確定有機(jī)物分子式的類(lèi)型及策略

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■湖北省武漢市黃陂區(qū)第一中學(xué)盤(pán)龍校區(qū) 許又紅

正確確定有機(jī)物分子式是有機(jī)化學(xué)中的重要基礎(chǔ)技能。根據(jù)不同條件和類(lèi)型有下列多種策略可以幫助大家熟練確定有機(jī)物分子式。

一、直接法

直接根據(jù)有機(jī)物的摩爾質(zhì)量(或相對(duì)分子質(zhì)量)和各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，求出1mol該有機(jī)物中各元素原子的物質(zhì)的量，再確定分子式。

例1科學(xué)家新合成一種化合物X。用質(zhì)譜法測(cè)得X的相對(duì)分子質(zhì)量為64；X含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93.8%，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.2%；核磁共振顯示，X分子中有3種化學(xué)環(huán)境不同的氫原子和4種化學(xué)環(huán)境不同的碳原子；X分子中同時(shí)存在C—C、C═C和C≡C3種鍵，并發(fā)現(xiàn)其中C═C鍵比乙烯中的C═C鍵略短一些。

(1)寫(xiě)出X的分子式：___。

(2)根據(jù)題中信息，分析得出X可能的結(jié)構(gòu)式：___。

解析：由題意可知，該化合物的1個(gè)分子中含有的碳原子數(shù)是；含有的氫原子數(shù)為。故該化合物的分子式為C5H4。

雖然該分子只有5個(gè)碳原子，但確定其結(jié)構(gòu)并不容易。首先計(jì)算其不飽和度：。4個(gè)不飽和度，分子中存在C═ C、C≡C(至少各1個(gè)，由此形成的不飽和度至少為3)，則另1個(gè)不飽和度可能是1個(gè)碳碳雙鍵，或1個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。這樣，結(jié)合題目中“有3種化學(xué)環(huán)境不同的氫原子和4種化學(xué)環(huán)境不同的碳原子”的信息，在鏈狀結(jié)構(gòu)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過(guò)反復(fù)試寫(xiě)，可以得到符合題意的X的結(jié)構(gòu)。

答案：(1)C5H4

二、最簡(jiǎn)式法

根據(jù)有機(jī)物各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)求出分子組成中各元素的原子個(gè)數(shù)之比(最簡(jiǎn)式即實(shí)驗(yàn)式)，然后結(jié)合該有機(jī)物的摩爾質(zhì)量(或相對(duì)分子質(zhì)量)求有機(jī)物的分子式。這是最基本的方法。

例2我國(guó)產(chǎn)的喜樹(shù)中可提取一種生物堿，這種生物堿的相對(duì)分子質(zhì)量約為300～400，經(jīng)分析可知其質(zhì)量組成為C6 9%、H4.6%、O1 8.4%、N8.0%。則其實(shí)驗(yàn)式為_(kāi)___，相對(duì)分子質(zhì)量為_(kāi)___，分子式為_(kāi)___。

解析：先求生物堿的實(shí)驗(yàn)式。

故該生物堿的實(shí)驗(yàn)式為C10H8O2N。再求生物堿的相對(duì)分子質(zhì)量：由300＜(C10H8O2N)n＜400，知300＜17 4n＜4n4，即1.7＜n＜2.3，因n為整數(shù)，則n=2。

故該生物堿的相對(duì)分子質(zhì)量為348，分子式為C20H16O4N2。

答案：C10H8O2N348C20H16O4N2

注：(1)某些特殊組成的實(shí)驗(yàn)式，在不知化合物相對(duì)分子質(zhì)量時(shí)，也可根據(jù)組成特點(diǎn)確定其分子式。例如實(shí)驗(yàn)式為CH3的有機(jī)物，其分子式可表示為(CH3)n，僅當(dāng)n=2時(shí)，氫原子已達(dá)飽和，故其分子式為C2H6。同理，實(shí)驗(yàn)式為CH3O的有機(jī)物，其分子式只能為C2H6O2。

(2)部分有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)式中，氫原子已達(dá)到飽和，則該有機(jī)物的實(shí)驗(yàn)式即為分子式。例如實(shí)驗(yàn)式為CH4、C3H8、CH3Cl，只要知道最簡(jiǎn)式，就可推出分子式。

(3)具有特定碳、氫原子物質(zhì)的量之比的常見(jiàn)有機(jī)物。

①當(dāng)n(C)∶n(H)=1∶1時(shí)，常見(jiàn)有機(jī)物有苯乙烯、苯、乙炔、苯酚等。

②當(dāng)n(C)∶n(H)=1∶2時(shí)，常見(jiàn)有機(jī)物有單烯烴、飽和一元脂肪醛、飽和一元脂肪酸、飽和一元脂肪酯、葡萄糖等。

③當(dāng)n(C)∶n(H)=1∶4時(shí)，常見(jiàn)有機(jī)物有甲烷、甲醇、尿素[CO(CH2)2]等。

三、商余通式法

已知烴的相對(duì)分子質(zhì)量，確定烴的分子式。

(1)用烴的相對(duì)分子質(zhì)量除以14，視商數(shù)和余數(shù)確定分子式的類(lèi)型。

(2)根據(jù)各類(lèi)烴的分子通式，由相對(duì)分子質(zhì)量求出分子式。

例3分別求出相對(duì)分子質(zhì)量為72、128的烴的分子式：___、___。

解析：將72除以14得商為5余2，故為烷烴，其分子式為C5H12。將128除以14得商為9余2，也可能為烷烴，故烷烴的分子式為C9H20，因相對(duì)分子質(zhì)量較大，除烷烴外，還可能為其他類(lèi)型的烴分子，可在C9H20的基礎(chǔ)上增加1個(gè)C，則減小12個(gè)H，分子式為C10H8(萘分子)。但不能減C加H。

答案：C5H12C9H20或C10H8。

注：(1)根據(jù)商余通式法求出上述幾類(lèi)分子式后，再用增減法試探有無(wú)其他分子的可能。

(2)烴分子中，氫原子數(shù)為偶數(shù)。

(3)對(duì)于烴的含氧衍生物，先用相對(duì)分子質(zhì)量減去氧原子總相對(duì)原子質(zhì)量，剩余的相對(duì)分子質(zhì)量仍按上述方法進(jìn)行。

四、設(shè)“1”討論法

若已知全部(或部分)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為避免煩瑣地求算原子個(gè)數(shù)比，可設(shè)分子中原子數(shù)最少的那種元素的原子數(shù)目為1，確定其相對(duì)分子質(zhì)量后再確定其他元素的原子數(shù)目。如果設(shè)“1”不合題意，可再設(shè)為“2，3……”至符合題意。

例4嗎啡和海洛因都是嚴(yán)格查禁的毒品。嗎啡分子中C、H、N、O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為71.58%、6.67%、4.91%和16.84%，已知其相對(duì)分子質(zhì)量不超過(guò)300。

(1)嗎啡的相對(duì)分子質(zhì)量為_(kāi)___。

(2)嗎啡的化學(xué)式為_(kāi)___。

解析：(1)假設(shè)嗎啡分子中只有一個(gè)氮原子，則嗎啡的相對(duì)分子質(zhì)量為。由于已知嗎啡的相對(duì)分子質(zhì)量不大于300，如果其分子中含有2個(gè)氮原子，則其相對(duì)分子質(zhì)量必超過(guò)300，故可得嗎啡的相對(duì)分子質(zhì)量為285。

答案：(1)285 (2)C17H19NO3

注：運(yùn)用直接法求分子式，避免了運(yùn)用最簡(jiǎn)式法求分子中原子個(gè)數(shù)之比的復(fù)雜計(jì)算和數(shù)字處理。

五、燃燒通式法

根據(jù)有機(jī)物完全燃燒反應(yīng)的通式及反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量、物質(zhì)的量或體積關(guān)系，利用原子個(gè)數(shù)守恒來(lái)求出1mol有機(jī)物所含C、H、O原子的物質(zhì)的量，從而求出分子式。如烴和烴的含氧衍生物可設(shè)為CxHyOz(z=0為烴)，燃燒通式為。

例5室溫時(shí)，20mL某氣態(tài)烴與過(guò)量氧氣混合，完全燃燒后的產(chǎn)物通過(guò)濃硫酸，再恢復(fù)到室溫，氣體體積減少了50mL，剩余氣體再通過(guò)苛性鈉溶液，體積又減少了40mL。則該氣態(tài)烴的分子式為_(kāi)___。

解析：本題中燃燒產(chǎn)物通過(guò)濃硫酸時(shí)，水蒸氣被吸收，再通過(guò)苛性鈉溶液時(shí)，CO2氣體被吸收，故CO2的體積為40mL。由體積減少可用差量法計(jì)算。設(shè)烴的分子式為CxHy。

答案：C2H6

六、守恒法

守恒法是指依據(jù)質(zhì)量守恒、原子個(gè)數(shù)守恒等尋找等量關(guān)系，以此為切入點(diǎn)迅速確定有機(jī)物分子式的一種方法。

例60.2mol有機(jī)物A和0.4molO2在密閉容器中燃燒后的產(chǎn)物為CO2、CO和H2O(氣)，產(chǎn)物經(jīng)過(guò)濃硫酸，質(zhì)量增加10.8g；再通過(guò)灼熱的足量C u O充分反應(yīng)后，質(zhì)量減輕3.2g；最后氣體再通過(guò)足量堿石灰被完全吸收，質(zhì)量增加17.6g。則A的分子式為_(kāi)___。

即該有機(jī)物1mol中含H6mol、C2mol、O2mol。故A的分子式為C2H6O2。

答案：C2H6O2

七、反應(yīng)討論法

當(dāng)反應(yīng)物的相對(duì)用量不確定或條件不足時(shí)，應(yīng)根據(jù)有機(jī)物的狀態(tài)或分子式中碳原子或氫原子數(shù)為正整數(shù)等條件，來(lái)討論有機(jī)物的分子式。討論時(shí)，要抓住有機(jī)物的燃燒消耗O2的上下限及有機(jī)物的通式，列出等式或不等式進(jìn)行討論，關(guān)鍵要抓住反應(yīng)前后氣體體積變化、氣體壓強(qiáng)變化等列式求解?？赡苡卸喾N答案。

例7400K、1.01×105Pa時(shí)，2L烴A的蒸氣能在aL氧氣中完全燃燒，反應(yīng)后體積增至(a+4)L(體積均在相同的條件下測(cè)定)。請(qǐng)回答：

(1)烴A在組成上應(yīng)滿足的條件是____。

(2)當(dāng)a=15時(shí)，該烴的分子式為_(kāi)___。

(3)A在常溫常壓下為氣態(tài)時(shí)，a的取值范圍是____。

(3)當(dāng)A在常溫常壓下為氣態(tài)時(shí)，且y=8時(shí)，則x≤4；又因?yàn)?，即，解得a≥12。

答案：(1)氫原子數(shù)為8，碳原子數(shù)小于或等于

(2)C3H8、C4H8或C5H8

(3)a≥12

八、平均分子式法

當(dāng)烴為混合物時(shí)，先求出“平均分子式”，再利用平均值，確定混合烴中各烴的分子式。

如兩種烴組成的混合物的“平均分子式”為CmHn，即為每一個(gè)烴分子的平均組成。(其中m、n可以為整數(shù)，也可以為分?jǐn)?shù))。則其中一種烴分子中的碳原子數(shù)大于m，另一種烴分子中的碳原子數(shù)小于m(或兩種烴分子中的碳原子數(shù)均等于m)；同時(shí)其中一種烴分子中的氫原子數(shù)大于n；另一種烴分子中的氫原子數(shù)小于n(或兩種烴分子中的氫原子數(shù)均等于n)。

除此之外，兩烴分子的物質(zhì)的量之比能同時(shí)滿足“平均分子式”中的碳、氫原子數(shù)，即可確定兩烴分子式為合理答案。

例8某常溫常壓下的混合氣體含兩種鏈烴，已知它們都能使溴水褪色，如果1體積混合氣體完全燃燒后可生成3.6體積的CO2和3體積的水蒸氣(同狀態(tài)下)。通過(guò)計(jì)算和推理確定這兩種烴的分子式以及它們?cè)诨旌蠚怏w中的體積比。

解析：依題意，混合氣體的“平均分子式”為C3.6H6，且均為不飽和氣態(tài)鏈烴。故初步符合“平均分子式”的組成可能有：

但上述四組答案不一定都是符合題意的答案，還需一一驗(yàn)證。

第②組答案中，依兩烴的氫原子而言，C4H6與C3H6可以為任意體積比。故兩者的體積比由碳原子數(shù)決定。故有。

同樣的方法推出：③組答案和④組答案均為不合理答案，也應(yīng)舍去。

綜上所述，滿足題意的兩種烴的分子式分別為C4H6和C3H6，其體積比為。

答案：見(jiàn)解析。

注：有關(guān)烴的混合物計(jì)算的幾條規(guī)律：

③若平均分子組成中1＜N(C)＜2，則一定有CH4。

④若平均分子組成中2＜N(H)＜4，則一定有C2H2。

⑤兩種烴組成的混合氣體。若其平均分子組成為N(C)=2，且其中一種分子式含兩個(gè)碳原子，則另一種氣體分子式一定也含兩個(gè)碳原子。

鞏固練習(xí)

1.某有機(jī)化合物僅由碳、氫、氧三種元素組成，其相對(duì)分子質(zhì)量小于150，已知其中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，則1個(gè)該分子中碳原子的個(gè)數(shù)最多為( )。

A.4 B.5 C.6 D.7

2.從香料八角中提取的有機(jī)物A可制得抗禽流感病毒的特效藥。

(1)經(jīng)測(cè)定，A的相對(duì)分子質(zhì)量在150與200之間，含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.28%，含氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.75%，其余為氧。則A的分子式為_(kāi)___。

(2)1molA能與足量NaHCO3反應(yīng)得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的CO222.4L，2molA能與足量金屬鈉反應(yīng)得到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的H289.6L，3molA能與3molBr2恰好發(fā)生加成反應(yīng)。將每個(gè)A分子中所含有官能團(tuán)的名稱(chēng)及數(shù)目填入表1(可不填滿也可補(bǔ)充)。

表1

(3)A與等物質(zhì)的量的H2加成后生成B。A的紅外光譜顯示每個(gè)A分子中除含有上述官能團(tuán)外，還含有一個(gè)六元碳環(huán)。B的核磁共振氫譜顯示每個(gè)B分子中有7種不同化學(xué)環(huán)境的氫原子。已知羥基連在雙鍵碳原子上是不穩(wěn)定的，兩個(gè)羥基連在同一碳原子上也是不穩(wěn)定的，則A分子穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式是____。

答案：1.B

2.(1)C7H10O5

(2)(見(jiàn)表2)

表2