加载中…烃及其含氧衍生物的燃烧与相关计算（二）
(2011-02-20 00:49:30)
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有机物燃烧烷烃烯烃芳香烃杂谈 |
分类： 高中化学 |
大家还记得是怎样闯过第一关的吗？
没错，关键是我们看准了“案犯”的特征，无论“纵火犯”属于“烃”或“烃的含氧衍生物”中哪个团伙，它们的共同点就是完全燃烧时都只生成CO2和H2O。
若想进一步查明“案犯”属于哪个团伙，那就得分析它的组成成员在表观上看是否有涵养(含氧)？没有涵养(含氧)者就属于“烃（CnHm）”，否则就属于“烃的含氧衍生物（CaHbOc）”。具体判断有两个方法：
（1）分析参加反应的有机物的质量与生成物中C、H两种元素的质量是否相等；
（2）分析参加反应的氧气的量与各生成物所含氧的总量是否对等。
这两种方法通过我们在第一关的演练中已经证明是行之有效的。
当然，一个看上去有“涵养”的案犯通常比没有“涵养”的案犯难对付。因此，我们在第二关还是先来对付那帮没有“涵养”的家伙吧。
第二关
如何比较不同烃类物质完全燃烧时的耗氧量大小
黄明建
刑警在追捕案犯时，除了了解他们的外貌特征外，如果还了解他的生活习惯和行动规律，那成功的把握就更大了。同样，任何一种物质除了它的组成特征外，也有它的性质特征和变化规律。现在，我们就来研究一下“烃”类燃烧的耗氧量变化究竟有什么规律？
1．如何比较相同质量的烃类完全燃烧时的耗氧量大小
【算一算】先通过计算比较：等质量的下列各组物质完全燃烧时耗氧量的大小。
【排个队】第1组中，等质量的各物质完全燃烧时，耗氧量的大小次序是：
C2H4 ＝ C4H8 ＝ C8H16
C2H2 ＜ C3H4 ＜ C8H14
【想一想】发现规律了吗？
等质量的不同烷烃完全燃烧时，相对分子质量越大，耗氧量越小；
等质量的不同烯烃完全燃烧时，相对分子质量增大，耗氧量不变；
等质量的不同炔烃完全燃烧时，相对分子质量越大，耗氧量越大。
你认为影响上述规律的根本原因是什么？
是烃分子中含碳质量分数的大小。
我们逐一分析烷烃、烯烃、炔烃的组成就会发现：它们的含碳质量分数变化是有规律的，只是变化的趋势各不相同。
烷烃（CnH2n+2）随着相对分子质量的增大，分子内碳原子数目增多，其含碳质量分数逐渐增大；
烯烃（CnH2n）
炔烃（CnH2n－2） 随着相对分子质量的增大，分子内碳原子数目增多，其含碳质量分数逐渐减小。
为什么烷烃和炔烃的含碳质量分数递变趋势恰好相反呢？看一看它们的组成通式就明白了。随着通式中“n”值的增大，其碳、氢组成越来越趋近烯烃（CnH2n）。
据此，我们可以作出两个推论：
（1）所有烷烃分子的含碳质量分数都小于烯烃。
（2）所有炔烃分子的含碳质量分数都大于烯烃。
综上所述，我们还可以发现一个通则：
以等质量的不同烃完全燃烧时，烃分子含碳质量分数越大，完全燃烧时的耗氧量就越小。
因此，只要是等质量的烃完全燃烧，那么，任何一种烷烃的耗氧量都比任何一种烯烃的耗氧量要大；而任何一种炔烃的耗氧量都比任何一种烯烃的耗氧量要小。即：
也可以用烃分子内碳、氢原子个数比［N(C)∶N(H)］来判断，这个比值越大，则该烃含碳质量分数越大，进而推知其完全燃烧时耗氧量越小。
（如果你有兴趣，可以将烃分子的含碳质量分数作横坐标，以100g烃完全燃烧的耗氧量/mol作纵坐标，画出烷烃、烯烃、炔烃完全燃烧时耗氧量的变化曲线，看看是不是能更直观地反映上面总结的规律。）
2．如何比较相同物质的量的烃类完全燃烧时的耗氧量大小
【再算算】如果上述三组中各物质均为相同物质的量，完全燃烧时耗氧量的变化又是怎样的呢？
第1组中，相同物质的量的各物质完全燃烧时，耗氧量的大小次序是：
第2组中，相同物质的量的各物质完全燃烧时，耗氧量的大小次序是：
C2H4 ＜ C4H8 ＜ C8H16
第3组中，相同物质的量的各物质完全燃烧时，耗氧量的大小次序是：
C2H2 ＜ C3H4 ＜ C8H14
【想一想】发现规律了吗？
相同物质的量的不同烷烃完全燃烧时，随着分子内碳原子数增多，耗氧量增大；
相同物质的量的不同烯烃完全燃烧时，随着分子内碳原子数增多，耗氧量增大；
相同物质的量的不同炔烃完全燃烧时，随着分子内碳原子数增多，耗氧量增大。
如果我们再细心地比较一下，就会发现：若烷烃A分子比烷烃B分子所含碳原子数多1个（即多出一个CH2原子团），则每摩尔A比B完全燃烧时耗O2量就增加1.5mol。用这种方式再分析烯烃和炔烃，会发现其规律如出一辙。
如果我们是将不同的烃作比较，会是怎样的呢？
例如，烯烃A分子若比烷烃C分子所含碳原子数多1个，且均以1mol的量完全燃烧，其耗氧量的相对大小会是怎样的呢？
又例，炔烃B分子若比烷烃C分子所含碳原子数多1个，且均以1mol的量完全燃烧，其耗氧量的相对大小又会是怎样的呢？
我们一起拿出笔和纸，列个数据表看看，是下面这样的吗？
|
每摩尔各类烃(CxHy/mol) |
CnH2n+2 |
C(n+1)H2(n+1) |
C(n+1)H2(n+1)－2 |
|
完全燃烧时的耗O2量 |
(1.5n+0.5)mol |
(1.5n+1.5)mol |
(1.5n+1)mol |
明白了吧，无论是烯烃还是炔烃，只要分子内所含碳原子数比烷烃分子多，并以相同物质的量完全燃烧时，其耗氧量就一定比对应的烷烃大。
如果这会儿你还有点时间，也还有兴趣的话，不妨再作一个坐标图。
以烃分子中所含碳原子数为横坐标，以1mol烃完全燃烧时耗氧量(mol)为纵坐标，画出烷烃、烯烃、炔烃完全燃烧时耗氧量的变化图象。
你发现什么了吗？哦—— 太妙了！我们好象又发现了一个通则：
不论是烷烃、烯烃、还是炔烃，只要物质的量相等，谁的分子内含碳原子数多，谁完全燃烧时的耗氧量就大。
【练一练】请运用上面总结的规律解答下列各题（每小题有1～2个选项符合题意）。
（1）等质量的下列各物质完全燃烧时，耗氧量相等的是
（2）等质量的下列各组物质完全燃烧时，其耗氧量由低到高的排列顺序正确的是
（3）等物质的量的下列各物质完全燃烧时，其耗氧量最大的是
（4）等物质的量的下列各组物质完全燃烧时，其耗氧量由低到高的排列顺序正确的是
（注：烯烃和环烷烃的组成通式相同，炔烃与二烯烃的组成通式相同。若有错选或漏选答案，务必与前述规律对照，以明确失误原因。）
（参考答案：1、C； 2、AC； 3、A； 4、D）
可见，寻找规律、发现规律，有助于加深我们对物质的存在和变化特征的认识。当我们能熟练运用规律解决问题时，便能够达到事半功倍的效果。
再来试一试？
【思考】已知苯的同系物的组成通式为CnH2n－6，你认为苯的同系物完全燃烧时的耗氧量有什么变化规律？（想一想，再读下面的内容）
有人在比较了苯的同系物（CnH2n－6）与炔烃（CnH2n－2）的组成通式后，认为：苯的同系物相对于炔烃的不饱和程度更高，所以其含碳质量分数较炔烃应该更大。如果使等质量的苯的同系物与炔烃分别在氧气中完全燃烧，除了苯（C6H6）和乙炔（C2H2）的耗氧量相等外，其它苯的同系物都比炔烃的耗氧量要小。你同意这种观点吗？
如果你已经做出了判断，那就看看下面的分析思路（如果你对上述说法还没有明确的判断，建议不要往下看；如果你经过思考，确实觉得思路不是很清晰，那也不妨一看）。
我们再回头看一下，为什么会有人错误地认为苯的同系物一定比炔烃含碳质量分数大呢？主要是一种错觉引起的。
首先，无论从苯的同系物的分子结构还是组成通式来看，分子中碳原子结合氢原子的不饱和度都要比炔烃大，这个说法没错。但是，这个说法却可能在人的潜意识中产生了一个错觉——不饱和度越大，含碳质量分数越高。其次，它们在组成通式中都同样是用“n”表示分子中的碳原子数目，这对上述错觉容易产生强化作用。实际上，无论是苯的同系物还是炔烃，其“n”值都是可变的，并不一定表示分子内所含碳原子相同。
如果我们在做出判断的时候，注意到苯的同系物含碳质量分数的变化和炔烃含碳质量分数的变化都有一个相似的趋势——随着分子内碳原子数的增加而降低，且极限趋向值都等于烯烃的含碳质量分数（如图）。
http://s5/middle/695ff4c7t9ca5950aa8e4&690
我们就不难看出：这个变化趋势有可能导致某种苯的同系物含碳质量分数与某种炔烃相同，甚至可能出现某种苯的同系物含碳质量分数低于炔烃的情况（见图中A、B、C三点）。这样，也就不至于被上述错觉所迷惑。
通过上述讨论，我们可以明白一个什么道理呢？
当我们学习一种规律时，千万不要忽略了该规律所适用的条件及其所蕴含的特征，要学会多角度地观察和分析问题。否则，就可能被一些似是而非的表象所迷惑，以致“差之毫厘，谬以千里”。
第一关【改编5】参考答案
假设该有机物的化学式为CaHbOc，因发生不完全燃烧，且生成物中又含有CO2，故最终2.24L剩余气体应是CO。
依据阿伏加德罗定律，燃烧前后各气态物质的物质的量之比等于它们在同温同压下的体积比，即
n(CaHbOc)∶n(O2)∶n(CO2)∶n(H2O)∶n(CO)
＝ V(CaHbOc)∶V(O2) ∶ V(CO2) ∶V(H2O) ∶V(CO)
＝ 2.24L∶4.48L∶2.24L∶4.48L∶2.24L
＝ 1∶2∶1∶2∶1
故相关反应方程式为：
CaHbOc + 2O2 —→ CO2 + 2H2O + CO
又依据质量守恒定律，可知：
所以该有机物的分子式为：C2H4O
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