介绍几种推导甲烷型或乙烷型分子分子式的方法，本文主要内容关键词为：乙烷论文,分子式论文,甲烷论文,几种论文,分子论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在烷烃分子中，有两类分子的结构高度对称，其一卤代物只有一种同分异构体。一类是以甲烷为起
，依次类推，也可得到一系列物质，把这一系列物质的分子称为乙烷型分子。如何推导碳原子数在一定数目以内的甲烷型分子或乙烷型分子的数目、分子式以及结构简式呢？如：请写出碳原子数在10以内的甲烷型分子或乙烷型分子的数目和结构简式；碳原子数在50以内的甲烷型分子或乙烷型分子的数目和结构简式；写出碳原子数在100以内的相对分子质量最大的甲烷型分子或乙烷型分子的分子式等等问题。这类看似复杂难以准确回答的问题，实则是有规律可循的。从不同的角度来看有不同的方法，有的方法复杂麻烦，有的方法简单明了，有的方法在确定简单的这类分子的分子式时又快又准，有的方法则在确定复杂的这类分子的分子式时又快又准，有的方法有利于正确理解这类分子的空间结构，有的方法有利于快速确定这类分子的数目，现分别介绍如下。
一、结构简式法
结构简式法就是通过画结构简式来确定甲烷型分子或乙烷型分子分子式的方法。结构简式法是解这类题型的基础，对于第1个、第2个、第3个甲烷型分子（如图1所示）画结构简式（注甲烷画的是结构式）还是比较容易的。根据画出的结构简式，分别数一数它们的碳原子数和氢原子数，可以确定它们的分子式。用这种方法可确定第1个甲烷型分子的分子式为
，第2个甲烷型分子的分子式为
，第3个甲烷型分子的分子式为
，但对于第4个及以后的甲烷型分子来说，用画结构简式来确定分子式，会很麻烦，学生会心烦意乱。
图1
图2
同样对于第1个、第2个、第3个乙烷型分子（如图2所示）画结构简式（注乙烷画的是结构式）还是比较容易的，分别数一数它们结构简式中的碳原子数和氢原子数，仍然可以确定它们的分子式，用这种方法可确定第1个乙烷型分子的分子式为
，第2个乙烷型分子的分子式为
，第3个乙烷型分子的分子式为
，同样对于第4个及以后的乙烷型分子来说，用画结构简式来确定分子式，也会很麻烦，学生也会心烦意乱。
二、主分支法
主分支法就是通过画出甲烷型分子或乙烷型分子中的每一次主分支，并数出该次主分支的碳原子数，从而确定该次甲烷型分子或乙烷型分子分子式的方法。由于甲烷分子有4个氢原子，乙烷分子有6个氢原子，因此将其氢原子全部用甲基取代得到第2个甲烷型分子或乙烷型分子的结构简式，然后再用甲基把第2个甲烷型分子或乙烷型分子中甲基上的氢原子同时全部取代得到第3个甲烷型分子或乙烷型分子的结构简式，多次重复这样的操作变化，所得到的甲烷型分子有4个主分支，乙烷型分子有6个主分支。甲烷型分子中的碳原子数等于4个主分支的碳原子数再加上1个中心碳原子数；乙烷型分子中的碳原子数等于6个主分支的碳原子数再加上2个中心碳原子数。最后把得到碳原子数代入烷烃的分子式通式则可得甲烷型分子或乙烷型分子中的氢原子数。
甲烷型分子有4个主分支，乙烷型分子有6个主分支。由于无论是甲烷型分子，还是乙烷型分子同一次主分支都是完全相同的，所以我们可以只画出甲烷型或乙烷型分子中的一个主分支，数这个主分支的碳原子数并计为a，设甲烷型或乙烷型分子中的碳原子数为x，氢原子数为y。因此甲烷型分子中的碳原子数x=4a+1，即甲烷型分子中的碳原子数等于4个主分支的碳原子数再加上1个中心碳原子数；乙烷型分子中的碳原子数x=6a+2，即乙烷型分子中的碳原子数等于6个主分支的碳原子数再加上2个中心碳原子数。最后把得到碳原子数x代入烷烃的分子式通式则可得甲烷型或乙烷型分子中的氢原子数：y=2x+2。
第1个甲烷型分子的分子式为，而第1次主分支只有1个碳原子，所以第2个甲烷型分子的碳原子数为：4×1+1=5，由烷烃的分子式通式得第 2个甲烷型分子的分子式为。由于第2次主分支有4个碳原子，所以第3个甲烷型分子的碳原子数为：4×4+1=17，由烷烃的分子式通式得第3个甲烷型分子的分子式为。由于第3次主分支有13个碳原子，所以第4个甲烷型分子的碳原子数为：4×13+1=53，由烷烃的分子式通式得第4个甲烷型分子的分子式为
。由于画第4次主分支的结构简式复杂，所以要确定第5个及以后的甲烷型分子的分子式也是很麻烦的。
由于乙烷型分子中的每一次主分支与甲烷型分子中的每一次主分支的结构简式都一样，同理可得第1个乙烷型分子的分子式为，而第1次主分支只有1个碳原子，所以第2个乙烷型分子的碳原子数为：6×1+2=8，由烷烃的分子式通式得第2个乙烷型分子的分子式为。由于第2次主分支有4个碳原子，所以第3个乙烷型分子的碳原子数为：6×4+2=26，由烷烃的分子式通式得第3个乙烷型分子的分子式为。由于第3次主分支有 13个碳原子，所以第4个乙烷型分子的碳原子数为：6×13+2=80，由烷烃的分子式通式得第4个乙烷型分子的分子式为
。由于画第4次主分支的结构简式复杂，所以要确定第5个及以后的乙烷型分子的分子式也是很麻烦的。
三、通式法
通式法就是通过研究甲烷型分子或乙烷型分子中的每一次主分支上碳原子数的增加规律，得出该次主分支的碳原子数的计算通式，进一步得出该次甲烷型分子或乙烷型分子的碳原子数的计算通式，从而确定该次甲烷型分子或乙烷型分子分子式的方法。仔细观察可以发现无论是甲烷型分子上的4个主分支，还是乙烷型分子上的6个主分支同次时其实都一样，即每一个主分支中的碳原子数同次时都相同。并且每一个主分支都是把上一个甲烷型分子或乙烷型分子中的1个甲基上的3个氢原子变成下一个甲烷型分子或乙烷型分子中的3个甲基，即上一个分子中的1个甲基在下一个分子中会带出3个甲基。通过观察分析可得出n+1次主分支的碳原子数
，有如下的通式：
得出甲烷型分子中的碳原子数或乙烷型分子中的碳原子数后，再利用烷烃通式，即可算出甲烷型分子中的氢原子数或乙烷型分子中的氢原子数，从而可确定甲烷型分子或乙烷型分子的分子式。
如果要指定一定数目的碳原子以内的甲烷型分子或乙烷型分子的数目和分子式，只要提供以上第1个至第8个甲烷型分子或乙烷型分子的碳原子数据，我们还是可以方便地确定碳原子数在10000以内的甲烷型分子或乙烷型分子的数目和分子式。
四、列表法
列表法就是以甲烷分子式（或乙烷分子式）为起点，通过找出下一个甲烷型分子中的碳原子数（或下一个乙烷型分子中的碳原子数）与上一个甲烷型分子中的碳原子数和氢原子数（或上一个乙烷型分子中的碳原子数和氢原子数）之间的联系规律，以及下一个甲烷型分子中的氢原子数（或下一个乙烷型分子中的氢原子数）与上一个甲烷型分子中的氢原子数（或上一个乙烷型分子中的氢原子数）之间的联系规律，然后用列表的方式，依次快速确定甲烷型分子（或乙烷型分子）的分子式的方法。
第一个甲烷型分子的分子式为，第二个甲烷型分子为
，即2，2—二甲基丙烷的分子式为，第三个甲烷型分子为
的分子式为，分析这3个甲烷型分子中的碳原子数目和氢原子数目，可以找到利用上一个甲烷型分子中的分子式求解下一个甲烷型分子中的分子式的规律。具体规律如下：下一个甲烷型分子中的碳原子数等于上一个甲烷型分子中的碳原子数和氢原子数之和；下一个甲烷型分子中的氢原子数等于上一个甲烷型分子中的氢原子数的3倍。下页表1是用列表法快速确定的第1个至第8个甲烷型分子的分子式。
表1
同样我们可以推出：第一个乙烷型分子的分子式为
，分析这3个乙烷型分子中的碳原子数目和氢原子数目，可以找到如何利用上一个乙烷型分子的分子式求解下一个乙烷型分子中的分子式。具体规律如下：下一个乙烷型分子中的碳原子数等于上一个乙烷型分子中的碳原子数和氢原子数之和；下一个乙烷型分子中的氢原子数等于上一个乙烷型分子中的氢原子数的3倍。表2是根据以上规律，用列表法快速确定的第1个至第8个乙烷型分子的分子式。
表2
观察表1和表2，会发现每一个乙烷型分子中的氢原子数等于下一个甲烷型分子中的碳原子数加1，这样用列表法在确定每一个甲烷型分子的碳原子数的前提下，可以快速确定每一个乙烷型分子中的氢原子数。列表法的优点是掌握规律后学生可以在5min以内完成表1和表2，并可以快速确定碳原子数在10、20、50、100、200、500、1000、2000、5000、10000等数目以内的甲烷型分子或乙烷型分子的分子式，以及符合条件的甲烷型分子或乙烷型分子的相应数目。列表法的缺点是必须要准确知道上一个甲烷型分子或乙烷型分子的分子式才能确定下一个甲烷型分子或乙烷型分子的分子式。
图4
图5
五、模型法
模型法就是用球棍模型来探讨甲烷型分子或乙烷型分子的分子式并确定其空间结构的方法。用黑色（深色）球代替碳原子，黄色（浅色）球代替氢原子，用塑料管棍代替碳碳单键或碳氢键，可以连接得到各种甲烷型分子或乙烷型分子的球棍模型。对于第3个及其以后的甲烷型分子或乙烷型分子用模型法来确定其分子式是这五种方法中最为麻烦的一种，但有利于我们看出它们的空间结构。图4是第1个、第2个、第3个甲烷型分子的球棍模型的实物照片；图5是第1个、第2个、第3个乙烷型分子的球棍模型的实物照片。从第3个甲烷型分子的球棍模型和第3个乙烷型分子的球棍模型开始，这两类分子由于碳原子和氢原子数目增加，模型的质量增加，而使得作为碳碳单键或碳氢键的塑料管棍容易变形和裂开，而增加组装连接的难度，同时要注意旋转碳碳单键而使得甲基在立体空间上达到分布均匀的目的。
利用模型法我们可以纠正在课外辅导资料中流行的一种说法就是甲烷型分子的空间结构为球形，乙烷型分子的空间结构为椭球形。造成这种说法流行的一个原因是从结构简式法我们想当然地得出甲烷型分子的空间结构为球形，乙烷型分子的空间结构为椭球形。从画结构简式来看最中心的碳原子的键长要画得越来越长，才能在平面上画得出甲烷型分子、乙烷型分子的结构简式，这样就夸大乙烷型分子中最中心的那些碳碳单键的长度，使得我们误认为乙烷型分子为椭球形。利用模型法我们会发现甲烷型分子和乙烷型分子的空间结构都为球形，因为乙烷型分子中的2个中心碳原子之间的碳碳单键的键长对整个分子的空间结构的影响，从第3个乙烷型分子以后就逐渐减小，所以大多数乙烷型分子也象甲烷型分子一样其空间结构也是球形，而不是椭球形。
结构简式法、模型法是化学方法，通式法、列表法是数学方法，主分支法是将化学方法与数学方法相结合的方法。结构简式法、模型法的优势是形象直观，确定第1个到第3个甲烷型分子或乙烷型分子分子式还容易，但到第4个及以后的甲烷型分子或乙烷型分子分子式，靠画结构简式的方法，就很麻烦，很费时了；如果组装连接成球棍型所花费的时间就更不用说了。要准确并比较快速地确定第4个及以后的甲烷型分子或乙烷型分子分子式，就需要通式法、列表法。
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