高考化学有机化学中的定量关系及应用 11页

有机化学中的定量关系及应用 有机化学的学习除了抓住有机物的官能团及有机物之间转化的定性关系外，还要善于发现有机化学中的定量关系，并能定性与定量相结合，将有利于学好有机化学。‎ 一、有机结构中的定量关系 ‎ 1．用烃的相对分子质量除以14（CH2的式量），看商数和余数。‎ MCH2‎ MCxHy ‎=‎ ‎=A……‎ M ‎14‎ 余2 为烷烃 除尽 为烯烃或环烷烃 差2 为炔烃或二烯烃 差6 为苯或苯的同系物 ‎ ‎ 其中商数A为烃分子中碳原子的个数。‎ ‎2．烯烃、环烷烃通式为，C、H质量比为定值，C%为定值：85.7%。‎ ‎3．所有烃中，C的质量分数最小的CH4为（75%），其次为C2H6（80%）。‎ ‎4．常温下为气态的烃，则C原子数一般小于等于4。‎ ‎5．所有烃中C原子数为1的只有CH4，相对分子质量最小的也为CH4，其次为C2H2（式量26）。‎ ‎6．符合一定碳、氢之比的有机物 ‎（1）C∶H＝1∶1的有：乙炔、苯、苯乙烯、苯酚等；‎ ‎（2）C∶H＝1∶2的有：甲醛、乙酸、甲酸甲酯、葡萄糖、果糖、单烯烃、环烷烃等；‎ ‎（3）C∶H＝1∶4的有：甲烷、甲醇、尿素等。‎ ‎7．不同有机物若式量相同，则：‎ ‎（1）、若少1个碳原子，则增加12个氢原子。‎ ‎（2）、若少1个碳原子，4个氢原子，则增加1个氧原子。‎ ‎（3）、若少4个碳原子，则增加3个氧原子。‎ ‎8．互为同系物的有机物式量相差14n，碳原子数相同的烷烃与饱和一元醛，饱和一元醇与饱和一元羧酸（或酯）式量相差14。‎ ‎9．常见的烃基结构：甲基、乙基均只有一种结构，丙基有2种结构，丁基有4种结构，戊基有8种结构。‎ ‎10．烃或烃的含氧衍生物中H原子数最多为2n+2，若结构中有一个双键（包括碳氧双键）或一个环则少2个氢原子；若有一个碳碳三键则少4个氢；若有一个苯环则少8个氢。‎ ‎11．饱和一元酸比饱和一元醇多1个碳原子时，两者的相对分子质量相等。‎ ‎12．常见基团的式量：―CH3（15），―CH2―（14），―C2H5―（29），―C3H7（43），―C4H9（57），一价―C6H5―（77），二价―C6H4―（76），―CHO（29），―COOH（45），―OH（17），―NH2（16）。‎ 例1．某有机物A的相对分子质量为128，若A是烃，则它的分子式可能是_______或______。‎ 解析：先假设A分子中含碳原子数最多，则128÷12=10余8，得烃分子式为C10H8；再用增减法，即减少一个碳原子必增加12个氢原子；反之，增加一个碳原子要减少12个氢原子。把一个碳原子换成12个氢原子，得C9H20。‎ 例2.完全燃烧一定量的乙烯与某烃的混合气体，测得其生成的气体质量为反应前质量的2.86倍，试通过计算确定该烷烃的分子式及它在混合气体中所占的物质的量分数。（气体质量在常温下测定）‎ 解析： 由m（CO2）/m（烃）= 2.86，‎ 得混合烃中碳的质量分数为：（C）=m（C）/m（烃）= =2.86×=78%，‎ 则混合烃必含一种碳的质量分数小于78%的烃，而碳的质量分数小于78%的烃只有甲烷。‎ 设混合气体共lmol，其中CH4为xmol， ‎ 由题意得：=2.86，x=0.818molo 混合气体中CH4的物质的量分数为81.80%。‎ 例3、A、B都是芳香族化合物，1molA水解得到1molB和1mol醋酸。A、B的相对分子质量都不超过200，完全燃烧都只生成CO2和H2O。且B分子中碳和氢元素总的质量分数为65.2%。A溶液具有酸性，不能使FeCl3溶液显色。‎ ‎(1)A、B的相对分子质量之差为 。(2)1个B分子中应该 个氧原子。‎ ‎(3)A的分子式是 。(4)B可能的三种结构简式是 。‎ 解析：由题意：A+H2O →B+CH3COOH，则A、B的相对分子质量相差42。进一步可知B的相对分子质量不超过158，由B中氧的质量分数可知，一个B分子中含有的氧原子数不超过：158×（1―0.652）/16=3.4 ，即小于等于3，再根据A的性质，可知B中应含一个―COOH，一个―OH，即有3个O原子。则B的相对分子质量为：16×3/（1―0.652）=138，―COOH（式量45），―OH（式量17），B中残基式是为76，恰为一个二价苯基（―C6H4―），则A的分子式为C9H8O4，B的结构可能有：‎ 提升练习：‎ ‎1．某混合烃由两种气态烃组成，取‎2.24L混合气燃烧后，得3.36LCO2和‎3.6g水，则关于混合烃的组成判断正确的是(气体体积均在标准状况下测定) （ ）‎ A.一定含甲烷 B.一定有乙烷 C.一定是甲烷和乙烯的混合气体 D.可能是甲烷和丙炔的混合气体 ‎2．某芳香族有机物的分子式为C8H6O2，它的分子（除苯环外不含其他环）中不可能有( )‎ A. 两个羟基 B. 一个醛基 C. 两个醛基 D. 一个羧基 ‎3．某有机物X能发生水解反应，水解产物为Y和Z。同温同压下，相同质量的Y和Z的蒸气所占体积相同，化合物X可能是 （ ）‎ ‎ A．乙酸丙酯 B．甲酸乙酯 ‎ C．乙酸甲酯 D．乙酸乙酯 ‎4．某烃A，分子量为140，其中碳的质量分数为0.857，A分子中有两个碳原子不与氢直接相连。A在一定条件下氧化只生成G，G能使石蕊试液变红。‎ 试写出：‎ ‎（1）A的分子式 ；‎ ‎（2）化合物A和G的结构简式：A G ；‎ ‎（3）与G同类的同分异构体（含G）可能有 种。‎ ‎5．含有氨基(—NH2)的化合物通常能够与盐酸反应，生成盐酸盐。如：R-NH2+HCl→R-NH2·HCl(R代表烷基、苯基等) 现有两种化合物A和B，它们互为同分异构体。已知：①它们都是对位二取代苯；②它们的相对分子质量都是137；③A既能被NaOH溶液中和，又可以跟盐酸成盐，但不能与FeCl3溶液发生显色反应；B既不能被NaOH溶液中和，也不能跟盐酸成盐；④它们的组成元素只可能是C、H、O、N、Cl中的几种。 请按要求填空：‎ ‎（1）A和B 。‎ ‎（2）A的结构简式是 ；B的结构简式是 。‎ 答案：1.A、C 2.D3.A、B 4.(1)C10H20； (2)(CH3)3CCH==CHC(CH3)3、 (CH3)3CCOOH； (3)4种。‎ ‎5.(1)C7H7NO2(或写成C7H7O2N) ； （2） ‎ 二、有机反应中的定量关系 ‎1、不饱和烃与氢气或卤素加成时，碳碳双键与氢气或卤素单质的物质的量之比为1∶1；碳碳三键与氢气或卤素单质的物质的量之比为1∶2；一个苯环与氢气加成时，其物质的量之比为1∶3。醛和酮中的碳氧化双键与氢气加成时的物质的量比为1∶1。注意：中学化学中一般不研究苯环与卤素的加成，羧基及酯基中碳氧双键与氢气的加成。‎ ‎2、烷烃或芳香烃与卤素的一卤代反应中，被取代的氢原子、卤素单质、生成的卤化氢之间的物质的量之比为1∶1∶1。‎ ‎3、醇与金属钠反应时，醇羟基、反应的钠、生成的氢气之间的物质的量之比为2∶2∶1，即2 ―OH →H2。‎ ‎4、醛的银镜反应中，醛基与生成的银的物质的量之比为1∶2，即―CHO →2Ag。‎ ‎5、醛与新制氢氧化铜反应中，醛基、消耗Cu（OH）2、生成的羧基、Cu2O的物质的量之比为1∶2∶1∶1，即―CHO →2Cu（OH）2。‎ ‎6、羧基、酚羟基具有与NaOH反应的物质的量之比为1∶1。注意：酯基及卤代烃水解后生成的酸，也可与NaOH溶液反应，故酯基（或一卤代烃）与NaOH的物质的量之比为1∶1；若酯水解后另一产物为酚，则酚羟基与还能消耗NaOH。‎ ‎7、酚与浓溴水反应时，在酚羟基的邻、对位发生取代，若其邻、对位均有氢，则酚羟基与Br2的物质的量之比为1∶3。‎ ‎8、当醇被氧化生成醛时后，一个羟基氧化后式量减少2；醛被氧化生成羧酸后，一个醛基加氧化后变为羧基，式量增加16。如：‎ CH3CH2OH CH3CHO CH3COOH ‎（式量46） （式量44） （式量60）‎ 即有一个—CH2OH最终氧化为—COOH式量增大14。‎ ‎9、酯化反应中的规律：‎ ‎（1）当一元羧酸与一元醇完全酯化时，羧酸、醇、酯三者之间有如下关系：碳原子数：N（酯）= N（酸）+N（醇）；②、氢原子数：N（酯）=N（酸）+N（醇）－2；③、相对分子质量关系：M（酯）= M（酸）+ M（醇）－M（水）。‎ ‎（2）、由反应CH3COOH（式量60）+C2H5OH（式量46） →CH3COOC2H5（式量88）+H2O（式量18）分析：‎ ‎①、当一元醇与乙酸发生酯化反应生成酯后，酯的式量比一元醇的式量增加42，进一步可推导出，n元醇与乙酸发生酯化反应，酯的式量比n元醇的式量增加42n。‎ ‎②、当一元羧酸与乙醇发生酯化反应生成酯后，酯的式量比一元羧酸的式量增加28，同理可推导出，n元羧酸与乙醇发生酯化反应，酯的式量比n元羧酸的式量增加28n。‎ 例1.中草药秦皮中含有的七叶树内酯 ‎ (碳氢原子未画出，每个折点表示一个碳原子)，具有抗菌作用。若1mol 七叶树内酯，分别与 浓溴水和NaOH溶液完全反应，则消耗的Br2和NaOH的物质的量分别为( )‎ A.3mol ，2mol B.3mol ，4mol C.2mol ，3mol D.4mol B，4mol ‎ 解析：本题要求学生在理解酚和酯的结构及其性质的基础上，将获取的有关规律迁移到题目所指定的有机物中。由于学生在课本中学习的是一元酚和普通酯，而题设物质却是一种既可以看成二元酚，又可看成酯(内酯)且含有双键的复杂有机物，所以本题在考查相关知识点的同时，也在一定程度上考查学生思维的灵活性、广阔性和创造性。‎ 仔细观察该有机物的结构简式并结合已有知识，不难得知：1mol七叶树内酯可与3mol Br2 相作用，其中2mol Br2 用于酚羟基的邻位氢的取代(注：对位无氢可取代)，1mol用于酯环上双键的加成，其反应原理为：，当1mol七叶树内酯与NaOH反应时，需4mol NaOH，其中3mol NaOH与酚羟基(包括水解后生成 的)作用，1mol NaOH与水解后产生的羧基发生中和反应， 选B。‎ 例2.已知：‎ 现有只含C、H、O的化合物A~F,有关它们的某些信息,已注明在下面的方框内。‎ ‎(1)在化合物A~F中有酯的结构的化合物是(填字母代号) 。‎ ‎(2)把化合物A和F的结构简式分别填入下列方框中。‎ 解析：（1）根据信息可知，在乙酸、乙酸酐存在时，酯化羟基，而在乙醇、硫酸存在时，酯化羧基，故含有酯的结构的化合物为B ‎、C、E、F。（2）据所给信息,可以看出：乙醇和乙酸起酯化反应后,其分子量增加了42,由C与D分子量相差84,可以确定A中有两个—OH，并且不连在同一个C原子上，则D中亦含有两个—OH和至少一个—COOH，故D中“残基”式量为：106―17×2―45=27，则“残基”为“C2H‎3”‎，故D中含一个—COOH，A中无—COOH，A中有两个—OH，一个—CHO，两个—OH不能连在同一个C上，可知A为CH2OH（CHOH）CHO。‎ 答案：(1)B、C、E、F ‎(2)‎ ‎1.白藜芦醇广泛存在于食物（例如桑椹、花生、尤其是葡萄）中，它可能具有抗癌性。能够跟1摩尔该化合物起反应的Br2或H2的最大用量分别是 ( )‎ A、1mol 1 mol B、3.5 mol 7 mol C、3.5 mol 6 mol D、6 mol 7 mol ‎2．A、B、C、D都是含碳、氢、氧的单官能团化合物，A水解得B和C，B氧化可以得到C或D，D氧化也得到C。若M（X）表示X的摩尔质量，则下式中正确的是 （ ）‎ A.M(A)=M(B)+M(C) 　　　　　　　　　B‎.2M（D）= M（B）+M(C) C.M（B）< M( D)＜M（C） 　　　　 　D.M（D）＜M（B）4,燃烧前后体积增大,△V=—1 ‎ ③ 若y<4,燃烧前后体积减少,△V=1— ‎ 例1.两种气态烃以任意比例混合,在‎105℃‎时‎1 L该混合烃与‎9 L氧气混合,充分燃烧后恢复到原状态,所得气体体积仍是‎10 L.下列各组混合烃中不符合此条件的是 ( )‎ A.CH4、C2H4 B.CH4、C3H‎6 C.C2H4、C3H4 D.C2H2、C3H6‎ 解析：因混合烃燃烧前后气体体积不变，则混合烃平均组成中H原子数为4，又因以任意比混合，故每种气态分子中H原子数均为4，故选B、D。‎ ‎2 .气态烃(CxHy)完全燃烧后恢复到常温常压时气体体积的变化直接用烃类物质燃烧的通式通过差量法确定,气体体积总是减小,减小值为(1+),也只与H原子数有关。‎ ‎3.液态有机物(大多数烃的衍生物及碳原子数大于4的烃)的燃烧,如果燃烧后水为液态,则燃烧前后气体体积的变化为：氢原子的耗氧量减去有机物本身提供的氧原子数的。‎ ‎4、有机物（设其分子式为CxHyOz，下同），完全燃烧产物为CO2和H2O ，故可采用从燃烧产物逆向思考是解决此类题的有效方法。‎ 如：①若CO2的体积比H2O少1，则y=2x+2，为烷烃、饱和醇、醚等；‎ ‎②若CO2的体积等于H2O的体积，则y=2x，为烯烃、环烷烃、饱和一元醛、酸、酯等；‎ ‎③若CO2的体积比H2O多1，则y=2x-2，炔烃、二烯烃等；‎ ‎④若CO2的体积比H2O多3，则y=2x-6，为苯及其同系物。‎ ‎5、有机物的物质的量一定时： ‎ 比较判断耗氧量的方法步聚：①烃类根据分子中碳、氢原子个数求（x+）的值，（x+）的值越大，耗氧量越多。也可以按1个碳原子与4个氢原子的耗氧量相当转换成碳或氢原子个数相同后再进行比较即可。②若属于烃的含氧衍生物，先将分子中的氧原子结合氢或碳改写成H2O或CO2的形式，即将含氧衍生物改写为CxHy·(H2O)n或CxHy·(CO2)m或CxHy·(H2O)n·(CO2)m形式,再按①比较CxHy的耗氧量。‎ ‎6、有机物的质量一定时：‎ ‎（1）烃类(CxHy)完全燃烧的耗氧量与成正比 ‎（2）燃烧时耗氧量相同，则两者的关系为：（1）同分异构体 或 （2）最简式相同 例3.相同物质的量的下列有机物，充分燃烧，消耗氧气量相同的是 ( )‎ A．C3H4和C2H6 B．C3H6和C3H8O C．C3H6O2和C3H8O D．C3H8O和C4H6O2‎ 解析：A中C3H4的耗氧量相当于C2H8,B、C、D中的C3H8O可改写为C3H6·(H2O),C中的C3H6O2可改为C3H2·(H2O)2,D中的C4H6O2可改为C3H6·(CO2),故选B、D。‎ 例4.有机物A、B只可能烃或烃的含氧衍生物,等物质的量的A和B完全燃烧时,消耗氧气的量相等,则A和B的分子量相差不可能为(n为正整数) ( )‎ A.8n B.14n C.18n D.44n 解析: A中的一个碳原子被B中的四个氢原子代替,A和B的分子量相差8的倍数,即A. 如果A和B的分子组成相差若干个H2O或CO2 ,耗氧量也不变，即分别对应C和D。故选B。‎ 例5.在下列烃中，（1）等物质的量完全燃烧耗氧量最大的是（ ），（2）等质量完全燃烧耗氧量最大的是（ ）‎ A.C3H8 B.C4H‎6 C.C2H2 D.CH4‎ 解析：由规律，（1）比较（x+）大小，依次为5、5.5、2.5、2，选B；（2）比较大小，依次为：8/3、6/4、1、4，选D。　　‎ 例6.下列各组有机物完全燃烧时耗氧量不相同的是 ( )‎ A．‎50g乙醇和‎50g甲醚 B．‎10g乙炔和‎10g苯 C．‎200g甲醛和‎200g乙酸 D．‎100g甲烷和‎100g乙烷 解析：A中的乙醇和甲醚互为同分异构体，B、C中两组物质的最简式相同，所以答案为D。‎ 1、 混合物的总物质的量一定 ‎（1）若生成的CO2为定值，则要求混合物中各组分化学式中C原子数应相同，如C2H6、C2H4和C2H6O。‎ ‎（2）若生成的H2O为定值，则要求混合物中各组分化学式中H原子数应相同，如C2H6、C4H6和C2H6O2。‎ ‎（3）若耗氧量为定值，要求各组分耗氧量相同，如C2H4、C2H6O等，一般通式如CxHy和CxHy·(H2O)m·(CO2）n。‎ 2、 混合物总质量一定 ‎（1）若生成的CO2为定值，则要求各组分的C%相等，有两种情况：‎ ‎①最简式相同，如C2H2和C6H6，HCHO和CH3COOH，通式为CnH2n的烃。‎ ‎②最简式不同，如CH4与C8H16O、C9H20O及C10H8O2等，‎ 此类有机物的特征是，C%不变，将H质量与O质量进行等量代换，即16H～O，如CH‎4C8H32（8CH4）C8H16O ‎（2）若生成的H2O为定值，则要求各组分的H%相等，有两种情况：‎ ‎①最简式相同，如C2H2和C6H6，HCHO和CH3COOH，通式为CnH2n的烃。‎ ‎②最简式不同，如C7H8和C3H8O3，处理方法同上 ‎（3）若耗氧量为定值，则要求C%、H%都相同，即有机物的最简式相同。‎ 例9.分别取等质量的甲烷和A（某饱和一元醇）、B(某饱和一元醛),若它们完全燃烧,分别生成了物质的量相同的CO2 .则:‎ ‎（1）A的分子式为_______;B的分子式为_______。‎ ‎（2）写出符合上述要求时，CH4和A、B的分子组成必须满足的条件是__________（以n表示碳原子数，m表示氧原子数，只写通式）。‎ 解析：A、B、C中的碳的质量分数与甲烷中相同，（1）中CH4→CnH4n→CnH2n+2O，得4n=2n+2+16，n=9，故A为C9H20O，同理，B为C8H16O；（2）的通式推导抓住每少16个氢原子增加一个氧原子即可，即CnH4n-16mOm.‎ 例10.下列各组混合物中，不论二者以什么比例混合，只要总质量一定，完全燃烧时生成CO2的质量不为定值的是 （ ）‎ A．甲烷、辛醛 B．乙炔、苯乙烯 C．甲醛、甲酸甲酯 D．苯、甲苯 解析：混合物总质量一定，不论按什么比例混合，完全燃烧后生成CO2的质量保持不变，要求混合物中各组分含碳的质量分数相同。B、C中的两组物质的最简式相同，碳的质量分数相同，A中碳的质量分数也相同，故选D。‎ 例8．化合物CO、HCOOH和OHC—COOH（乙醛酸）分别燃烧时，消耗的O2和生成的的CO2体积比都是1∶2，后两者的分子式可以分别看成是CO（H2O）和（CO）2（H2O），也就是说，只要分子式符合[（CO）n（H2O）m]（n和m均为正整数）的各种有机物，它们燃烧时消耗的O2和生成的CO2体积比总是1∶2。‎ 现有一些只含C、H、O三种元素的有机物，它们燃烧时消耗的O2‎ 和生成的CO2的体积比是3∶4。‎ ‎（1）这些有机物相对分子质量最小的化合物的分子式是 。‎ ‎（2）某两种C原子数相同的上述有机物，若它们的相对分子质量分别为a和b（a