確定有機物分子式的類型及策略

■湖北省武漢市第三中學

■湖北省武漢市黃陂區第一中學盤龍校區 許又紅

正確確定有機物分子式是有機化學中的重要基礎技能。根據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

直接根據有機物的摩爾質量(或相對分子質量)和各元素的質量分數，求出1mol該有機物中各元素原子的物質的量，再確定分子式。

例1科學家新合成一種化合物X。用質譜法測得X的相對分子質量為64；X含碳的質量分數為93.8%，氫的質量分數為6.2%；核磁共振顯示，X分子中有3種化學環境不同的氫原子和4種化學環境不同的碳原子；X分子中同時存在C—C、C═C和C≡C3種鍵，并發現其中C═C鍵比乙烯中的C═C鍵略短一些。

(1)寫出X的分子式：___。

(2)根據題中信息，分析得出X可能的結構式：___。

解析：由題意可知，該化合物的1個分子中含有的碳原子數是；含有的氫原子數為。故該化合物的分子式為C5H4。

雖然該分子只有5個碳原子，但確定其結構并不容易。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個環狀結構。這樣，結合題目中“有3種化學環境不同的氫原子和4種化學環境不同的碳原子”的信息，在鏈狀結構和環狀結構中，經過反復試寫，可以得到符合題意的X的結構。

答案：(1)C5H4

二、最簡式法

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

例2我國產的喜樹中可提取一種生物堿，這種生物堿的相對分子質量約為300～400，經分析可知其質量組成為C6 9%、H4.6%、O1 8.4%、N8.0%。則其實驗式為____，相對分子質量為____，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量：由300＜(C10H8O2N)n＜400，知300＜17 4n＜4n4，即1.7＜n＜2.3，因n為整數，則n=2。

故該生物堿的相對分子質量為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量時，也可根據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、氫原子物質的量之比的常見有機物。

①當n(C)∶n(H)=1∶1時，常見有機物有苯乙烯、苯、乙炔、苯酚等。

②當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量，確定烴的分子式。

(1)用烴的相對分子質量除以14，視商數和余數確定分子式的類型。

(2)根據各類烴的分子通式，由相對分子質量求出分子式。

例3分別求出相對分子質量為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，氫原子數為偶數。

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

四、設“1”討論法

若已知全部(或部分)元素的質量分數，為避免煩瑣地求算原子個數比，可設分子中原子數最少的那種元素的原子數目為1，確定其相對分子質量后再確定其他元素的原子數目。如果設“1”不合題意，可再設為“2，3……”至符合題意。

例4嗎啡和海洛因都是嚴格查禁的毒品。嗎啡分子中C、H、N、O的質量分數分別為71.58%、6.67%、4.91%和16.84%，已知其相對分子質量不超過300。

(1)嗎啡的相對分子質量為____。

(2)嗎啡的化學式為____。

解析：(1)假設嗎啡分子中只有一個氮原子，則嗎啡的相對分子質量為。由于已知嗎啡的相對分子質量不大于300，如果其分子中含有2個氮原子，則其相對分子質量必超過300，故可得嗎啡的相對分子質量為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之比的復雜計算和數字處理。

五、燃燒通式法

根據有機物完全燃燒反應的通式及反應物和生成物的質量、物質的量或體積關系，利用原子個數守恒來求出1mol有機物所含C、H、O原子的物質的量，從而求出分子式。如烴和烴的含氧衍生物可設為CxHyOz(z=0為烴)，燃燒通式為。

例5室溫時，20mL某氣態烴與過量氧氣混合，完全燃燒后的產物通過濃硫酸，再恢復到室溫，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。則該氣態烴的分子式為____。

解析：本題中燃燒產物通過濃硫酸時，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。設烴的分子式為CxHy。

答案：C2H6

六、守恒法

守恒法是指依據質量守恒、原子個數守恒等尋找等量關系，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物為CO2、CO和H2O(氣)，產物經過濃硫酸，質量增加10.8g；再通過灼熱的足量C u O充分反應后，質量減輕3.2g；最后氣體再通過足量堿石灰被完全吸收，質量增加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、反應討論法

當反應物的相對用量不確定或條件不足時，應根據有機物的狀態或分子式中碳原子或氫原子數為正整數等條件，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，關鍵要抓住反應前后氣體體積變化、氣體壓強變化等列式求解。可能有多種答案。

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在組成上應滿足的條件是____。

(2)當a=15時，該烴的分子式為____。

(3)A在常溫常壓下為氣態時，a的取值范圍是____。

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

答案：(1)氫原子數為8，碳原子數小于或等于

(2)C3H8、C4H8或C5H8

(3)a≥12

八、平均分子式法

當烴為混合物時，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，也可以為分數)。則其中一種烴分子中的碳原子數大于m，另一種烴分子中的碳原子數小于m(或兩種烴分子中的碳原子數均等于m)；同時其中一種烴分子中的氫原子數大于n；另一種烴分子中的氫原子數小于n(或兩種烴分子中的氫原子數均等于n)。

除此之外，兩烴分子的物質的量之比能同時滿足“平均分子式”中的碳、氫原子數，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：有關烴的混合物計算的幾條規律：

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

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

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)經測定，A的相對分子質量在150與200之間，含碳的質量分數為48.28%，含氫的質量分數為5.75%，其余為氧。則A的分子式為____。

(2)1molA能與足量NaHCO3反應得到標準狀況下的CO222.4L，2molA能與足量金屬鈉反應得到標準狀況下的H289.6L，3molA能與3molBr2恰好發生加成反應。將每個A分子中所含有官能團的名稱及數目填入表1(可不填滿也可補充)。

表1

(3)A與等物質的量的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。B的核磁共振氫譜顯示每個B分子中有7種不同化學環境的氫原子。已知羥基連在雙鍵碳原子上是不穩定的，兩個羥基連在同一碳原子上也是不穩定的，則A分子穩定的結構簡式是____。

答案：1.B

2.(1)C7H10O5

(2)(見表2)

表2