確定有機物分子式的類型及策略

■湖北省武漢市第三中學(xué)

■湖北省武漢市黃陂區(qū)第一中學(xué)盤龍校區(qū) 許又紅

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

一、直接法

直接根據(jù)有機物的摩爾質(zhì)量(或相對分子質(zhì)量)和各元素的質(zhì)量分數(shù)，求出1mol該有機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)譜法測得X的相對分子質(zhì)量為64；X含碳的質(zhì)量分數(shù)為93.8%，氫的質(zhì)量分數(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個碳原子，但確定其結(jié)構(gòu)并不容易。首先計算其不飽和度：。4個不飽和度，分子中存在C═ C、C≡C(至少各1個，由此形成的不飽和度至少為3)，則另1個不飽和度可能是1個碳碳雙鍵，或1個環(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)過反復(fù)試寫，可以得到符合題意的X的結(jié)構(gòu)。

答案：(1)C5H4

二、最簡式法

根據(jù)有機物各元素的質(zhì)量分數(shù)求出分子組成中各元素的原子個數(shù)之比(最簡式即實驗式)，然后結(jié)合該有機物的摩爾質(zhì)量(或相對分子質(zhì)量)求有機物的分子式。這是最基本的方法。

例2我國產(chǎn)的喜樹中可提取一種生物堿，這種生物堿的相對分子質(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%。則其實驗式為____，相對分子質(zhì)量為____，分子式為____。

解析：先求生物堿的實驗式。

故該生物堿的實驗式為C10H8O2N。再求生物堿的相對分子質(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)某些特殊組成的實驗式，在不知化合物相對分子質(zhì)量時，也可根據(jù)組成特點確定其分子式。例如實驗式為CH3的有機物，其分子式可表示為(CH3)n，僅當(dāng)n=2時，氫原子已達飽和，故其分子式為C2H6。同理，實驗式為CH3O的有機物，其分子式只能為C2H6O2。

(2)部分有機物的實驗式中，氫原子已達到飽和，則該有機物的實驗式即為分子式。例如實驗式為CH4、C3H8、CH3Cl，只要知道最簡式，就可推出分子式。

(3)具有特定碳、氫原子物質(zhì)的量之比的常見有機物。

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

②當(dāng)n(C)∶n(H)=1∶2時，常見有機物有單烯烴、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，常見有機物有甲烷、甲醇、尿素[CO(CH2)2]等。

三、商余通式法

已知烴的相對分子質(zhì)量，確定烴的分子式。

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

(2)根據(jù)各類烴的分子通式，由相對分子質(zhì)量求出分子式。

例3分別求出相對分子質(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，因相對分子質(zhì)量較大，除烷烴外，還可能為其他類型的烴分子，可在C9H20的基礎(chǔ)上增加1個C，則減小12個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分子式后，再用增減法試探有無其他分子的可能。

(2)烴分子中，氫原子數(shù)為偶數(shù)。

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

四、設(shè)“1”討論法

若已知全部(或部分)元素的質(zhì)量分數(shù)，為避免煩瑣地求算原子個數(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)量分數(shù)分別為71.58%、6.67%、4.91%和16.84%，已知其相對分子質(zhì)量不超過300。

(1)嗎啡的相對分子質(zhì)量為____。

(2)嗎啡的化學(xué)式為____。

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

答案：(1)285 (2)C17H19NO3

注：運用直接法求分子式，避免了運用最簡式法求分子中原子個數(shù)之比的復(fù)雜計算和數(shù)字處理。

五、燃燒通式法

根據(jù)有機物完全燃燒反應(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，利用原子個數(shù)守恒來求出1mol有機物所含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，20mL某氣態(tài)烴與過量氧氣混合，完全燃燒后的產(chǎn)物通過濃硫酸，再恢復(fù)到室溫，氣體體積減少了50mL，剩余氣體再通過苛性鈉溶液，體積又減少了40mL。則該氣態(tài)烴的分子式為____。

解析：本題中燃燒產(chǎn)物通過濃硫酸時，水蒸氣被吸收，再通過苛性鈉溶液時，CO2氣體被吸收，故CO2的體積為40mL。由體積減少可用差量法計算。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、原子個數(shù)守恒等尋找等量關(guān)系，以此為切入點迅速確定有機物分子式的一種方法。

例60.2mol有機物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)過濃硫酸，質(zhì)量增加10.8g；再通過灼熱的足量C u O充分反應(yīng)后，質(zhì)量減輕3.2g；最后氣體再通過足量堿石灰被完全吸收，質(zhì)量增加17.6g。則A的分子式為____。

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

例7400K、1.01×105Pa時，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定)。請回答：

(1)烴A在組成上應(yīng)滿足的條件是____。

(2)當(dāng)a=15時，該烴的分子式為____。

(3)A在常溫常壓下為氣態(tài)時，a的取值范圍是____。

(3)當(dāng)A在常溫常壓下為氣態(tài)時，且y=8時，則x≤4；又因為，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，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，即為每一個烴分子的平均組成。(其中m、n可以為整數(shù)，也可以為分數(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)。通過計算和推理確定這兩種烴的分子式以及它們在混合氣體中的體積比。

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：見解析。

注：有關(guān)烴的混合物計算的幾條規(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碳原子，則另一種氣體分子式一定也含兩個碳原子。

鞏固練習(xí)

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

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

2.從香料八角中提取的有機物A可制得抗禽流感病毒的特效藥。

(1)經(jīng)測定，A的相對分子質(zhì)量在150與200之間，含碳的質(zhì)量分數(shù)為48.28%，含氫的質(zhì)量分數(shù)為5.75%，其余為氧。則A的分子式為____。

(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A分子中所含有官能團的名稱及數(shù)目填入表1(可不填滿也可補充)。

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A分子中除含有上述官能團外，還含有一個六元碳環(huán)。B的核磁共振氫譜顯示每個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)簡式是____。

答案：1.B

2.(1)C7H10O5

(2)(見表2)

表2