IGCSE化学知识点有机反应复习 燃烧、裂解、水合一次get

本文为复习IGCSE模拟考的同学们集中整理了General Reactions、Alkane Reactions等有机反应的相关IGCSE化学知识点，原理、化学式、以及导师最爱的考法都在这里啦。

IGCSE化学知识点整体介绍

在IGCSE化学的学习中，同学们一般都会学到以下14个单元：微粒物质的性质；实验技术；原子、元素和化合物；化学计量学；电性能和化学性能；化学能量学；化学反应；酸、碱和盐；元素周期表；金属；空气和水；硫；碳酸盐；有机化学。

IGCSE化学知识点

General Reactions

燃烧 Combustion
Combustion应该是hydrocarbon的reactions中最常见的一种。
当hydrocarbons在氧气中被点燃时就会燃烧。这个过程中，所有的Carbon-Carbon bonds与Carbon-Hydrogen bonds都会断开。如果氧气充足，则会完全生成carbon dioxide（CO2）与water（H2O）。
拿Methane（CH4）做例子，它的燃烧方程式是这样的：

IGCSE化学偏爱考完全燃烧方程式的配平。那么我们来讲讲如何快速配平。
假设一个hydrocarbon完全燃烧，那么燃烧产物只有carbon dioxide与water。
因为只有carbon dioxide含有carbon元素，那么hydrocarbon里面的carbon全跑这儿来了。
同理，因为只有water含有hydrogen元素，那么hydrocarbon里面的hydrogen全在water里。
而因为在一个carbon dioxide分子中，一个carbon对应着两个oxygen，所以hydrocarbon里边每个carbon都会消耗两个oxygen atoms。所以有多少个carbon，就生成多少个carbon dioxide。
同理，在一个water分子中，两个hydrogen对应着一个oxygen，所以hydrocarbon里边每两个hydrogen都会消耗一个oxygen atom。所以，每两个hydrogen生成一个water。
那么，我们再把carbon所消耗的oxygen atom数量与hydrogen所消耗的oxygen atom数量加起来，就是总消耗oxygen atom数量了。
因为参加反应的是diatomic oxygem（O2）不是monoatmoic oxygen（O），所以我们得把oxygen atom的数量除以二，才能得到oxygen molecules的数量。
我们举个例子，pent-1-ene，C5H10：

01每个carbon对应两个oxygen，所以5个carbon对应10个oxygen，产生5个carbon dioxide。

02每两个hydrogen对应一个oxygen，所以十个hydrogen对应5个oxygen，产生5个water。

03加起来，总共消耗15个oxygen。

04除以二，消耗15/2个oxygen molecules。

05因为半整数方程式看起来不舒服，你也可以把总体乘以二。这样就是，两个C5H10消耗15个O2。产生10个carbon dioxide与10个water。

假如问题中的是alcohol，那么直接在总oxygen atom数量中减去alcohol中本来就有的oxygen atom数量，再除以二，配平。
比如，ethanol（C2H6O）：

01每个carbon对应两个oxygen，所以两个carbon对应四个oxygen，产生两个carbon dioxide。

02每两个hydrogen对应一个oxygen，所以六个hydrogen对应三个oxygen，产生三个water。

03加起来，总共消耗七个oxygen。

04因为ethanol本身提供有i个oxygen，所以需要7-1=6个外来的oxygen atoms。

05除以二，需要三个oxygen molecules。

IGCSE化学知识点

Alkane Reactions

裂解 Cracking
碳链很长的alkane在高温与催化剂的条件下，会断裂成若干个短一点的碳链，形成若干个小alkane和alkene碎片，有时也会产生hydrogen。这一过程被称为裂解（Cracking）。
注意，alkane在cracking的时候，一定会产生alkene。
（原因是，当一个大alkane，CnH（2n+2）断裂，产生一个小的alkane，CmH（2m+2）的时候，carbon数量减少了（n-m）个，而hydrogen数量减少了（2n+2-2m-2）个，所以是2（n-m）个。那么如果把这些减少的东西拼成一个化合物，那么它的化学式是CxH（2x），x=n-m。这是符合alkene的通式的。自己多推导几次就会发现，cracking一定产生alkene。不管其它产物有多少个alkane和hydrogen。）
比如，butane可以经由cracking变成ethane和ethene：

也就是说，hydrogen数量是carbon数量的刚好两倍时，这是一个alkene，或者是一个cyclic alkane。如果题目中指明了是straight chain hydrocarbon，那么就是alkene了。
对于cracking的题目，也就是让你补全方程式。看看题目里给的条件：是否已经表明了有hydrogen产生？生成一个alkane和一个alkene吗？
看清楚题目后，在分配hydrogen到carbon的时候，记得注意一下alkane与alkene的general formulae与配平问题。
氯取代 Chlorine Substitution
这个反应可以对任何含有hydrogen atom的hydrocarbon发生。
反应需要chlorine gas，并且有sunlight/ultraviolet light照射。因而，这个反应也被归类到光化学反应（Photochemical Reactions）中。

反应将会在所有的hydrogen atom都被subsitute掉后停止。
产物分别为用作有机溶剂的二氯甲烷，dichloromethane, 在曾经用作麻醉剂的氯仿，trichloromethane (chloroform), 与同样作为有机溶剂的四氯化碳，tetrachloromethane (carbon tetrachloride)。

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Alkene Reactions

溴化 Bromination
这是一个常见的test unsaturation的方法。
当aqueous bromine与alkene或者小环cycloalkane，比如cyclopropane，会发生反应。
对于alkene，是因为它的very reactive carbon-carbon double bond，所以很容易发生addition reaction。
而对于cyclopropane，则是因为其环张力。发生反应后，环被打开。这一过程被称为ring-opening。
这一addition reaction的结果就是，把水溶液中带有brown颜色的bromine给去除了。所以，反应发生的直观结果就是
aqueous bromine turns from brown to colorless。
注意，straight-chain alkane不会发生这种反应。
我们在这里举一个例子：ethene与aqueous bromine的反应：

生成的产物是液态，无色的1,2-dibromoethane。
水合 Hydration
之前提到了alkene的carbon-carbon double bond的high reactivity towardsaddition reactions，那么它和水也可以通过相似的方式反应。
当alkene与steam在高温高压以及催化剂存在的情况下可以进行addition reaction，形成alcohol。比如，ethene与steam的反应生成ethanol：

事实上，这其实是工业生产乙醇的方法之一。另外一个方法是通过酵母无氧分解葡萄糖。这一种方法可持续性更强，对环境更友好。
另外，这一反应的条件也是需要牢记的：
570摄氏度，60-70大气压，phosphoric acid催化剂。
加氢 Hydrogenation
同时，hydrogen gas也可以与alkene发生addition reaction，产生对应的alkane。
这个反应的条件也很苛刻，需要600摄氏度的高温，高压，以及催化剂，通常是Pd/C，Nickel （Ni）也常见。

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Alcohol Reactions

酯化 Esterification
当alcohol与carboxylic acid在concentrated sulfuric acid的催化下，会进行condensation/esterification reaction，dehydrate，并生成ester。
比如，ethanol与ethanoic acid生成ethyl ethanoate的过程：

注意此反应是可逆的。所以如果只想要正向反应，需要把水从反应体系中移除，推动平衡。
esterification reaction在polymer那期推送中有详细解释，在这里就不多讲了。一定要记得concentrated sulfuric aci的催化条件。
脱水 Dehydration
此反应为alkene hydration的逆反应，通常需要加热条件与silicon(IV) oxide (SiO2)的催化。反应即为，去除hydroxyl group（—OH），并把旁边的carbon上的hydrogen去除一个，再生成alkene。
这一反应属于elimination reaction，因为从一个物质生成了两个产物。同时，生成了一个degree of unsaturation。
Alcohol dehydration有时也可以被acid来catalyze。
比如，ethanol经过dehydration，生成ethene与water：

氧化 Oxidation
这是一个从alcohol生成carboxylic acid的方法。
简单来说，就是把一个alcohol的-CH-OH部分，氧化变成-COOH，也就是carboxyl group。
条件是acidified potassium manganate(VII)。
比如，propan-1-ol氧化变成propanoic acid：
在这一反应中，呈现出purple颜色的manganate(VII) ion被reduce了，所以反应现象是turn from purple to colourless。

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Carboxylic Acid Reactions

除了前面提到的esterification以外，carboxylic acid作为一个acid，也可以与alkali进行中和，生成carboxylate salt和water。

有机反应相关IGCSE化学知识点就整理到这里。 虽然目前各大考试局的IGCSE考试时间和已定，但是近期全球疫情仍不明朗，关于明年大考的形式目前还存在着很多不确定性，加上有不少科目考纲有变化，想锁定A*还是很有难度的。如果你还不知道如何根据新考试变动调整学习计划，点击预约试听【唯寻IGCSE同步培训班】——

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