有机推断之数据计算

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  在有机推断中,定量推断离不开数据,数据信息是推断题的重要题眼。主要的数字信息有:相对分子质量,质量分数,消耗氧气、氢气、氢氧化钠、氢氧化铜、碳酸氢钠的量和生成二氧化碳、银的量等。
  一、已知等相对分子质量,用换元法推断有机物组成
  例1 有机物X只含C、H、O三种元素,相对分子质量为74。下列推断正确的是( )
  A.若X能与新制氢氧化铜发生中和反应和氧化反应,则X分子含4个氢原子
  B.若X属于一元醇,则它被催化氧化成醛的同分异构体有4种
  C.若X能与氢氧化钠反应,不能与钠反应,则它的同分异构体有3种
  D.若X能发生银镜反应和取代反应,则X经消去、氧化后可得到烯酸
  解析 本题根据相对分子质量、组成元素以及官能团来确定有机物结构简式,判断有机物官能团的转化。审题关键在于抓住“CO”与“C2H4”等量替换。相对分子质量为74,最多含3个氧原子,结构简式为HOOCCHO。而“CO”与“C2H4”相对分子质量相等,由此得出相对分子质量相等的三种有机物:CH3CH2CH2CH2OH、CH3CH2COOH、HOCH2CH2CHO以及它们的同分异构体。A选项,X与氢氧化铜发生中和反应和氧化反应,说明X含有羧基和醛基,则X结构简式为HOOCCHO,分子含2个氢原子,A选项错误;B选项,X是一元醇,分子式为C4H9OH,它的同分异构体有4种,其中只有两种能被氧化成醛(含-CH2OH),B选项错误;C选项,能与氢氧化钠反应,不与钠反应,X不含羟基,说明X可能为羧酸或酯,X为甲酸乙酯、乙酸甲酯、丙酸,C选项正确;D选项,X能发生银镜反应和取代反应,说明X含有醛基和羟基,X结构简式为HOCH2CH2CHO、CH3CH(OH)CHO,若先发生消去反应,生成CH2=CHCHO,后被氧化时,碳碳双键可能被氧化,故应先氧化,后消去,D选项错误。
  答案 C
  点拨 相对分子质量相等的有机物主要有:(1)同分异构体;(2)“CO”与“C2H4”相对分子质量相等,可以互换,如乙醇、甲醚、甲酸(HCOOH)相对分子质量相等。
  二、已知消耗氧气与生成二氧化碳的体积比,用通式法推断有机物组成
  例2 (1)现有一种只含C、H、O三种元素的有机物,它们燃烧时消耗的氧气和生成的二氧化碳的体积比为5:4,按上述要求,该类化合物的通式(最简通式)可表示为 。此类化合物中相对分子质量最小的物质的结构简式为 。此类化合物中生成二氧化碳和生成的水的物质的量之比为1∶1,且能发生水解反应的物质,其可能的结构简式为 。
  (2)还有一种有机物,它完全燃烧时,消耗氧气与生成二氧化碳的体积比为3∶4,分子结构中有两个羧基,其余的碳原子所结合的原子或原子团都相同,取0.2625 g该化合物恰好与25.00 mL 0.1000 mol·L-1的氢氧化钠溶液完全中和。由此得知,该化合物的分子式为 ,结构简式为 。
  解析 (1)依题意,n(O2):n(CO2)=5:4, 4C~4O2~4CO2,4 mol C只消耗4 mol O2,说明还有1 mol O2与4 mol H反应,即通式为(CH)n·(H2O)m。讨论:若n=1、m=1, 则CH3O,不存在,舍去;若n=2、m=1,则分子式为C2H4O,结构简式为CH3CHO。二氧化碳与水的物质的量之比为1:1,且发生水解,说明该有机物分子必含2个氧原子,即m=4、n=2,分子式为C4H8O2,可能的结构简式为:HCOOCH2CH2CH3、HCOOCH(CH3)2、CH3COOCH2CH3、CH3CH2COOCH3。
  (2)n(O2):n(CO2)=3:4, 由4C~4O2~4CO2知,组
  成除水外,4个碳必有2个氧原子,即通式为(C2O)n·(H2O)m,n(NaOH)=25.00×10-3 L×0.1000 mol·L-1=2.5×10-3 mol,因为该分子含2个-COOH,所以它的相对分子质量为[M=0.26252.5×10-3×2=210,]有40n+18m=210,讨论:当n=3、m=5时,符合题意。即分子式为C6H10O8,分子中含有2个-COOH,剩余:C4H8O4,每个碳原子上原子或原子团相同,它的结构简式为—(CHOH)4—,该有机物的结构简式为HOOC(CHOH)4COOH。
  答案 (1)(CH)n·(H2O)m,CH3CHO,HCOOCH2CH2CH3、HCOOCH(CH3)2、CH3CH2COOCH3、CH3COOCH2CH3;(2)C6H10O8,HOOC(CHOH)4COOH。
  点拨 碳、氢、氧有机物的通式可以为Cn·(H2O)x·(CO2)y或(CxHy·(CO2)n·(H2O)m)等,结合题意进行具体讨论。
  三、已知相对分子质量范围和耗氧量,用方程式法推断有机物组成
  例3 链烃A有支链且只有一个官能团,其相对分子质量在65~75之间,l mol A完全燃烧消耗7 mol氧气。
  (1)A的分子式是 ;
  (2)链烃B是A的同分异构体,分子中的所有碳原子共平面,其催化氢化产物为正戊烷,写出B所有可能的结构简式 ;
  (3)C也是A的一种同分异构体,它的一氯代物只有一种(不考虑立体异构)。则C的结构简式为 。
  解析 (1)设A的通式为CnHm,其燃烧的化学方程式为CnHm+([n+m4])O2→nCO2+[m2]H2O,
  依题意,[n+m4]=7,65<12n+m<75,只有n=5、m=8符合有机物的价键理论。A的分子式为C5H8。
  (2)C5H8的不饱和度为[12-82=2],抓住A的同分异构体催化氢化产物为正戊烷,逆推结构简式。其可以是炔烃,也可以是二烯烃。由乙炔分子中所有原子共线推知,CH3C≡C-CH2CH3,两条相交直线一定共面;由乙烯结构知,CH2=CH-CH=CH-CH3分子中碳原子可能共面。   (3)C是A的同分异构体,C的分子式为C5H8,而一氯代物只有一种结构,说明C只有一种氢原子,换一种说法,C分子中含有4个“CH2”,只有形成2个环的环烷烃才符合要求。
  答案 (1)C5H8; (2)CH2=CHCH=CHCH3,
  CH3CH2C≡CCH3; (3)[CH2][CH2][CH2][CH2] [C]。
  点拨 本题考查教材延伸知识:(1)等碳原子数的炔烃与二烯烃互为同分异构体;(2)等碳原子数的炔烃、二烯烃与含两个环的环烷烃互为同分异构体;(3)B分子中碳原子共平面问题:CH3-CH2-C≡C-CH3分子中,有4个碳原子一定共线(或一定共面),第5位碳原子与第4位碳子共线(两点决定一条直线),但该碳碳单键可以旋转, 即CH3CH2C≡C-CH3分子中5个碳原子可以在一条直线上,也可以形成两条相交的直线,根据“数学几何原理”,任意两条相交的直线在同一平面上,综上所述,该分子中5个碳原子共面。
  四、根据质量分数和相对分子质量范围,用讨论法推断有机物组成
  例4 某有机化合物A的相对分子质量(分子量)大于110,小于150。经分析得知,其中碳和氢的质量分数之和为52.24%,其余为氧。请回答:
  (1)该化合物分子中含 个氧原子;
  (2)该化合物的相对分子质量(分子量)是 ;
  (3)该化合物的化学式(分子式)是 ;
  (4)该化合物分子中最多含 个(羰基)官能团。
  解析 (1)分子中w(O)=1-52.24%=47.76%,当M(A)=110时,分子中氧原子数N(O)=[110×47.76%16]=3.3;当M(A)=150时,分子中氧原子数N(O)=[150×47.76%16]=4.5,N(O)的范围:3.3  答案 (1)4;(2)134;(3)C5H10O4;(4)1。
  点拨 对于模糊数据,可以列出不等式,结合化学意义讨论,化学意义指:原子数为正整数,分子中碳、氧、氢分别满足四价、二价和一价。
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