是有机物，另一个是无机物

D. 两者所含元素种类不同

第 4 题

下列关于有机物一般性质的描述，错误的是（　　）

A. 大多数有机物容易燃烧

B. 多数有机物的熔点、沸点较低

C. 多数有机物易溶于水，难溶于汽油

D. 多数有机物是非电解质，溶于水难导电

第 5 题（计算题）

乙醇的分子式为 $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ （可写作 $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$ ）。已知相对原子质量 $\text{C}{=}12$ 、 $\text{H}{=}1$ 、 $\text{O}{=}16$ 。

（1）计算乙醇的相对分子质量；

（2）计算乙醇中碳元素的质量分数（结果保留到 $0.1\%$ ）。

解题过程：

（1）按分子式 $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$ 累加各原子的相对原子质量：

$M(\text{C}_2\text{H}_6\text{O}) = 12\times 2 + 1\times 6 + 16\times 1 = 24 + 6 + 16 = 46$

（2）碳元素的质量分数等于碳的总质量占相对分子质量的比例：

$w(\text{C}) = \frac{12\times 2}{46}\times 100\% = \frac{24}{46}\times 100\% \approx 52.2\%$

答：乙醇的相对分子质量为 $46$ ，其中碳元素的质量分数约为 $52.2\%$ 。

知识点：由分子式计算相对分子质量与元素质量分数

第 6 题（计算题）

某有机物只含碳、氢两种元素。完全燃烧 $0.1\ \text{mol}$ 该有机物，得到 $0.2\ \text{mol}$ 二氧化碳和 $0.3\ \text{mol}$ 水。已知相对原子质量 $\text{C}{=}12$ 、 $\text{H}{=}1$ 。

（1）求 $1\ \text{mol}$ 该有机物中含碳原子、氢原子各多少摩尔；

（2）写出该有机物的分子式，并求其相对分子质量。

解题过程：

（1）碳元素全部转入二氧化碳，氢元素全部转入水。

$0.1\ \text{mol}$ 有机物生成 $0.2\ \text{mol}\ \text{CO}_2$ ，其中碳原子为 $0.2\ \text{mol}$ ；生成 $0.3\ \text{mol}\ \text{H}_2\text{O}$ ，每个水含 $2$ 个氢，氢原子为 $0.3\times 2 = 0.6\ \text{mol}$ 。

折算到 $1\ \text{mol}$ 有机物：

$n(\text{C}) = \frac{0.2}{0.1} = 2\ \text{mol}，\quad n(\text{H}) = \frac{0.6}{0.1} = 6\ \text{mol}$

（2）每个分子含 $2$ 个碳、 $6$ 个氢，分子式为 $\text{C}_2\text{H}_6$ （乙烷）。相对分子质量：

$M(\text{C}_2\text{H}_6) = 12\times 2 + 1\times 6 = 30$

答： $1\ \text{mol}$ 该有机物含碳 $2\ \text{mol}$ 、氢 $6\ \text{mol}$ ，分子式为 $\text{C}_2\text{H}_6$ ，相对分子质量为 $30$ 。

知识点：由燃烧产物确定有机物的分子式（碳进二氧化碳、氢进水）

有机物与碳骨架

理解了碳骨架的搭建方式，后面遇到的烷烃、烯烃、醇、酸，本质上都只是“同一套碳骨架配上不同零件”，学习的脉络也就清晰起来。

从生活物质走进有机物

这种看法在 $1828$ 年被打破。德国化学家维勒在加热无机盐氰酸铵时，意外得到了本属于动物尿液成分的尿素：

$\text{NH}_4\text{OCN} \xrightarrow{\Delta} \text{CO(NH}_2)_2$

有机物和无机物在性质上往往呈现鲜明差异，下表把日常能观察到的几条规律整理出来：

例题

下列物质中，属于有机物的是（　　）

A. 食盐 $\text{NaCl}$ 　　B. 葡萄糖 $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ 　　C. 碳酸钙 $\text{CaCO}_3$ 　　D. 二氧化碳 $\text{CO}_2$

食盐不含碳，是典型无机物，排除 A。碳酸钙、二氧化碳虽含碳，但性质接近无机物，按习惯归入无机物，排除 C、D。葡萄糖含碳、氢、氧，来自食物，是典型有机物。答案为 B。

碳为什么能成为骨架

无论怎样成键，每个碳原子伸出的“键”总数始终是 $4$ 。以最简单的甲烷为例， $1$ 个碳连着 $4$ 个氢，刚好用满四条键：

$\text{CH}_4：\quad \text{H}-\overset{\displaystyle H}{\underset{\displaystyle H}{\text{C}}}-\text{H}$

例题

在化合物乙醇 $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$ 中，与碳原子相连的化学键共用满四价的规律是否成立？请以两个碳原子分别说明。

左边碳（ $\text{CH}_3$ ）：连着 $3$ 个氢和 $1$ 个碳， $3+1=4$ 条键，满足四价。右边碳（ $\text{CH}_2$ 中的碳）：连着 $2$ 个氢、 $1$ 个碳和 $1$ 个氧， $2+1+1=4$ 条键，同样满足四价。两个碳都恰好连出 $4$ 条键，结构合理。

碳骨架的基本形态

例题

分子式同为 $\text{C}_4\text{H}_{10}$ 的正丁烷和异丁烷，性质并不相同，原因是什么？

两者原子种类与数目完全相同，区别只在碳骨架的连接方式：正丁烷是四个碳排成的直链，异丁烷则是三个碳的主链上带一个甲基支链。骨架形状不同，分子的空间结构随之改变，因此熔沸点等物理性质出现差异。这说明决定有机物性质的不只是“有哪些原子”，还包括“原子怎样连接”。

有机物的表示方法

例题

把丙烷的结构简式 $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_3$ 改写成分子式。

数出碳原子： $\text{CH}_3$ 、 $\text{CH}_2$ 、 $\text{CH}_3$ 共 $3$ 个碳。数出氢原子： $3+2+3=8$ 个氢。合起来分子式为 $\text{C}_3\text{H}_8$ 。可以验证：两端碳各连 $3$ 氢加 $1$ 碳、中间碳连 $2$ 氢加 $2$ 碳，全部满足四价，结构成立。

有机物的主要特点

理解这些共性后，再看任何一种新的有机物，都可以先按这张表预估它的大致脾气，再去关注它独有的细节。

练习题

第 1 题

下列物质中，全部属于有机物的一组是（　　）

A. 甲烷 $\text{CH}_4$ 、酒精 $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ 、葡萄糖 $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$

B. 二氧化碳 $\text{CO}_2$ 、碳酸钠 $\text{Na}_2\text{CO}_3$ 、甲烷 $\text{CH}_4$

C. 食盐 $\text{NaCl}$ 、水 $\text{H}_2\text{O}$ 、酒精 $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$

D. 一氧化碳 $\text{CO}$ 、碳酸 $\text{H}_2\text{CO}_3$ 、葡萄糖 $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$

答案：A

A 组三者都含碳，且都是性质接近有机物的碳化合物，全部属于有机物，正确。

B 组中二氧化碳、碳酸钠虽含碳，但习惯上归入无机物，错误。

C 组的食盐、水均不含碳，不是有机物，错误。

D 组的一氧化碳、碳酸属于习惯上归入无机物的含碳物质，错误。

知识点：有机物的定义与含碳无机物的辨别（ $\text{CO}$ 、 $\text{CO}_2$ 、碳酸及碳酸盐属无机物）

第 2 题

关于碳原子成键的说法，正确的是（　　）

A. 碳原子最外层有 $4$ 个电子，在有机物中一定形成 $4$ 条共价键

B. 碳原子之间只能形成单键，不能形成双键或叁键

C. 碳原子既不能与碳相连，也不能与氢、氧相连

D. 碳原子在有机物中可以连出 $3$ 条键

答案：A

A 正确：碳原子有 $4$ 个最外层电子，在有机物中以共价键形式连出 $4$ 条键，即“四价”。

B 错误：碳碳之间可形成单键（乙烷）、双键（乙烯）、叁键（乙炔）。

C 错误：碳原子既能与碳相连成骨架，也能与氢、氧、氮等成键。

D 错误：碳在有机物中必为四价，连出 $3$ 条键说明结构写错或漏写了氢。

知识点：碳的四价特性与碳碳单键、双键、叁键

第 3 题

正丁烷与异丁烷的分子式都是 $\text{C}_4\text{H}_{10}$ ，但二者是不同的物质，根本原因是（　　）

A. 含碳、氢原子的数目不同

B. 碳骨架的连接方式不同

C. 一个是有机物，另一个是无机物

D. 两者所含元素种类不同

第 4 题

下列关于有机物一般性质的描述，错误的是（　　）

A. 大多数有机物容易燃烧

B. 多数有机物的熔点、沸点较低

C. 多数有机物易溶于水，难溶于汽油

D. 多数有机物是非电解质，溶于水难导电

第 5 题（计算题）

乙醇的分子式为 $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ （可写作 $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$ ）。已知相对原子质量 $\text{C}{=}12$ 、 $\text{H}{=}1$ 、 $\text{O}{=}16$ 。

（1）计算乙醇的相对分子质量；

（2）计算乙醇中碳元素的质量分数（结果保留到 $0.1\%$ ）。

解题过程：

（1）按分子式 $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$ 累加各原子的相对原子质量：

$M(\text{C}_2\text{H}_6\text{O}) = 12\times 2 + 1\times 6 + 16\times 1 = 24 + 6 + 16 = 46$

（2）碳元素的质量分数等于碳的总质量占相对分子质量的比例：

$w(\text{C}) = \frac{12\times 2}{46}\times 100\% = \frac{24}{46}\times 100\% \approx 52.2\%$

答：乙醇的相对分子质量为 $46$ ，其中碳元素的质量分数约为 $52.2\%$ 。

知识点：由分子式计算相对分子质量与元素质量分数

第 6 题（计算题）

（1）求 $1\ \text{mol}$ 该有机物中含碳原子、氢原子各多少摩尔；

（2）写出该有机物的分子式，并求其相对分子质量。

解题过程：

（1）碳元素全部转入二氧化碳，氢元素全部转入水。

折算到 $1\ \text{mol}$ 有机物：

$n(\text{C}) = \frac{0.2}{0.1} = 2\ \text{mol}，\quad n(\text{H}) = \frac{0.6}{0.1} = 6\ \text{mol}$

（2）每个分子含 $2$ 个碳、 $6$ 个氢，分子式为 $\text{C}_2\text{H}_6$ （乙烷）。相对分子质量：

$M(\text{C}_2\text{H}_6) = 12\times 2 + 1\times 6 = 30$

答： $1\ \text{mol}$ 该有机物含碳 $2\ \text{mol}$ 、氢 $6\ \text{mol}$ ，分子式为 $\text{C}_2\text{H}_6$ ，相对分子质量为 $30$ 。

知识点：由燃烧产物确定有机物的分子式（碳进二氧化碳、氢进水）