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由烃及其含氧衍生物中几种物质组成的一定量混合物,当其组成比例变化时,其总量不变,完全燃烧时,欲使耗氧量或生成的CO[,2]的量或H[,2]O的量恒定不变,各组分有机物必须满足的条件都可通过等量变换来处理。
一、混合物总质量一定
(1)各组分不论以何种比例混合,只要各组分的最简式相同,即混合物中C、H、O元素的质量为定值,完全燃烧时耗氧量为定值。
(2)各组分不论以何种比例混合,只要各组分中碳的质量分数ω(C)相等,最简式可相同也可不同,完全燃烧时生成CO[,2]的量为定值。
(3)各组分不论以何种比例混合,只要各组分中氢的质量分数ω(H)相等,最简式可相同也可不同,完全燃烧时生成H[,2]O的量为定值。
例1 有A、B两种常见有机物,不论以何种比例混合,只要总质量恒定,完全燃烧时生成水的质量不变。试回答下列问题:
(1)A、B应满足的条件是________。
(2)若A的结构简式为,则B的结构简式可能为________。
(3)若A的结构简式为HCOOCH[,3],B在浓硫酸作用下自身能够反应生成多种酯,则B的结构简式可能为______。
解析 (1)A、B两种有机物中氢的质量分数必须相等。
(2)从A的分子式C[,7]H[,8]可以看出,要使B中氢的质量分数与其相等,在C[,7]H[,8]的同分异构体或与其最简式相同的有机物中都不常见,故可采用等量变换的方法来解决此类问题。因为C[,4]的相对式质量和O[,3]的相等,所以在保证H原子数不变的情况下,可以将C[,7]H[,8]变换为C[,2]H[,8]O[,3],使其相对分子质量相等,即可满足两种有机物中氢的质量分数相等。故B的结构简式可能是
(3)从与最简式CH[,2]O相同来考虑,且B在浓硫酸作用下自身能够反应生成多种酯,故在B的分子结构中必须既含有羧基(—COOH)又含有羟基(—OH),则B的结构简式可能是
例2 有机物A是萘(C[,10]H[,8])的含氧衍生物,B是饱和一元醇,C是饱和一元醛,将甲烷(CH[,4])分别与A、B、C混合,只要总质量一定,不论以何种比例混合,完全燃烧时生成CO[,2]的量为定值。则A、B、C可能是()
A.C[,10]H[,8]O[,2]、C[,9]H[,20]O、C[,8]H[,16]O
B.C[,10]H[,8]O[,3]、C[,8]H[,18]O、C[,6]H[,12]O
C.C[,10]H[,8]O[,2]、C[,8]H[,18]O、C[,5]H[,10]O
D.C[,10]H[,8]O[,2]、C[,2]H[,16]O、C[,4]H[,8]O
解析 要满足题设条件,则A、B、C中碳的质量分数必须与甲烷(CH[,4])相等。为使问题简化,可采用等量变换,1个氧原子的相对原子质量相当于16个氢原子,将氧换成氢后,再看碳、氢原子数比是否为1∶4即可。如A中:C[,10]H[,8]O[,2]C[,10]H[,40]、C[,9]H[,20]OC[,9]H[,36]、C[,8]H[,16]OC[,8]H[,32],故A符合题意,同理可判定B、C、D不符合题意。
二、混合物总物质的量一定
(1)各组分不论以何种比例混合,只要每摩尔各组分的耗氧量相等,即各组分C[,x]H[,y]O[,z]中的x+y/4-z/2为定值,则完全燃烧时耗氧量为定值。诸如通过等量变换可有下列规律:等物质的量的烷(C[,n]H[,2n+2])与同氢原子数的饱和一元羧酸或酯(C[,n]H[,2n+2]·CO[,2]),烯烃(C[,n]H[,2n])与同碳原子数的饱和一元醇或醚(C[,n]H[,2n]·H[,2]O),炔烃(C[,n]H[,2n-2])与同碳原子数的饱和一元醛或酮(C[,n]H[,2n-2]·H[,x]O)等完全燃烧时耗氧量均相等。
(2)各组分不论以何种比例混合,只要各组分每摩尔有机物中所含C原子的物质的量相等,完全燃烧时生成CO[,2]的量为定值。
(3)各组分不论以何种比例混合,只要各组分每摩尔有机物中所含H原子的物质的量相等,完全燃烧时生成H[,2]O的量为定值。
例3 有机物A、B分子式不同,它们只可能含有C、H、O 3种元素中的2或3种。如果将它们无论以何种比例混合,只要其物质的量之和不变,完全燃烧时所消耗的O[,2]和生成的H[,2]O的物质的量也不变,那么A、B的组成必须满足的条件是,____________,若A是甲烷,则在符合上述条件的化合物B中,相对分子质量最小的是(写出分子式)____________,请写出相对分子质量最小的含有甲基(—CH[,3])的B的两种同分异构体的结构简式______________。
解析 由题意可直接得出A、B含H原子数一定相同,若二者都为烃,设A为C[,n]H[,a],B为C[,m]H[,a],则二者n与m不等时耗氧量一定不同,所以推出A、B中一为烃、一为烃的含氧衍生物,或二者都为烃的含氧衍生物。根据等量变换,等物质的量的烷(C[,n]H[,2n+2])与同氢原子数的饱和一元羧酸或酯(C[,n]H[,2n+2]·CO[,2]),完全燃烧时耗氧量相等,故A、B两种有机物无论以何种比例混合,只要其物质的量之和不变,完全燃烧时所消耗的O[,2]和生成的H[,2]O的物质的量也不变。从变换形式上可以看出,满足题意的条件应该是:在A、B的分子式中氢原子数相同,且相差n个CO[,2]。当A是甲烷时,相对分子质量最小的B分子式为C[,2]H[,2]O[,4],且含有甲基(—CH[,3])的B的两种同分异构体结构简式为CH[,3]COOH和HCOOCH[,3]。
例4 系列有机物的分子通式可用下列形式表示(x、y、a、b占为正整数),其中相等物质的量的各组物质完全燃烧时,耗氧量相同的是()。
A (CO)[,a](CO[,2])[,x](H[,2]O)[,y]
(H:[,2])[,a](CO[,2])[,x](H[,2]O)[,y]、
(CO)[,b](H[,2])[,a-b](CO[,2]),(H[,2]O)[,x];
B (CO)[,a](H[,2]O)[,x]、
(H[,2])[,b](CO[,2])x(H[,2]O)[,y]、
(CO)[,a](H[,2])[,b](CO[,2])[,y](H[,2]O)[,x];
C C[,a]H[,b](CO[,2])[,x](H[,2]O)[,y]、
C[,b]H[,a](H[,2])[,a](CO[,2])[,y](H[,2]O)[,x]、
(CO)[,b](H[,2])[,a-b](CO[,2])[,y](H[,2]O)[,x];
D C[,a+1]H[,b-4](CO[,2])[,x](H[,2]O)[,y]、
C[,a-1]H[,b+4](CO[,2])[,y](H[,2]O)[,x]
解析 诸如此类问题,只要是含有C、H、O的有机物,都可以将它们进行等量变换为:(C[,x]H[,y])[,m](H[,2]O)[,n]或(C[,x]H[,y])[,m](CO[,2])n或(C[,x]H[,y])[,m](CO[,2])[,n](H[,2]O)p。只要等物质的量的残基部分(C[,x]H[,y])[,m]消耗氧气的量相等,那么等物质的量的这些有机物耗氧量必相等。因为除去残基部分,(H[,2]O)[,n]或(CO[,2])[,n]等基团部分是不另外消耗氧气的。同理可知,若通过等量变换后,各有机物符合这些条件,那么将它们无论以何种比例混合,只要混合物的总物质的量不变,则耗氧量亦为定值。故分析该题各选项后,答案为A、D。
从上述解析过程中可以看出,只要抓住有机混合物燃烧时的几个定量,通过一些等量变换处理,问题就会变得简单。因此在平时的解题过程中,只要不断地注意积累和总结归纳,思路就会大大开阔,许多问题也就会迎刃而解。