有机物分子式和结构式的确定

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  一、确定有机物分子式
  1. 直接法
  密度(相对密度)→摩尔质量→1 mol物质中各元素原子物质的量→分子式
  例1  某有机物6.4克完全燃烧生成8.8克CO2与0.4 mol H2O,无其它物质生成,经测定该化合物蒸汽与氢气的相对密度为16,求该化合物的分子式。
  解析  (1)求6.4克有机物中各组成元素原子的物质的量:
  n(C)=0.2 mol,n(H)=0.8 mol,n(O)=0.2 mol。
  (2)求有机物的摩尔质量:
  Mr(有机物)=16 g·mol-1×2=32 g·mol-1。
  (3)求该有机物中各元素原子的个数:
  n(有机物)=[6.4 g32 g·mol-1]=0.2 mol。
  故N(C)=1,N(H)=[0.8mol0.2mol]=4,N(O)=[0.2mol0.2mol]=1。
  即该有机物的分子式为:CH4O。
  点拨  某有机物燃烧生成H2O和CO2,该有机物可能是烃也可能是烃的含氧衍生物,要根据题中的条件,抓住质量守恒或氧原子守恒来判断。
  2. 实验式法
  各元素原子个数比→实验式[摩尔质量]分子式
  例2  在标准状况下,某气态烃150 mL的质量是0.5223 g,经测定该烃含碳92.3%,试求它的分子式。
  解析  (1)求该烃的实验式:
  该烃只含碳和氢,故该烃含氢量为7.7%。
  N(C)∶N(H)=[92.3%12.]∶[7.7%1]=1∶1,该烃的实验式为CH。
  (2)求该烃的摩尔质量:
  Mr(烃)=[0.5223g0.150L]×22.4 L·mol-1=78 g·mol-1
  (3)求该烃的分子式
  设该烃的分子中含有n个CH,
  n=[Mr(烃)Mr(CH)]=[78 g·mol-113 g·mol-1]=6,
  故该烃的分子式为:C6H6。
  点拨  某些特殊组成的实验式中,即使不知道化合物的摩尔质量,也可以根据其组成特点确定分子式。例如:实验式为CH4,分子式为CH4;实验式为CH3,分子式为C2H6。
  3. 通式法
  根据各类有机物的分子组成通式及各类有机物的化学反应通式,通过计算确定有机物的分子式。
  例3  0.3 g某饱和一元醇与足量的金属钠充分反应,产生氢气56 mL(标准状况),求该饱和一元醇的分子式。
  解析  饱和一元醇的通式为CnH2n+1OH,设该饱和一元醇的摩尔质量为M(A)。
  由饱和一元醇与氢气反应的通式:
  2CnH2n+1OH  +  2Na  →  2CnH2n+1ONa +  H2↑
  2 mol×M(A)                         22.4 L
  0.3 g                              0.056 L
  [2mol×M(A)0.3 g]=[22.4 L0.056 L]
  解得M(A)=60 g·mol-1。
  由14n+1+16+1=60得,n=3。
  该饱和一元醇的分子式为C3H8O。
  点拨  各类有机物的通式应熟记。
  烃燃烧的通式:CxHy+([x+y4])O2 → xCO2+[y2]H2O
  烃的含氧衍生物燃烧的通式:
  CxHyOz+([x+y4]-[z2])O2 → xCO2+[y2]H2O
  4. 讨论法
  题中未指明有机物的类别且数据不足时,通过讨论来确定有机物的分子式。
  例4  某有机物的相对分子质量为58,该有机物在空气中燃烧只生成CO2和H2O,求该有机物的分子式。
  解析  该有机物可能是烃或烃的含氧衍生物。
  (1)若此有机物为烃,设分子式为CxHy,
  则[12x+y=58],[x=1],[y=46](不符合烃的分子组成,舍去);同理[x=2],[y=34];[x=3],[y=22]均不符合烃的分子组成,应舍去;[x=4],[y=10]符合烃的分子组成。
  即该有机物的分子式为C4H10。
  (2)若此有机物为烃的含氧衍生物,设分子式为CxHyOz,
  则[12x+y+16z=58]。
  若[z=1],则[12x+y=42]。经讨论:[x=3],[y=6]分子式为C3H6O。
  若[z=2],则[12x+y=26]。经讨论:[x=2],[y=2]分子式为C2H2O2。
  综上所述,此有机物的分子式可能是C4H10、 C3H6O、C2H2O2。
  点拨  任意一种有机物的分子组成中,氢原子数不可能超过相应碳原子数的烷烃所结合的氢原子数。
  5. 平均值法
  利用平均摩尔质量或平均分子式,并抓住相关信息来确定有机物的分子式。   例5  两种饱和一元醛A和B的混合物共1.02 g,和足量的银氨溶液反应得到4.32 g Ag。若A分子比B分子多一个CH2原子团,求A 、B的分子式。
  解析  依题意,A 、B的分子组成中各含一个醛基。
  由关系式:—CHO~2Ag
  A 、B的总物质的量为[4.32 g108 g·mol-1]×[12]=0.02 mol
  A 、B的平均摩尔质量为[102 g0.02mol]=51 g·mol-1
  因摩尔质量:HCHO~30 g·mol-1,CH3CHO~44 g·mol-1,CH3CH2CHO~58 g·mol-1,
  且A 、B相差一个CH2,
  所以A 为CH3CHO ,B为CH3CH2CHO。
  即A的分子式 为C2H4O ,B的分子式为C3H6O。
  点拨  平均值法往往用于两种或两种以上混合物中各组分的分子式的判断,需注意:①碳数小于2的烃只有甲烷,烃的含氧衍生物有甲醇和甲酸;②各类有机物中分子量最小的CH4~16、C2H4~28、C2H2~26、C6H6~78、CH3OH~32、HCHO~30、HCOOH~46。
  二、确定有机物结构式
  1. 价键规律法
  某些有机物根据价键规律只存在一种结构,则可直接由分子式确定其结构式。
  例如,分子式为C2H6,依据价键规律只能写出一种结构简式CH3—CH3;又如分子式为CH4O依据价键规律也只能写出一种结构简式CH3—OH。
  2.定性或定量推测的方法
  当一个分子式可能代表两种或两种以上具有不同结构的物质时,可利用该物质的特殊性质,通过定性或定量推测来确定其结构式。
  例7  A 、B都是芳香族化合物,1 mol A 水解得到1 mol B和1 mol醋酸。A、B的相对分子质量都不超过200,完全燃烧都生成CO2和H2O,且B分子中碳和氢元素总的质量百分含量为62.5%。A溶液具有酸性,不能使FeCl3显色。
  ①A 、B相对分子质量之差为              。
  ②1个B分子中应该有               个氧原子。
  ③A的分子式是              。
  ④B可能的三种结构简式是                  。
  解析  ①质量守恒:A+H2O→B+CH3COOH,A-B=C2H2O,即相对分子质量之差是42。②先定性推测:A有羧基,所以B也有羧基,且有从A(醋酸酯)水解释出的羟基,初步推测B至少含有3个氧原子。后定量确证:M(B)<158,可推出B中氧原子数n(O)<[158×34.8%16]=3.4。③M(B)=[16×334.8%]=138,结合B中含有苯环、羧基、羟基可推出B是羟基苯甲酸,分子式为C7H6O3,A是C9H8O4。
  答案  ①42  ②3  ③C9H8O4
  ④ [—COOH][—][OH] [—COOH][—][OH] [—COOH][—][OH]
  点拨  (1)能使溴水褪色的有机物含碳碳双键、碳碳三键、酚羟基、醛基。(2)能使酸性高锰酸钾溶液褪色的有机物含碳碳双键、碳碳三键、苯的同系物、醇羟基、酚羟基、醛基。
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