三步法确定有机物的分子结构

■湖北省枝江市第一中学 罗功举

三步法确定有机物的分子结构

■湖北省枝江市第一中学 罗功举

确定有机物的分子结构是有机化学学习的重要内容,要确定一种有机物的分子结构,首先要判断有机物中所含元素的种类,然后依据题目所给的条件再确定有机物分子中各元素原子的数目,从而得到分子式,最后根据信息确定有机物的结构简式。

一、推断有机物的组成元素

方法精要：有机物常常含有碳、氢、氧、氮、卤素、硫等元素,一般可以通过以下思路来确定有机物组成元素情况。

(1)对于含碳、氢或含碳、氢、氧的有机物,常常用燃烧法,可以根据质量(或物质的量)守恒进行分析和推导有机物中所含元素,特别是氧元素。有定性分析法和定量推算法。

(2)对于还可能含有的氮、卤素、硫等元素,一般用实验法进行分析,如含卤原子的有机物,可以通过“水解→酸化→加硝酸银溶液→观察沉淀颜色”程序来确定卤原子种类。

某有机物2mol在氧气中充分燃烧,消耗氧气5mol,生成H2O和CO2各4mol,由此可得出的结论是( )。

A.该有机物不含氧元素

B.该有机物分子中含一个氧原子

C.该有机物分子中含二个氧原子

D.不能确定该有机物分子中含氧原子的数目

分析：根据题意,将“4molH2O和4mol CO2”中的氧元素的量折合成氧气的量,为6mol;而有机物燃烧实际只消耗了5mol氧气,说明有机物中有氧元素,且其物质的量为2mol,由此可得出的结论是该有机物分子中含一个氧原子。答案为B。

点拨:解答定量计算问题时,要合理运用推算方法,如根据有机物燃烧的反应方程式列式计算,应用质量守恒定律判断,运用差量法或关系式法推算等,不能墨守成规。

二、确定有机物的分子式

方法精要：确定有机物的组成元素以后,可以按以下方法来确定有机物分子式。

利用上述关系解题时,要注意题给条件,题目条件不同,选用方法就应有所区别。

(1)实验式法。

某有机化合物由三种元素组成,其中碳、氢的质量分数分别为22.0%和4.59%。将该化合物在强碱水溶液中水解后先用硝酸酸化,再用AgNO3溶液检验,结果生成淡黄色沉淀。又测得该化合物的相对分子质量为109,则该有机化合物的分子式为____。

分析：据题意,该有机化合物中还含有溴元素,其质量分数为100%-22.0%-4.59%=73.41%。则该有机化合物中各元素的原子个数之比为N(C)∶N(H)∶N(Br)= 2∶5∶1。其最简式为C2H5Br,相对分子质量为109。

设该化合物的分子式为(C2H5Br)n,则n=,所以,该化合物分子式为CHBr。25

点拨:运用实验式法解题的基本思路为:元素的质量分数→最简式→结合Mr确定分子式。或由Mr与元素的质量分数直接确定各原子的原子数目,进而确定分子式。

(2)方程式法。

0.60 g某饱和一元醇A,与足量的金属钠反应,生成氢气112mL(标准状况)。则该一元醇的分子式为____。

分析：设饱和一元醇的通式为CnH2n+1OH,该一元醇的摩尔质量为M(A)。由反应方程式得:一元醇的相对分子质量为60。

根据该一元醇的通式,有下列等式: 12n+2n+1+16+1=60,解得:n=3。

故该一元醇的分子式是C3H8O。

点拨:运用方程式法解题的基本思路为:以有机物相关反应的化学方程式为依据,根据有机物在化学反应中量的关系列式计算,推求有机物的分子式。

(3)直接法。2.3g某有机物A完全燃烧后,生成0.1molCO2和2.7gH2O,测得该化合物的蒸气与空气的相对密度是1.6,则该化合物的分子式为____。

分析：根据题意,该有机物燃烧的产物只有CO2和H2O,因此该有机物中一定含有C和H两种元素,根据燃烧前后各元素的质量守恒,若m(有机物)=m(C)+m(H),则有机物中只含C、H两种元素;若m(有机物)〉m(C)+m(H),则有机物中含C、H、O三种元素,m(O)=m(有机物)-m(C)-m(H)。

根据C、H守恒可求得:m(C)= 0.1mol×12g·mol-1=1.2g,m(H)= 2.7g×2=0.3g。m(C)+m(H)=1.5g〈18 2.3g,因此,2.3g该有机物中还含有O,其质量为:m(O)=m(A)-m(C)-m(H)=2.3g-1.5g=0.8g。故知:N(C)∶N(H)∶N(O)==2∶6∶1,所以该有机物的实验式为C2H6O,分子式可设为(C2H6O)n,其相对分子质量为46。

又该有机物的相对分子质量为: Mr(A)=dMr(空气)=1.6×29=46,n=,故该有机物A的分子式为CHO。26

点拨:根据已知条件(如气体密度、相对密度、标准状况下的体积等)直接求出1mol有机物中各原子的物质的量,即可确定有机物的分子式。

三、确定有机物的结构式

方法精要：有机物分子结构的确定方法:知道有机物分子式后,再用下列方法判断其所含官能团、氢原子情况,进而确定其结构。

(1)物理方法。①利用红外光谱法初步判断有机物中含有的官能团或化学键。②利用核磁共振氢谱测定有机物分子中氢原子的类型和数目,氢原子的类型=吸收峰数目,不同氢原子个数比=不同吸收峰面积比。

(2)化学方法。①根据价键规律,某些有机物只存在一种结构,可直接由分子式确定结构。②官能团的特征反应→定性实验→确定有机物中可能存在的官能团。③通过定量实验,确定有机物中的官能团及其数目。

为测定某有机物A的结构,设计了如下实验:①将2.3g该有机物完全燃烧,生成了0.1molCO2和2.7gH2O;②用质谱仪实验得质谱图;③用核磁共振仪处理该化合物得核磁共振氢谱图,图中三个峰的面积比为1∶2∶3。试回答下列问题:

(1)有机物A的相对分子质量为____。

(2)有机物A的实验式为____。

(3)根据A的实验式____(填“能”或“不能”)确定A的分子式。

(4)A的分子式为____,结构简式为____。

分析：质谱图中最大质荷比即为有机物的相对分子质量,所以根据质谱图可知A的相对分子质量为46。2.3gA完全燃烧生成0.1mol CO2和2.7gH2O,则可计算出A的分子式为(C2H6O)n,即A的实验式为C2H6O。由于H原子已经饱和,所以该实验式就是其分子式又根据核磁共振氢谱图可知,A中有三种化学环境不同的H原子且数目之比为1∶2∶3,又因为A的通式符合饱和一元醇的通式,所以A的结构简式为CH3CH2OH。

答案：(1)46 (2)C2H6O (3)能

(4)C2H6O CH3CH2OH

点拨:分析质谱图、核磁共振氢谱图、红外光谱图等图像类问题时,先要弄清楚图像中各信息(如数据、峰值等)的化学意义,再将之运用到对应问题的推导、解答中。

(责任编辑 谢启刚