化学 有机物分子式和结构式的确定 教材内容全解 人教版

化学 有机物分子式和结构式的确定 名师点拨

【基础知识精讲】

1.有机物分子式和结构式的确定

(1)利用上述关系解题的主要思路是：首先要判断有机物中所含元素的种类，然后依据题目所给条件确定有机物分子中各元素的原子数目，从而得到分子式，最后由有机物的性质分析判断其结构式。

(2)实验式是表示化合物分子所含各元素的原子数目最简单整数比的式子。求化合物的实验式即是求该化合物分子中各元素原子的数目(N)之比。

(3)烃的含氧衍生物完全燃烧的化学方程式为：

C x H y O z +(x+4y -2z

)O 2?→?xCO 2+2y

H 2O

C x H y O z (g)燃烧规律如下：

y>4-2z 时，燃烧后，气体体积增大(100℃以上，下同)；

y ＝4-2z 时，燃烧前后气体体积不变；

y<4-2z 时，燃烧后气体体积减少(不合理)。

上式中若z ＝0，即为烃燃烧的规律。

2.由实验式确定分子式的方法

(1)通常方法：必须已知化合物的相对分子质量［M r (A)］，根据实验式的相对分子质量［M r (实)］，求得含n 个实验式：n ＝)Mr(Mr(A)

实，即得分子式。

(2)特殊方法Ⅰ：某些特殊组成的实验式，在不知化合物相对分子质量时，也可根据组成特点确定其分子式。例如实验式为CH 3的有机物，其分子式可表示为(CH 3)n ，仅当n ＝2时，氢原子已达饱和，故其分子式为C 2H 6。同理，实验式为CH 3O 的有机物，当n ＝2时，其分子式为C 2H 6O 2。

(3)特殊方法Ⅱ：部分有机物的实验式中，氢原子已达到饱和，则该有机物的实验式即为分子式。例如实验式为CH 4、CH 3Cl 、C 2H 6O 、C 4H 10O 3等有机物，其实验式即为分子式。

3.由分子式确定结构式的方法

(1)通过价键规律确定：某些有机物根据价键规律只存在一种结构，则直接可由分子式确定其结构式。例如C 2H 6，根据价键规律，只有一种结构：CH 3—CH 3；又如CH 4O ，根据价键规律，只有一种结构：CH 3—OH 。

(2)通过定性或定量实验确定：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，通过定性或定量实验来确定其结构式。

【重点难点解析】

1.十字交叉法及在有机化学计算中的应用。

(1)“十字交叉法”的数学理论基础

(2)“十字交叉法”在有机化学计算中的应用

①若a 、b 为两气体的相对分子质量，C 为混合气体的平均相对分子质量，则x ∶y 为混合气体中两组成气体的体积比(或物质的量之比)

②若a 、b 为气体分子式中某原子的数目，c 为混合气体平均分子式中某原子数目，则x ∶y 为混合气体中两组分气体的体积比(或物质的量之比)。

(3)在有机化学的计算中，除“十字交叉法”外，还有代数法、差值数、守恒法、讨论法等等，必须灵活运用，具体问题具体解决。

2.确定有机物分子式的基本方法

确定烃及烃的衍生物的分子式的基本途径为：

例1 1924年我国药物学家从中药麻黄中提取了麻黄素，并证明麻黄素具有平喘作用。将10.0g 麻黄素完全燃烧可得26.67gCO 2和8.18gH 2O 。测得麻黄素中含氮8.48%，它的实验式为C x H y N z O w ，已知其实验式即为分子式，则麻黄素的分子式为_________。

解析 先求C 、H 、O 的质量分数：

w(C)＝10.0g

4412

26.67g ?×100%＝72.7%; w(H)＝10.0g

182

8.18g ?×100%＝9.09%; w(O)＝1-w(C)-w(H)-w(N)＝1-72.7%-9.09%-8.48%＝9.73%,

故N(C)∶N(H)∶N(N)∶N(O)＝1272.7%∶19.09%∶148.48%∶169.73%

＝20∶45∶2∶2。

麻黄素的分子式为C 20H 45N 2O 2。

评注 本题属于根据燃烧产物的质量、元素的质量分数确定实验式的一类题目。

例2 某0.16g 饱和一元醇与足量的金属钠充分反应，产生56mL 氢气(标准状况)。则该饱和一元醇的分子式为_________。

解析 饱和一元醇的通式为C n H 2n+1OH ，该一元醇的摩尔质量为M(A)。

2C n H 2n+1OH+2Na ?→?2C n H 2n+1ONa+H 2↑

2mol ×M(A) 22.4L 0.16g 0.056L

0.16g M(A)

2mol ?＝0.056L 22.4L

，解得：M(A)＝32g/mol 。

该一元醇的相对分子质量为32，根据该一元醇的通式，有下列等式：

12n+2n+1+16+1＝32,n ＝1，故分子式为CH 3OH 。

评注 本题属于运用有机物的通式计算确定分子式的一类题目。掌握各类有机物的通式很有必要：如饱和一卤代烃的通式为C n H 2n+1X ，饱和醇的通式为C n H 2n+2O x (x ＝2时为二元醇，x ＝3时为三元醇)。

例3 燃烧2mol 某有机物，生成4molCO 2和6molH 2O ，同时测知消耗5molO 2，推测该有机物的分子式为_________。

解析 设有机物的分子式为C x H y O z ，根据题意可写出燃烧方程式：

2C x H y O z +5O 2→4CO 2+6H 2O

根据质量守恒定律知：x ＝2,y ＝6,z ＝2。

故该有机物的分子式为C 2H 6O 2。

评注 本题属于根据燃烧方程式计算确定分子式的一类题目。

【难题巧解点拨】

例1 某烷烃和烯烃的混合气体的密度是1.07g ·L -1(标准状况)，该烷烃和烯烃的体积

比是4∶1。这两种烃是( )

A.CH 4、C 2H 4

B.C 2H 6、C 2H 4

C.CH 4、C 4H 8

D.CH 4、C 3H 6

解析 混合气体的平均相对分子质量为 1.07×22.4＝24，设烷烃和烯烃的相对分子质量分别为M 1、M 2。

12M -2424

-M ＝14，解得4M 1+M 2＝120，经检验仅C 符合。

另解：混合气体的平均相对分子质量为1.07×22.4＝24，说明肯定有CH 4，设烯烃相对分子质量为M 。

则16×80%+M ·20%＝24 M ＝56 C n H 2n ＝56 14n ＝56 n ＝4，故此烯烃为C 4H 8。 答案：C

例2 一种气态烷烃和一种气态烯烃，它们分子里的碳原子数相同，将1.0体积这种混合气体在氧气中充分燃烧，生成2.0体积的CO 2和2.4体积的水蒸气(相同条件下测定)。则混合物中烷烃和烯烃的体积比为( )

A.3∶1

B.1∶3

C.3∶2

D.2∶3

解析 根据阿伏加德罗定律，依题意可知此混合烃的平均组成式为C 2H 4.8。又知烷烃和烯烃分子里的碳原子数相同，所以可以断定它们分别是C 2H 6和C 2H 4。可见无论以怎样的体积比混合，它们的平均碳原子数都是2。因此，满足题意的烷烃和烯烃的体积比将由它们分子里所含的H 原子数决定。用十字交叉法求解：

答案：D

例3 一有机物在200℃，1atm 下密度为1.60g ·L -1，燃烧该物质仅生成CO 2和H 2O ，且

生成CO 2和H 2O(气)的体积比是2∶3。取该物质6.2克燃烧，把燃烧产物通过装碱石灰的干燥管，增重14.2g 。该有机物1摩尔与钠完全反应生成1摩尔H 2。试确定其分子式和结构简式。

解析 此有机物完全燃烧仅生成CO 2和H 2O ，可能为烃，也可能为烃的含氧衍生物，可设其分子式为C x H y O z (若为烃，则z ＝0)，摩尔质量为M (A)。

M (A)＝ρP

RT

＝1.6×2200)0.082(273+＝62(g ·mol -1) n ＝1-mol 62g 6.2g

?＝0.1mol

若为1mol ，则生CO 2和H 2O 为142g 。由C x H y O z ?→?xCO 2+2y

H 2O 知：

联解此方程组得：x ＝2,y ＝6,z ＝2。

该有机物的分子式为C 2H 6O 2

由于该有机物1mol 与Na 完全作用生成1molH 2，说明此有机物分子中含2个—OH ，为二元醇，所以结构简式为

答案：C 2H 6O 2，

例4 有机分子中，如果某个碳原子与四个各不相同的原子或原子团相连，则这个碳原子叫“手性碳原子”。下列有机物中具有手性碳原子，但与H 2加成后不再具有手性碳原子的是( )

解析 若在手性碳原子中加注*

C ，则A 、B 、

D 中均有手性碳原子：

但H 2发生加成反应后，只有B 不再具有手性碳原子： “手性碳原子”不在中学化学讨论之列，但作为一种信息题，是可以接受和理解的。

答案：B

【课本难题解答】

[习题](课本第165页)

二、选择题

2.［解题思路］0.5mol 该饱和一元醇燃烧生成1.5molCO 2，说明一个该醇分子中含3个C 原子；0.5mol 该醇生成H 25.6L(标)，说明该醇为一元醇。本题答案：B 、C 。

［注］：从本题所给的四个选项来看，只要求出一个分子中含3个C 原子即可得出选项，不必再用H 2体积的条件，因为四个选项均为一元醇，已知条件很多。同学们在做本题不必浪费太多的时间。

四、计算题

4.解：(1)能与钠反应生成H 2，说明分子结构中含—OH ，属醇类；

(2)M r ＝37×2＝74

由饱和一元醇通式：C n H 2n+2O

得 14n+18＝74

n ＝4

∴ 分子式为C 4H 10O

5.解：(1)M r ＝29×3.666＝106

(2)求有机物的分子式

n 有机物∶n C ∶n H ＝1061∶22.41.69∶??

? ???2180.85

＝1∶8∶10

∵ 相对分子质量＝106

∴ 分子式为C 8H 10

(3)该有机物结构为：

【命题趋势分析】

求各类有机物分子式及判断它们的结构在有机化学中占有举足轻重的地位，贯穿在有机化学的各章节中，应通过练习熟练掌握。

【典型热点考题】

题1 某含氧有机化合物可以作为无铅汽油的抗爆震剂，它的相对分子质量为88.0，含C 的质量分数为68.2%，含H 的质量分数为13.6%，红外光谱和核磁共振氢谱显示该分子中有4个甲基。请写出其结构简式：_________。(广东省、河南省高考题)

答案：(CH 3)3C —OCH 3

题2 标准状况下1.68L 无色可燃气体在足量氧气中完全燃烧，若将产物通入足量澄清石灰水，得到的白色沉淀质量为15.0g ；若用足量碱石灰吸收燃烧产物，增重9.3g 。

(1)计算燃烧产物中水的质量。

(2)若原气体是单一气体，通过计算推断它的分子式。

(3)若原气体是两种等物质的量的气体的混合物，其中只有一种是烃，请写出它们的分子式(只要求写出一组)。(北京市高考题)

答案：(1)2.7g 。 (2)C 2H 4。 (3)C 4H 6和H 2(或C 3H 8和CO 、C 3H 6和CH 2O 等)。

【知识探究学习】

一、烃的衍生物分子式求解

根据烃的衍生物耗氧量与生成二氧化碳的体积关系，如何确立有机物的分子式是较难题，但如果找到内在本质，通过通式的确立来求解就会变得迎刃而解了。

例1 某烃的含氧衍生物完全燃烧生成二氧化碳和水，已知同温同压下耗氧气与生成二氧化碳的体积比为1∶1，求符合该条件的分子量最小的有机物的分子式。

解析 因为含氧衍生物完全燃烧时，C 元素最终变为CO 2，即如含有1molC 而生成CO 2时，必耗1molO 2，因为题中耗O 2与生成CO 2为1∶1，所以可把有机物中的H 元素生成水时需的氧元素看成是来自于有机物本身。

故依题意，可设符合该条件的有机物的通式为：

C m (H 2O)n

讨论：当m ＝1,n ＝1时，分子式为CH 2O(甲醛)。

例2 由例1拓展，当同温同压下耗O 2与生成CO 2的体积比小于1∶1时，如为3∶4时，符合该条件的最简有机物分子式和结构简式。

解析 由例1中解析可知，由于消耗的氧小于产生CO 2时所需要的氧，可知该衍生物中，除了H 元素生成水时需要的氧来自于本身以外，C 元素生成CO 2需要的氧元素一部分亦来自于分子内。

故设该有机物的通式为：(C x O y )m (H 2O)n

C x O y +(x-2y

)O 2→xCO 2 有2y/2

-x ＝43，y x ＝12

.

通式为：(C 2O)m (H 2O)n .

讨论：当m ＝1,n ＝1时，分子式为C 2H 2O 2. 结构简式为：

例3 由例1拓展为：当耗O 2与生成CO 2的体积比为>1∶1，如为3∶2时，求符合该条件的最简有机物的分子式和结构简式。

解析 由于耗O 2体积大于生成CO 2的体积，即需要的O 2除用于生成CO 2外，还用于与分子内H 元素反应生成H 2O 。

故可设该条件有机物的通式为：(C x H y )m (H 2O)n

C x H y +(x+

4y )O 2→xCO 2+2y H 2O x y/4

x ＝23 得：y x ＝21

.

通式为：(CH 2)m (H 2O)n

讨论：当m ＝1,n ＝1时，分子式为：CH 4O

结构简式为：CH 3OH 。

练习：(1)某烃的衍生物完全燃烧生成CO 2和H 2O ，当耗O 2与生成CO 2的体积比为2∶3时，符合该条件的最简单有机物的分子式和结构简式(C ＝C ＝C 为不稳定结构)

(2)当耗O 2与生成CO 2的体积比为4∶3时，求符合该条件的最简单的有机物分子式和结构简式。

答案：(1)分子式C 3H 4O 4结构简式：

(2)分子式C 3H 6O 结构简式为：CH 3CH 2CHO 或CH 2＝CH-CH 2OH

二、从有机物分子式(或分子通式)判断有机物结构的规律

高中教材中所学的有机物，它们的分子通式与结构类别的对应关系如下面的框图：

从框图对应关系可得出如下规律：有机物分子里的氢原子以烷烃(或饱和醇)为充分饱和结构(只含C —C 、C —H 、C —O 等单键)的参照体。

①每少2个H ，就可以有一个“C ═C ”或“C ═O ”或成一个单键碳环；

②每少4个H ，就可以有一个“C ≡C ”；

③每少8个H ，就可以有一个“苯环”。

烃的含氧衍生物中，氧原子数的多少并不影响以氢原子数为依据来判断有机结构特征。例如饱和多元醇(像乙二醇、丙三醇)都可以用通式C n H2n+2O x来表示，分子中只含各种单键。

例1 某芳香族化合物的分子式为C8H8O4，它与Na、NaOH、NaHCO3反应的物质的量之比依次为1∶3，1∶2，1∶1，且苯环上的一溴代物有4种，写出它可能的一种结构简式。

解析首先应从分子式入手，该化合物分子式离充分饱和结构还差10个H原子，每少8个H有一个苯环，该化合物应只有一个苯环，苯环的支链上还有一个“C＝C/或一个C＝O”。再由它与Na、NaOH、NaHCO3反应的关系可推出它的分子结构特征：一个苯环、一个羰基(C ＝O)、一个醇羟基、一个酚羟基，而且苯环上应有4个氢原子可供溴原子取代，所以应为