内容正文:
专题突破(一) 确定有机化合物结构的方法拓展
第一章 有机化合物的结构特点与研究方法
一、有机物分子中等效氢原子的判断与应用
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二、有机物分子式的确定
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内容索引
课时测评
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三、有机物结构简式的确定
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一、有机物分子中等效氢原子的判断与应用
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1.等效氢原子
有机化合物中,处于相同化学环境中的氢原子,可认为是“等效氢原子”。
(1)同一个碳原子上的氢原子等效,如CH4中4个H等效。
(2)同一个碳原子上所连接的甲基(—CH3)上的H等效,如新戊烷
中12个H等效。
(3)处于对称位置上的氢原子是等效的,如CH3CH3中的6个氢原子等效,乙烯分子中的4个氢原子等效,苯分子中的6个氢原子等效。
2.等效氢原子的应用
(1)一元取代物同分异构体的种类数
单官能团有机物可看作烃分子中一个氢原子被其他原子或原子团(官能团)取代的产物,即烃分子中等效氢原子有几种,则该烃一元取代产物就有几种同分异构体。
(2)二元取代物同分异构体的种类数
二元取代物可在一元取代物的基础上继续分析等效氢原子的种类,剔除重复结构后,即为二元取代物的种类数。
典题精析
试分析以下3种有机物分子中分别有几种等效氢原子?
(1)CH3C(CH3)2C(CH3)2CH3:________种;
(2) :________种;
(3) :________种。
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针对练1.下列芳香烃苯环上的一氯代物只有一种的是
√
针对练2.回答下列问题(不考虑立体异构):
(1)丙烷的二氯代物的同分异构体有________种。
(2)已知化合物B3N3H6(硼氮苯)与C6H6(苯)的分子结构相
似(如图),则硼氮苯的二氯代物的同分异构体的数目为
________种。
(3)“立方烷”是人工合成的一种烃,其分子为正方体
结构,其碳骨架结构如图所示:
立方烷的二氯代物有________种同分异构体。
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二、有机物分子式的确定
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1.单位物质的量法
根据有机物的摩尔质量(或相对分子质量)和有机物中各元素的质量分数,推算出1 mol有机物中各元素原子的物质的量,从而确定分子中各原子的个数,最后确定有机物的分子式。
2.化学方程式法
3.商余法
用烃(CxHy)的相对分子质量除以12,看商和余数,即 =x……y,则分子式为CxHy。在此基础上,由一种烃的分子式求另一可能烃的分子式可采用增减法推断,其规律如下:
1.相对分子质量为128的烃,其可能的分子式为________________。
2.已知有机物的最简式,必须要知道其相对分子质量才能确定其分子式吗?
提示:不一定。根据有些特殊的实验式,可直接确定分子式。碳氢原子个数符合CnH2n+2的组成,或实验式中原子个数扩大2倍后符合CnH2n+2的组成关系,可直接确定分子式。如实验式为CH3O、C2H5O,则分子式为C2H6O2和C4H10O2。
典题精析
C10H8或C9H20
3.完全燃烧某液态烃10.25 g,产生16.8 L CO2(标准状况)和11.25 g水。此烃蒸气对氢气的相对密度为41。试用多种方法确定该烃的分子式。
提示:方法一 单位物质的量法
方法二 最简式法
方法三 商余法
方法四 化学方程式法
设该烃的分子式为CxHy,则
解得x=6,y=10,所以该烃分子式为C6H10。
针对练3.三聚氰胺最早被李比希于1834年合成,它有毒,不可用于食品加工或作食品添加剂。经李比希法分析得知,三聚氰胺分子中,氮元素的含量高达66.67%,氢元素的质量分数为4.76%,其余为碳元素。它的相对分子质量大于100,但小于150。试回答下列问题:
(1)分子中原子个数比N(C)∶N(H)∶N(N)=__________。
1∶2∶2
(2)三聚氰胺的分子式为___________。
C3H6N6
即2.4<N(C)<3.6,又N(C)为正整
数,所以N(C)=3,因为N(C)∶N(H)∶N(N)=1∶2∶2,所以分子式为 C3H6N6。
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三、有机物结构简式的确定
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1.图谱法
红外光谱、核磁共振氢谱分别获取官能团或化学键、氢原子种类等信息。
2.价键规律法
(1)不饱和度(Ω):有机物分子与碳原子数相等的链状烷烃(CnH2n+2)比较,每减少2个氢原子,则有机物的不饱和度增加1。
如 :Ω=1,—C≡C—:Ω=2, :Ω=1, :Ω=1,
苯环:Ω=4。
(2)可根据不饱和度,判断可能含有的化学键或结构。如:CH4O中的碳原子已饱和,其结构简式只能是__________;C4H8的Ω=1,可能为______或_________。
CH3OH
烯烃
环烷烃
3.化学方法
方法 依据 结论或实例
① 定性实验 实验中有机化合物表现出的性质 确定官能团
② 定量实验 确定有机化合物的官能团 如乙醇结构简式的确定
确定官能团的数目 如1 mol某醇与足量钠反应可得到1 mol氢气,则说明1个该醇分子中含2个—OH
③ 进行“组装”确定 根据实验测得的官能团种类、数目,联系价键规律等进行“组装”和
“拼凑” 确定有机化合物的结构简式
为了测定某仅含碳、氢、氧三种元素的有机化合物的结构,同学们进行了如下实验。首先取该有机化合物样品4.6 g,在纯氧中完全燃烧,将产物先后通过浓硫酸和碱石灰,两者分别增重5.4 g和8.8 g;然后用质谱仪测定其相对分子质量,经测定得到如图1所示的质谱图;最后用核磁共振仪处理该有机物,得到如图2所示的核磁共振氢谱图。
该有机化合物的结构简式为_______________。
典题精析
提示:CH3OCH3。确定过程图示如下:
针对练4.某有机物A的红外光谱如图所示。则该有机物的结构简式可能为
√
从红外光谱中可以看出该有机物分子中含有
结合选项同时满足以上结构的物质为 ;综上所述,故选C。
针对练5.已知某有机物X有如下性质:
①X不和Na2CO3反应;
②X的蒸气相对于H2的相对密度为46.0;
③取1.84 g X与过量的金属钠完全反应后,生成672 mL(标准状况)气体;
④一定质量的X完全燃烧后,产生的气体依次通过浓硫酸和碱石灰,二者的质量分别增加36.0 g和66.0 g。
则X的结构简式为______________。
由②可得X的相对分子质量为46.0×2=92.0。
由①③中X的化学性质可知X含有的官能团为羟基。
故1个X分子中含有3个—OH。
因此碳原子和氢原子的个数比为3∶8,由于X中H原子已经达到饱和,所以该有机物中只能含有3个C、8个H,可设X的分子式为C3H8On。由X的相对分子质量为92.0得n=3,故X的分子式为C3H8O3,结构简式
为 。
针对练6.某芳香烃A的质谱图如图所示:
(1)A的名称为________。
(2)A的一氯代物共有________种。
甲苯
4
根据“芳香烃”知必含苯环,根据图中最右侧的分子离子峰的最大质荷比为92,可知A的相对分子质量为92,可得A为甲苯。
甲苯中苯环上的一氯代物有3种,分别为与甲基相邻、相间和相对,甲基上还有一种,共4种。
(3)A中最多有________个原子共平面。
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苯环上的12个原子肯定在一个平面上,甲基中的碳原子相当于苯环上的一个氢原子,肯定在平面上,甲烷分子中与碳原子共平面的氢原子最多有两个,将甲基的共面问题类比甲烷的共面,所以最多有13个原子共平面。
(4)9.2 g A在足量O2中充分燃烧,混合气体依次
通过足量的浓硫酸和碱石灰,分别增重_____g
和_______g。
(5)A分子的核磁共振氢谱有______个峰,峰面积之比为______________。
7.2
30.8
9.2 g甲苯完全燃烧可得0.4 mol水和0.7 mol CO2,即7.2 g水和30.8 g二氧化碳。
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1∶2∶2∶3
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课时测评
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题点一 有机物分子中氢原子种类的判断与应用
1.有机化合物 的一氯代物共有(不考虑立体异构)
A.3种 B.4种
C.5种 D.7种
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2.下列有机物一氯代物的同分异构体数目与其他三种不同的是(不考虑立体异构)
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3.由E(金属铁)制备的E(C5H5)2的结构如图甲所示,其中氢原子的化学环境完全相同。但早期人们却错误地认为它的结构如图乙所示。核磁共振氢谱能够区分这两种结构。甲和乙的核磁共振氢谱图中,分别有几组吸收峰
A.1 1
B.1 2
C.1 3
D.2 3
√
甲中氢原子的化学环境完全相同,其核磁共振氢谱图中只有1组吸收峰;乙中与铁相连的2个五元环结构完全相同,每个五元环中有3种不同化学环境的氢原子,则其核磁共振氢谱图中有3组吸收峰。
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题点二 有机物分子式的确定
4.验证某有机物属于烃的含氧衍生物,应完成的实验内容是
A.只需验证它完全燃烧后产物只有H2O和CO2
B.只需测定其燃烧产物中H2O和CO2物质的量的比值
C.测定完全燃烧时消耗的有机物与生成的CO2、H2O的物质的量之比
D.测定该试样的质量及其完全燃烧后生成CO2和H2O的质量
√
烃的含氧衍生物或烃燃烧均生成H2O和CO2,不能通过燃烧法进行确定;测定该试样的质量及其完全燃烧后生成CO2和H2O的质量,可以确定一定质量的有机物中含有C、H元素的质量,根据质量守恒可确定是否含有O元素。
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5.下列实验式中,不用相对分子质量就可以确定分子式的是
①CH3 ②CH ③CH2 ④C2H5
A.①② B.③④
C.②③ D.①④
√
实验式乘以整数倍,即可得到有机物的分子式。根据链状烷烃通式,当碳原子数为n时,则氢原子数最多为2n+2。符合实验式为CH3的只有C2H6;符合实验式为CH的有C2H2、C6H6等;符合实验式为CH2的有C2H4、C3H6等;符合实验式为C2H5的只有C4H10。
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6.已知某有机物9.2 g与足量氧气在密闭容器中完全燃烧后,将反应生成的气体依次通过浓硫酸和碱石灰。浓硫酸增重10.8 g,碱石灰增重17.6 g,该有机物的分子式是
A.C2H6O B.C2H4O
C.CH4O D.C2H6O2
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将反应生成的气体依次通过浓硫酸和碱石灰,浓硫酸增重的10.8 g为水的质量,碱石灰增重的17.6 g为二氧化碳的质量。生成水的物质的量为
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子中含有氧原子的物质的量为
=0.2 mol。该有机物分子中含有C、H、O原子的物质的量之比为0.4 mol∶1.2 mol∶0.2 mol=2∶6∶1,该有机物的最简式为C2H6O,由于C原子已经饱和,故该有机物的分子式为C2H6O,故A正确。
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题点三 有机物结构简式的确定
7.A、B两种有机物都属于烃类,都含有6个氢原子,它们的核磁共振氢谱如图。下列说法一定错误的是
A.A是C2H6,B是
B.A是C2H6,B是CH3CH==CH2
C.A是△,B是CH3CH==CH2
D.A是△,B是HC≡C—CH2—C≡CCH3
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A是C2H6,只有1种氢原子,
B是 ,只有1种氢原子,
A符合题意;A是C2H6,只
有1种氢原子,B是CH3CH==CH2,含有3种氢原子,且3种氢原子个数之比为1∶2∶3,B不符合题意;A是△,只有1种氢原子,B是CH3CH==CH2,含有3种氢原子,且3种氢原子个数之比为1∶2∶3,C不符合题意;A是△,只有1种氢原子,B是HC≡C—CH2—C≡CCH3,含有3种氢原子,且3种氢原子个数之比为1∶2∶3,D不符合题意。
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8.(2024·苏州高二检测)下列关于青蒿素分子结构的研究
中说法不正确的是
A.通过核磁共振氢谱能确定青蒿素分子中有三种氢原子
B.通过质谱法能确定青蒿素的相对分子质量
C.通过红外光谱能确定青蒿素分子中含有酯基
D.通过化学反应证明分子中含有过氧基(—O—O—)
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青蒿素分子结构不对称,除了甲基上的氢原子外,还有其他
类型的氢原子,不止三种,故A项错误;质谱仪通过质荷比
确定相对分子质量,通过质谱法能确定青蒿素的相对分子质
量,故B正确;依据红外光谱的特征频率可以鉴别有机物中
含有哪些官能团,故C正确;含有过氧基的物质在高温下易分解,通过检验青蒿素的热稳定性可以证明其中含有过氧基,故D正确。
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9.化合物A经质谱法和燃烧实验分析得知其相对分子质量为136,分子式为C8H8O2。A分子中含有一个苯环且苯环上只有一个取代基,其红外光谱图与核磁共振氢谱图如图所示。下列关于A的说法错误的是
A.A属于酯
B.A在一定条件下可与3 mol H2发生加成反应
C.符合题中A分子结构特征的有机物只有1种
D.与A属于同类化合物的同分异构体(不包括A)只有2种
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因化合物A中有4种不同化学环境的氢原子,
且个数之比为1∶2∶2∶3,又因为A是一取
代苯,则苯环上有3种氢原子,个数分别为
1、2、2,所以苯环侧链上的3个氢原子等
效,则侧链取代基中含有—CH3,结合红
外光谱图可知,A为 。A中
含有酯基,属于酯;1 mol A在一定条件下
可与3 mol H2发生加成反应;与A属于同类
化合物的同分异构体(不包括A)有5种。
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10.(2024·大连高二期中)某学习小组研究某烃
的含氧衍生物A的组成和结构,研究过程如下:
称取9 g A在足量氧气中充分燃烧,并使产物依
次缓缓通过浓硫酸、碱石灰,发现两者分别增
重5.4 g和13.2 g,对A进行波谱分析结果如图。
下列说法错误的是
A.由质谱图可知A的实验式为C3H6O3
B.结合红外光谱和核磁共振氢谱可知A的结
构简式为CH3CH(OH)COOH
C.B是A的位置异构体,则B在核磁共振氢谱中峰面积之比为2∶2∶1∶1
D.取1 mol A、C2H6O、C2H4的混合物,三者无论以何种比例混合,完全燃烧消耗氧气的物质的量均为3 mol
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为CH2O,通过质谱法测得A的相对分子质量为90,设A的分子式为(CH2O)n,则(12+2+16)n=90,n=3,故A的分子式为C3H6O3,A错误;根据红外光谱知A中含有—OH和—COOH,由核磁共振氢谱知A中含有4种氢原子,其数目之比为1∶1∶1∶3,故A的结构简式为
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CH3CH(OH)COOH,B正确;B是A的位置异构体,则B为CH2(OH)CH2COOH,共有4种氢原子,B在核磁共振氢谱中峰面积之比为2∶2∶1∶1,C正确;根据1 mol CxHyOz完全燃烧消耗氧气的量为(x
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11.(双选)某有机化合物的蒸气密度是同温同压下氢气密度的31倍。该有机化合物在氧气中充分燃烧,生成4.48 L(已折算成标准状况)CO2和5.4 g H2O,无其他产物。下列关于该有机化合物的说法正确的是
A.该有机化合物的分子式一定为C2H6O2
B.质谱法测得其最大质荷比为62
C.红外光谱法测定其可能含有酰胺基
D.该有机化合物的实验式一定为CH3
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某有机化合物的蒸气密度是同温同压下氢气密度的31倍,则该有机物的相对分子质量为62;根据燃烧产物可知,该有机化合物中一定含有C、H元素,且该有机物分子C、H原子的个数比为
=1∶3,若有机物不含O元素,可设该有机物的分子式为CxH3x,此时12x+3x=62,解得x为非整数,因此该有机物一定含有O元素,该有机物的分子式为C2H6O2,A正确;该有机物的相对分子质量为62,故质谱法测得其最大质荷比为62,B正确;该有机物不含N元素,不可能含有酰胺基,C错误;该有机化合物的实验式为CH3O,D错误。
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12.2016年诺贝尔化学奖由法国、英国、荷兰的三位科学家获得,以表彰他们在分子机器研究方面的成就。三蝶烯是分子机器的常见中间体,其合成方法如下:
下列说法正确的是
A.化合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均为烃
B.三蝶烯的一氯代物有3种
C.由化合物Ⅱ生成化合物Ⅲ发生的是取代反应
D.苯炔与苯互为同分异构体
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A项,化合物Ⅰ含有F、Br,不是
烃,A错误;B项,三蝶烯为对称
结构,苯环上有2种不同化学环境
的氢原子,连接苯环的碳原子上有1种化学环境的氢原子,B正确;C项,化合物Ⅱ生成化合物Ⅲ发生加成反应,C错误;D项,苯炔(C6H4)与苯(C6H6)不互为同分异构体,D错误。
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13.(双选)利托那韦可用于艾滋病的治疗,如图所示物质为合成利托那韦的原料之一。下列有关该物质的说法正确的是
A.与苯甲酸甲酯 互为同系物
B.分子中含有酯基
C.核磁共振氢谱图有5组峰
D.苯环上的二溴代物有4种(不考虑立体异构)
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14.(6分)某烃A的相对分子质量为84。回答下列问题:
(1)若烃A为链烃,分子中所有的碳原子在同一平面上,该分子的一氯代物
只有一种。则A的结构简式为________________。
(2)若A不能使溴水褪色,且其一氯代物只有一种,则A的结构简式为_____。
由烃的相对分子质量为84可得烃A的化学式为C6H12,所有的碳原子在同一平面上,则相当于乙烯中四个氢原子被甲基取代。
A不能使溴水褪色,可知没有不饱和键,则A为环烷烃,一氯代物只有一种,则A为环己烷。
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15.(6分)某仅由碳、氢、氧三种元素组成的有机化合物,经测定其相对分子质量为90,有C—O、C==O、C—H、O—H,核磁共振氢谱图中有四种类型的氢原子,峰面积之比为3∶1∶1∶1。取有机物样品1.8 g,在纯氧中完全燃烧,将产物先后通过浓硫酸和碱石灰,二者分别增重1.08 g和2.64 g。试求:
(1)该有机物的分子式为___________。
C3H6O3
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已知m(H)= ×2 g·mol-1=0.12 g,m(C)= ×12 g·mol-1
=0.72 g,则m(O)=1.8 g-0.12 g-0.72 g=0.96 g,则n(C)∶n(H)∶n(O)=(0.72÷12)∶(0.12÷1)∶(0.96÷16)=1∶2∶1,则其实验式为CH2O;故可设其分子式为 (CH2O)n,则有30n=90,解得n=3,故分子式为C3H6O3。
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(2)该有机物的结构简式为______________________。
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已知有机物有C—O、C==O、C—H、O—H,其中C==O说明可能含有醛基、羰基、羧基中的一种,O—H说明有羟基,且核磁共振氢谱图有四种类型的氢原子,峰面积之比为3∶1∶1∶1,可以确定有机物含羧基和羟基,其结构简式为CH3CH(OH)COOH。
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16.(10分)有机物X是一种重要的有机合成中间体,用于制造塑料、涂料和黏合剂等。为研究X的组成与结构,进行了如下实验:
(1)有机物X的质谱图如图所示,该有机物的相对分子质量为________。
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由质谱图可知有机物X的相对分子质量为100。
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(2)将10.0 g X在足量O2中充分燃烧只生成CO2和H2O,并将其产物依次通过足量的无水CaCl2和KOH浓溶液,发现无水CaCl2增重7.2 g,KOH浓溶液增重22.0 g。有机物X的分子式为________。
C5H8O2
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(3)经红外光谱测定,有机物X中含有醛基;有机物X的核磁共振氢谱图上有2组吸收峰,峰面积之比为3∶1。有机物X的结构简式为______________。
(CH3)2C(CHO)2
有机物X中含有醛基,有机物X的核磁共振氢谱图上有2组吸收峰,则分子中含有2种不同化学环境的氢原子,其中一种是醛基中的氢原子,又因为峰面积之比为3∶1,则分子中含两个醛基、两个甲基,故其结构简式为(CH3)2C(CHO)2。
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谢 谢 观 看 !
第
一
章
有
机
化
合
物
的
结
构
特
点
与
研
究
方
法
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的苯环上有3种氢原子,故其苯环上的一氯代物有3种;的苯环上有2种氢原子,故其苯环上的一氯代物有2种;的苯环上有3种氢原子,故其苯环上的一氯代物有3种;的苯环上只有1种氢原子,故其苯环上的一氯代物只有1种。
CxHy+(x+)O2xCO2+H2O
CxHyOz+(x+-)O2xCO2+H2O
CxHyCx-1Hy+12,(可能分子式)
该烃的摩尔质量M=2 g·mol-1×41=82 g·mol-1,即1 mol 该烃的质量为82 g。1 mol 该烃分子中,n(C)=×=6 mol,n(H)=××2=10 mol,该烃的分子式为C6H10。
n(C)=n(CO2)==0.75 mol,n(H)=2n(H2O)=×2=1.25 mol,所以n(C)∶n(H)=0.75∶1.25=3∶5,该烃的最简式为C3H5,设其分子式为(C3H5)n,则41n=82,n=2,所以该烃的分子式为C6H10。
=6……10,则该烃的分子式为C6H10。
CxHy+(x+)O2xCO2+H2O
12x+y 9y
10.25 g 11.25 g
N(C)∶N(H)∶N(N)=∶∶≈1∶2∶2。
<N(C)<,
n(X)===0.02 mol,
n(H2)===0.03 mol,
由④得,一定质量的X完全燃烧生成CO2的物质的量为=1.5 mol,生成H2O的物质的量为=2 mol,其中含有4 mol氢原子。
A项,有4种等效氢原子,其一氯代物有4种;B项,有4种等效氢原子,其一氯代物有4种;C项,有4种等效氢原子,其一氯代物有4种;D项,有3种等效氢原子,其一氯代物有3种。
=0.6 mol,H原子的物质的量为0.6 mol×2=1.2 mol;生成二氧化碳的物质的量为=0.4 mol,C原子的物质的量为0.4 mol;9.2 g该有机物分
由题意知,9 g A完全燃烧生成水的物质的量是=0.3 mol,生成二氧化碳的物质的量是=0.3 mol,n(O)==0.3 mol,所以A的实验式
+-) mol知,1 mol C3H6O3完全燃烧消耗(3+-) mol=3 mol氧气,1 mol C2H6O完全燃烧消耗(2+-) mol=3 mol氧气,1 mol C2H4完全燃烧消耗(2+) mol=3 mol氧气,所以三者无论以何种比例混合,完全燃烧消耗氧气的物质的量均为3 mol,D正确。
∶(×2)
无水CaCl2增重的7.2 g是水的质量,则10.0 g X中n(H)=×2=0.8 mol;KOH浓溶液增重的22.0 g是二氧化碳的质量,10.0 g X中n(C)==0.5 mol,则氧元素的质量为10.0 g-0.8 mol×1 g·mol-1-0.5 mol×12 g·mol-1=3.2 g,n(O)==0.2 mol,n(C)∶n(H)∶n(O)=0.5 mol∶0.8 mol∶0.2 mol=5∶8∶2,结合X的相对分子质量可知,有机物X的分子式为C5H8O2。
$$