有机物分子式和结构式的确定
主讲人：王瀛
[基础知识]
一.有机分子式的确定途径:
1.分子式=(实验式)n 实验式是指:化合物分子所含各元素的原子数目最简单整数比的式子。它可以用已知化合物里各元素的质量、各元素的质量比，各元素的质量分数，以及在反应过程中反应物及产物的各种量的变化求出。
2.分子式也常用分子量推导出来。过程一般是这样：利用标况下密度或相对密度得出摩尔质量,然后利用直接的或间接的各元素含量,求出化合物的成分和每种元素原子物质的量,就可得到分子式。
3.利用化学反应方程式，确定化合物的组成元素，求出相关元素原子的物质的量，得出分子式。
4.可以利用通式，求出分子式。
随着知识的增多，求有机化合物分子式的能力会逐渐得到提高。
二.有机化合物结构式的确定:
由于有机物同分异构现象普遍，所以确定有机物的结构是个艰巨工作，就我们目前学的知识来讲，必须在相对分子质量无误的前提下利用它的化学性质和结构的稳定性来确定其分子结构。
[学习指导]
1.注意积累知识.
2.一题多种解法，解题后要总结。
[例题精析]
例1.有A、B、C三种有机物，它们的组成相同：含碳40%、氢6.67%,氧53.33%。A对氢气的相对密度是15，B的相对分子质量是A的6倍，C的蒸气密度在标准状况下是2.68g·L-1。
求3种化合物的分子式：
解：求先三种化合物的实验式.
N(C):N(H):N(O)=
实验式 CH2O 式量=30
A的相对分子质量=2×15=30
∴A的分子式就是实验式 CH2O
B的相对分子质量=6×30=180 n=6 ∴B的分子式是C6H12O6
C的摩尔质量=2.68g·L-1×22.4L/mol=60g/mol
C的相对分子质量是60 n=
∴C的分子式是C2H4O2
例2.有机物A蒸气的质量是同体积乙醇蒸气的2倍。1.38gA完全燃烧后，若将燃烧的产物通过碱石灰、碱石灰的质量增加3.06g；若将燃烧产物通过浓H2SO4，浓硫酸的质量增加1.08g。取4.6gA与足量钠反应，生成的气体在标准状况下的体积是1.68L；A不与纯碱反应，通过计算试确定A的分子式和结构式。
解：A的相对分子质量Mr(A)=46×2=92
水的质量m(H2O)=1.08g m(CO2)=3.06g-1.08g=1.98g
氢的质量m(H)=1.08g=0.12g
碳的质量m(C)=1.98g=0.54g 因为
m(H)+m(C)=0.12g+0.54g=0.66g<1.38g
所以,该有机物除C、H元素外还含有氧元素、m(O)=1.38g-0.66g=0.72g
该有机物分子中各元素原子数目为：
N(C)=
N(H)=
N(O)=
该有机物的分子式是C3H8O3
4.6g(0.05mol)A中被置换的H的物质的量n(H)=,1molA可被置换的H物质的量3mol。
A不与Na2CO3反应，说明A不是羧酸，与Na反应生成H2说明A是醇，1molA被置换出3molH,说明1分子A有3个醇羟荃（-OH）。因此A为丙三醇。分子式
C3H8O3，结构简式为：CH2CHCH2
OH OHOH
例3．某碳氢化合物A，是无色晶体，熔点为130-131℃。结构分析证实，在它分子中：(1)有8个碳原子；(2)每个碳原子都以3个键长相等的单键分别跟其它3个碳原子相连。(3)只有一种碳一碳一碳键角。请：(1)写出化合物A的分子式：(2)判断分子中有没有烯键；(3)写出A分子的结构式（只要求写出碳的骨架，不需要写出C、H的元素符号）。
分析：(1)依题意，8个碳原子各以3个单键连接其它3个碳原子，那么其第4价必然是H原子，有8个碳原子，必须有8个氢原子。计以其分子式为C8H8。
(2)碳原子有3个单键连接其它3个碳原子一个单键连接氢原子，每个碳都满足四价，是饱和的，所以A分子中没有烯键。
(3)C8H8比辛烷C8H18少了10个H原子，又没有烯键，必定是多环结构，8个碳原子与8个氢原子各放在等同位置上，只能是8个C原子为正立方体的八个顶角，每个碳原子上连一个氢原子。且与题目中键长、键角相核实。A的结构简式为：
例4.通常烷烃可以由相应的烯烃经催化加氢得到。但是有一种烷烃A分子式C9H20，它却不能由任何C9H18的烯烃催化加氢得到。而另外有A的3个同分异构体B1、B2、B3却分别可由而且只能由一种自己相应的烯烃催化加氢得到。请写出A、B1、B2、B3的结构简式，
A______B1______B2______B3______
分析：烯键催化加氢形成单键，那么相邻的两个碳原子上必须含有2个或1个氢原子。A不是由C9H18加成而制得，所以A分子中相邻的碳原子必须有季碳
（C-C-C）。 在烷烃A中，碳原子化合价必须饱和。20个H原子分配给6个甲基（-CH3），另外两个氢原子形成亚甲基（-CH2），所以A的结构中，应有6个-CH3，1个-CH2-，2个季碳原子。结
构简式只能是：
CH3-C-CH2-C-CH3
B1是A的同分异构体，由相对应的1种烯加成而制得，把A的结构重排，符合只能有两个相邻的碳原子上有氢原子。则B1的结构简式可能是：
CH3-C-C-CH2-CH3
B2也是A的同分异构体，由相对应的一种烯C9H18加成而来，必须只能两个相邻的碳原子上有氢原子，把A的结构进行原子调整，6个甲基（—CH3）不变，两个季碳变叔碳，（ ）亚甲基（-CH2-），去掉两个氢原子，变
C
季碳（C-C-C）。调整后，B2的结构简式为：
C
B3还是A的同分异构体，也是由相应一种烯烃加氢制得，必须只能两个相邻的碳原子上连有氢原子，6个甲基构成的烷仅有A、B1、B2这三种结构，就要考虑20个氢原子分配给4个乙基（—CH2CH3）4个乙基连接在季碳原子上符合题意。那么B3的结构简式为：
例5．某地区生产的石油中，可以分离出一种称为金刚烷的饱和烃，如图画出了这种烃的碳原子骨架（H原子已略去）
(1)它的分子内，连有2个H原子的碳原子数目是______个；分子内由C原子构成的最小环上有______个碳原子；这种环共有_____个；分子中C—C键间的夹角是______（填角度）
分析：既然是饱和烃，C必须满足四价，在碳原子的骨架中，只由两条单键相连的C原子上就有两个H原子，所以有6个C原子连有2个H原子。最小的碳环上有6个C原子。这环共有4个。在金刚烷中C原子成键类似甲烷，所以C-C键夹角应为109°28’。
例6．苯环上原有取代基对新导入苯环上的取代基的位置有一定影响，其规律是①苯环上新导入的取代基所占的位置主要决定于原取代基的性质。②可以把原取代基分为两类：第一类取代基如-OH，-Cl，-Br，-R等，可使新导入的取代基进入苯环的邻位和对位；第二类取代基-NO2、-SO3H、-CHO等可使新导入的取代基进入苯环的间位。
（1）写出上图中①②③变化的化学方程式
①________________②_________________
③________________
写出同互为分异构体E、F的结构简式
E________________F__________________
分析：①是苯与混酸发生硝化反应，A是硝基苯。②硝基苯进行催化溴代反应，-NO2是间对位基，所以B是间硝基溴苯。③是苯的催化溴代反应，C是溴苯。④是溴苯进行硝化反应，-Br是邻对位定位基，所以D是邻硝基溴苯。⑤是邻硝基溴苯又进行催化溴代反应，新导入的溴原子定位在原来溴原子的邻位和对位上生成E和F两种异构体。
(1)① +HO-NO2 +H2O
② +Br2 +HBr
③ +Br2 +HBr
(2)E： F：
[巩固提高]
一.选择题:
1.燃烧物质的量相等的某有机物和乙醇
（1）乙醇燃烧生成的CO2的量是有机物的。（2）该有机物燃烧生成水的量是乙醇的。（3）消耗相同状态下O2的体积相同。通过分析判断该有机物是下列哪种有机物（ ）
A．CH3CH2CH2CH2OH
B．CH2=CHCOOH
C．CH2=CHCHO
D．CH3CH2COOH
2.在一定条件下，由A和B两种有机物组成的气态混合物，无论A、B的含量如何改变，充分燃烧10mL时，需要O2的量也不改变，则这两种有机物可能是（ ）
A．C2H6O、C2H4
B．C2H4O、C2H4
C．C2H6O、C2H6
D．C2H4O、C2H2
3.某共价化合物由碳氢氮三种元素组成，已知其分子内的4个氮原子排列成内空的四面体结构，且每两个氮原子间都有1个碳原子，分子中无
C-C,C=C,C C 键。则此化合物的分子式是（ ）
A．C6H12N4
B．C4H8N4
C．C6H10N4
D．C6H8N4
4.一列分子中的14个碳原子不可能处在同一平面上的是（ ）
A. C.
B. D.
5.下列有机物分子中，所有的原子不可能处于同一平面的是（ ）
A．CH2=CH-CN B．CH2=CH-CH=CH2
C． -CH=CH2 D．CH2=C-CH=CH2
CH3
6.下列关于HC≡C- -CH=CHCH3的说法正确的是（ ）
A．所有碳原子有可能都在同一平面上
B．最多只可能有9个碳原子在同一平面上
C．有7个碳原子可能在同一条直线上
D．只可能有5个碳原子在同一直线上
Cl
7．医学上在对抗癌物质的研究中发现H3N-Pt-Cl，具有抗癌作用，而
Cl NH3
HN-Pt-NH3没有抗癌作用，结此下列有关叙述正确的是（ ）
Cl
A．两者互为同分异构体，都是以Pt原子为中心的四面体结构
B．两者互为同分异构体，都是以Pt原子为中心的平面结构
C．两者为同一物质，都是以Pt原子为中心的四面体结构
D．两者为同一物质，都是以Pt为中心的平面结构
8.1，2，3—三苯基环丙烷的3个苯基可以分布在环丙烷平面的上下，因此有如下2个异构体：[φ为苯基，环用键线表示，C、H原子都未画出]
据此，可判断1，2，3，4，5—五氯环戊烷（假定五个碳原子也处于同一平面上）的异构体是（ ）
A．4 B．5
C．6 D．7
二．填空题:
9．吗啡是严格查禁的毒品。吗啡分子含C质量分数是71.58%,H6.67%,N4.91%
其余是氧。已知其相对的分子质量不超过300，则吗啡的相对分子质量是______,其分子式是________.
三.计算题:
10.取3.40g只含羟基、不含其它官能团的液态饱和多元醇，置于5.00L氧气中，经点燃，醇完全燃烧。反应后气体体积减少0.56L。将气体经CaO吸收，体积又减少2.80L（所有气体均在标准状况下测定），求：
（1）该醇的分子式
（2）如果将该醇的任意一个羟基换成一个卤原子，所得到的卤代物都只有一种，试写出该醇的结构简式。
[自我反馈]
一．
1．B.分析：乙醇分子式是C2H6O,B的分子式是
C3H4O2,n(CO2)乙醇:n(CO2)B=2:3,n(H2O)乙醇:n(H2O)B=3:2。乙醇分子式改写成烃和氧化物形式为C2H4·H2O,而B分子式改写成C2H4、CO2、烃燃烧耗氧，而氧化物部分不耗氧，所以燃烧等量的乙醇和B耗氧量相同。
2．AD.分析：改写各组选项中的含氧衍生物的分子式，如果与同组选项中的烃分子式相同，则为正确组合，否则不是答案。A改写成C2H4·H2O，C2H4烃部分相同，为选项。B改成C2H2·H2O、C2H4烃部分不同，不是选项。C改成C2H4·H2O、C2H6不是选项，D改成C2H2·H2O，C2H2是选项。
3．A.分析，4个N原子，每个N原子用3个单电子与另3个N原子形成6条共价单键，算法是其中分母“2”表示2个电子为一条键。每两个N原子之间有一个C原子，所以分子中有6个C原子，而每个C原子有四价，两个N原子占去两价，所以每个C原子要连接2个H原子，分子中就有12个H原子。
4.B，D.分析：B分子中有季碳原子“ ”碳—碳—碳键角为,
所以季碳所连接的碳原子不可能都在同一平面上。D中有叔碳原子
叔碳的键角也是,四个碳原子也不可能同在一个平面上。而A中三个苯环会在同一平面上，C中每个甲基分别取代苯环中的一个H原子，因为苯分子是平面结构，所以苯环和甲基上的C原子在一个平面上。然后把其中一个
看成是取代基，取代另一个“ ”中的甲基邻位H原子，形成两个甲苯
苯环中的单键。单键可以旋转，14个碳原子完全可在同一平面上。
5.D
6.AD
分析：第5和第6题，是一种思路，乙烯分子为平面结构，苯分子为平面结构，CH4为四面体结构，乙炔分子为直线型结构。
7.B
8.A
分析：一种有四种，它们分别是：
二．9．285 C17H19NO3 解法1：按实验式法求相对分子质量和分子式。
N(C):N(H):N(N):N(O)=
=5.965:6.67:0.351:1.053
=17:19:1:3
实验式 C117H19NO3式量285.∵已知相对分子质量小于300。∴相对分子质量就是285，而分子式就是C17H19NO3。
解法2.在涉及到多种元素形成化合物时,特别是有N、S等元素时，计算相对分子质量可以先假定在一个分子中这些元素的原子只有1个。若吗啡分子中有1个N原子，其原子量是14，质量分数是4.91%，立刻求出吗啡相对分子质量：，符合要求。不可能含两个N原子，否则相对分子质量就超过了300。有了相对分子质量，再求各种元素的原子个数，就简便了许多。
N(C)=285×
N(H)=285×6.67%=19
N(O)=285×
得分子式C17H19NO3.
三.10． C5H12O4 C(CH2OH)4
解法1：醇已完全燃烧，在标况下水为液体，所以余下气体体积是
5.00L-0.56L=4.44L为CO2和O2，其中V(CO2)=2.80L，那么氧气就是
4.44L-2.80L=1.64L,参加反应的氧气体积是5.00L-1.64L=3.36L,
n(O2)=,生成CO2物质的量
n(CO2)=,
其中C元素的质量m(C)=0.125mol×12g·mol-1=1.5g.
3.4g醇中H、O两种元素质量总和为3.4g-1.5g=1.9g,设其中H元素质量为x，O元素质量是1.9-x，H元素与O元素一部分醇提供，一部分由参加反应的氧气提供完全化合成水。则有，解之得x=0.3
N(H)=0.3 N(O)=
N(C):N(H):N(O)=0.125:0.3:0.1=5:12:4。
氢原子已饱和，这个醇的分子式就是C5H12O4
根据该醇任何一个羟基被卤原子取代，所得到的卤代物只有一种。则这个四元醇的结构简式为
HOH2C—C—CH2OH 或写成C(CH2OH)4
解法2：参加反应的O2体积是3.36L，物质的量是0.15mol,其质量是4.8g.生成CO2的体积是2.80L,物质的量是0.125mol，质量是5.5g。根据质量守恒，生成水的质量m(H2O)=3.4g+4.8g-5.5g=2.7g,水的物质的量是0.15mol,3.4g醇中含H原子物质的量为0.3mol,醇中氧原子物质的量=n(CO2)×2+n(H2O)-n(O2)×2=0.125mol×2+0.15mol-0.15mol×2=0.1mol
N(C):N(H):N(O)=0.125:0.3:0.1=5:12:4
分子式C5H12O4
(2)结构简式 HOH2C—C—CH2OH 或C(CH2OH)4
[走向高考]
1.（99年全国）下列有机分子中，所有的原子不可能处于同一平面的是
CH2=CH-CN
CH2=CH-CH=CH2
D.CH2=C-CH=CH2
2.（93年上海）1体积某烃的蒸气燃烧生成的二氧化碳比水蒸气少1体积,(在相同条件下测定)。0.1mol该烃燃烧，其燃烧产物全部被碱石灰吸收，碱石灰增重39g，该烃的分子式是______，若它的一氯取代物有三种，则该烃的可能的结构简式是______.
解答：1.D.以C2H4分子结构为基础，在乙烯分子中，（ ）6个
原子处在同一平面上，乙烯分子中一个H原子被-C N ，被-CH=CH2，被 -取代后，就有的原子都可处在同一平面上，而被-CH3取代则不可能了。
键角为109°28’无论怎样旋转，甲基上的3个H原子都不会在同一平面上。
2.C6H14、CH3—C—CH2—CH3或CH3CH2CH2CH2CH2CH3
解答：根据1体积烃蒸气燃烧生成CO2的水蒸气少1体积，则判定此烃为烷烃，符合通过CnH2n+2 碱石灰吸收水为CO2，则有
0.1nmol×44g·mol-1+0.1(n+1)mol×18g·mol-1=39g n=6 所以分子式为C6H14.又由于烃的一氯取代物有三种，计以必须有三种不同的C原子上连有H原子，
则结构简式可能是CH3—C—CH2—CH3,也可能是CH3CH2CH2CH2CH2CH3
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