醇類的結構與性質:HSC 化學練習試卷

透過這份原創的 50 分練習試卷,測試你對醇類命名法、位置異構物、醇類分類、沸點及水中溶解度的理解。附有完整詳解與逐題評分指引。

這份原創的 tutorgum 練習試卷依據所提供的 Chemistry 2025 版本範圍,評量 NSW HSC 化學中的醇類結構與性質。試題測驗你命名與分類醇類、辨識位置異構物,以及解釋分子結構如何影響沸點與水中溶解度的能力。

01考試指示

練習試卷作答條件

  • 建議閱讀時間: 5 分鐘。
  • 建議作答時間: 60 分鐘。
  • 總分: 50 分。
  • 允許使用的器材: 原子筆、鉛筆、直尺及科學計算機。
  • 可使用的資源: 不得使用筆記或連線至網際網路。

這是一份原創的 tutorgum 練習試卷。它並非 NESA 官方、獲認可的、過往的或預測性的考試試卷。上述條件僅適用於本練習試卷,並不代表 NESA 官方考試規則。

評量主題

  • 簡單醇類的 IUPAC 命名法。
  • 一級、二級及三級醇。
  • 結構式與醇類的位置異構物。
  • 分子內共價鍵與分子間作用力,包括氫鍵、偶極-偶極作用力及倫敦分散力。
  • 醇類同系物系列與異構物的沸點趨勢。
  • 水中溶解度,以及羥基與烴鏈之間的關係。

不涵蓋的內容: 不評量醇類的反應、製備、燃燒、氧化、光譜分析,以及與本課綱無關的內容。

假設與慣例

  • 所有化合物均為非環狀醇類,且每個分子只含有一個羥基 \(\ce{-OH}\)。
  • 沸點數據指約 101.3 kPa 下的正常沸點。
  • 水中溶解度的觀察結果以室溫為準。
  • 使用各題提供的數據。
  • 計算時須展示計算過程並附上單位;使用帶有適當位置編號的 IUPAC 名稱。
  • 題目要求結構式時,除非另有指定,正確的縮寫結構式或展開結構式均可接受。

02試題

第 1 題(6 分)

(a) 將下列各醇分類為一級、二級或三級醇。(4 分)

(i) \(\ce{CH3CH2OH}\)(1 分)

(ii) \(\ce{CH3CH(OH)CH3}\)(1 分)

(iii) \(\ce{CH3C(OH)(CH3)CH2CH3}\)(1 分)

(iv) \(\ce{CH3CH(OH)CH2CH2CH2CH3}\)(1 分)

(b) 為下列各項畫出結構式。兩種醇的分子式都必須為 \(\ce{C4H10O}\)。(2 分)

(i) 一種一級醇。(1 分)

(ii) 一種二級醇。(1 分)

第 2 題(8 分)

(a) 寫出醇類 A-D 的 IUPAC 名稱。(4 分)

四個標示為 A 至 D 的醇類結構式,顯示羥基位於直鏈碳鏈的不同位置,以及位於支鏈碳骨架上的情況。
比較羥基在直鏈碳鏈上的不同位置,再觀察支鏈如何改變醇類的碳骨架。

以下亦列出各化合物的縮寫結構式。

  • A:\(\ce{CH3CH2CH2CH2CH2OH}\)
  • B:\(\ce{CH3CH(OH)CH2CH2CH3}\)
  • C:\(\ce{CH3CH2CH(OH)CH2CH3}\)
  • D:\(\ce{CH3CH(CH3)CH2CH2OH}\)

(b) 畫出 3-methylbutan-2-ol 的縮寫結構式。(2 分)

(c) 一名學生將化合物 \(\ce{CH3CH(OH)CH2CH3}\) 命名為 butan-3-ol。

寫出正確的 IUPAC 名稱,並解釋該學生忽略了哪項編號規則。(2 分)

第 3 題(6 分)

兩種醇 A 和 B 均具有未分支的四碳骨架,且各含有一個羥基。它們的結構如下所示。

兩個標示為 A 和 B 的醇類結構式。A 顯示一條末端帶有羥基的四碳直鏈。B 顯示一條羥基連接在第二個碳原子上的四碳直鏈。
沿著碳鏈追蹤並找出各自的羥基位置,比較兩種未分支的四碳醇。

參考資料:

  • A:\(\ce{CH3CH2CH2CH2OH}\)
  • B:\(\ce{CH3CH(OH)CH2CH3}\)

(a) 寫出 A 和 B 的 IUPAC 名稱。(2 分)

(b) 解釋為何 A 和 B 是位置異構物。(2 分)

(c) 醇 2-methylpropan-1-ol 與 A 具有相同的分子式。解釋為何它是 A 的鏈異構物,而不是位置異構物。(2 分)

第 4 題(8 分)

下表列出四種醇的正常沸點。

醇類分子式沸點(°C)
Ethanol\(\ce{C2H6O}\)78.4
Propan-1-ol\(\ce{C3H8O}\)97.2
Butan-1-ol\(\ce{C4H10O}\)117.7
Pentan-1-ol\(\ce{C5H12O}\)137.9

(a) 描述碳鏈由 ethanol 延長至 pentan-1-ol 時,沸點的變化趨勢。計算整個系列的沸點總變化量。(2 分)

(b) 使用醇類所具有的分子間作用力解釋上述趨勢。答案應區分羥基的作用與碳鏈長度增加所造成的影響。(4 分)

(c) 當 ethanol 沸騰時,解釋哪些吸引力必須被克服,以及每個 ethanol 分子內的哪些鍵會保持完整。(2 分)

第 5 題(6 分)

兩種醇 X 和 Y 的分子式均為 \(\ce{C4H10O}\)。它們的結構與沸點如下所示。

兩個標示為 X 和 Y 的醇類結構式。X 具有以 OH 結尾的四碳直鏈。Y 具有分支的四碳骨架,並帶有末端 CH2OH 基團。
比較兩種具有相同分子式、但碳骨架形狀不同的醇類之分子結構。
醇類沸點(°C)
X117.7
Y108.0

(a) 計算 X 和 Y 的沸點差。(1 分)

(b) 解釋為何 X 的沸點高於 Y。答案須考慮分子形狀、倫敦分散力及氫鍵。(4 分)

(c) 解釋為何比較 X 和 Y,比較 ethanol 與 pentan-1-ol 更能控制變因,以研究支鏈的影響。(1 分)

第 6 題(8 分)

以下定性觀察結果描述了四種醇在室溫下於水中的溶解度。

醇類水中溶解度
Ethanol互溶
Propan-1-ol互溶
Butan-1-ol溶解度有限
Pentan-1-ol溶解度低

互溶 表示兩種液體可以按任何比例混合。

(a) 描述碳鏈由兩個碳原子增加至五個碳原子時,水中溶解度的變化趨勢。請參照所提供的觀察結果。(2 分)

(b) 從羥基與烴鏈的角度解釋這個趨勢。(2 分)

(c) 一名學生聲稱:

「Pentan-1-ol 在水中的溶解度低,是因為它的羥基無法與水形成氫鍵。」

評估這項說法。(2 分)

(d) 畫出一幅有標示的分子層次示意圖,顯示一個 ethanol 分子與一個 water 分子透過分子間氫鍵連接。清楚區分每個分子內部的共價鍵,以及分子之間的吸引力。(2 分)

第 7 題(8 分)

一名學生在複習醇類的結構與性質時,提出以下說法。

(a) 「醇類沸騰時,O-H 共價鍵會斷裂。」

修正這項說法,並解釋沸騰時分子層次會發生甚麼事。(2 分)

(b) 「任何兩種分子式為 \(\ce{C4H10O}\) 的醇都必定是位置異構物。」

解釋為何這項說法不正確。請各舉一組位置異構物及一組鏈異構物作例子。(2 分)

(c) 「Pentan-1-ol 的沸點高於 ethanol,是因為它的 O-H 共價鍵較強。」

使用相關的分子間作用力修正這項解釋。(2 分)

(d) 畫出一種分子式為 \(\ce{C4H10O}\) 的三級醇的結構式,並寫出其 IUPAC 名稱。(2 分)

03詳解與評分指引

第 1 題詳解

(a) 醇類分類(4 分)

分類取決於直接連接至帶有羥基的碳原子的碳原子數目。

  • (i) \(\ce{CH3CH2OH}\):一級醇。帶有 \(\ce{-OH}\) 的碳原子與另一個碳原子相連。
  • (ii) \(\ce{CH3CH(OH)CH3}\):二級醇。帶有 \(\ce{-OH}\) 的碳原子與另外兩個碳原子相連。
  • (iii) \(\ce{CH3C(OH)(CH3)CH2CH3}\):三級醇。帶有 \(\ce{-OH}\) 的碳原子與另外三個碳原子相連。
  • (iv) \(\ce{CH3CH(OH)CH2CH2CH2CH3}\):二級醇。帶有 \(\ce{-OH}\) 的碳原子與另外兩個碳原子相連。

評分指引

  • (i) 分類正確:1 分。
  • (ii) 分類正確:1 分。
  • (iii) 分類正確:1 分。
  • (iv) 分類正確:1 分。

(b) 畫出分子式為 \(\ce{C4H10O}\) 的醇類(2 分)

一種符合要求的一級醇是 butan-1-ol:

\[ \ce{CH3CH2CH2CH2OH} \]

一種符合要求的二級醇是 butan-2-ol:

\[ \ce{CH3CH(OH)CH2CH3} \]

其他正確的一級醇結構,例如 2-methylpropan-1-ol,亦可接受。

評分指引

  • 畫出一種分子式為 \(\ce{C4H10O}\) 的正確一級醇:1 分。
  • 畫出一種分子式為 \(\ce{C4H10O}\) 的正確二級醇:1 分。

第 2 題詳解

(a) IUPAC 命名法(4 分)

  • A:pentan-1-ol。
  • B:pentan-2-ol。
  • C:pentan-3-ol。
  • D:3-methylbutan-1-ol。

為醇類命名時,應選擇包含與羥基相連之碳原子的最長碳鏈。從最接近羥基的一端開始為碳鏈編號,使羥基取得可能的最低位置編號,然後使用字尾 -ol。

對於 D,應從帶有羥基的一端開始編號。主鏈含有四個碳原子,而甲基支鏈位於第 3 號碳原子上,因此名稱為 3-methylbutan-1-ol。

評分指引

  • 正確命名 A:1 分。
  • 正確命名 B:1 分。
  • 正確命名 C:1 分。
  • 正確命名 D:1 分。

(b) 3-methylbutan-2-ol 的結構式(2 分)

\[ \ce{CH3CH(OH)CH(CH3)CH3} \]

主鏈含有四個碳原子。羥基連接至第 2 號碳原子,而甲基連接至第 3 號碳原子。

評分指引

  • 正確畫出四碳主鏈,且羥基位於第 2 號碳原子:1 分。
  • 正確畫出位於第 3 號碳原子的甲基支鏈,且連接方式正確:1 分。

(c) 修正 butan-3-ol 的名稱(2 分)

正確名稱是 butan-2-ol。

四碳鏈可以從任一端開始編號,但 IUPAC 命名法要求羥基取得可能的最低位置編號。從另一端開始編號,會使羥基的位置由第 3 號變成第 2 號。

評分指引

  • 正確名稱為 butan-2-ol:1 分。
  • 解釋編號必須使羥基取得可能的最低位置編號:1 分。

第 3 題詳解

(a) 為 A 和 B 命名(2 分)

  • A:butan-1-ol。
  • B:butan-2-ol。

每個分子均具有由四個碳原子組成的未分支碳鏈。名稱中的數字指出羥基所連接的碳原子位置。

評分指引

  • 正確命名 A:1 分。
  • 正確命名 B:1 分。

(b) 解釋位置異構現象(2 分)

A 和 B 是位置異構物,因為它們具有相同的分子式 \(\ce{C4H10O}\) 及相同的未分支碳骨架,但羥基所在的位置不同。

在 A 中,羥基連接至第 1 號碳原子;在 B 中,羥基連接至第 2 號碳原子。

評分指引

  • 指出兩者具有相同的分子式與碳骨架:1 分。
  • 指出羥基所在的位置不同:1 分。

(c) 區分鏈異構物(2 分)

Butan-1-ol 和 2-methylpropan-1-ol 具有相同的分子式 \(\ce{C4H10O}\),但它們的碳骨架不同。

Butan-1-ol 具有未分支的碳鏈,而 2-methylpropan-1-ol 具有分支碳骨架。因此,它們是鏈異構物,而不是位置異構物。

位置異構物的官能基在相同碳骨架上的位置不同;鏈異構物則是碳骨架本身的排列方式不同。

評分指引

  • 指出未分支與分支碳骨架之間的差異:1 分。
  • 正確解釋為何它們是鏈異構物而非位置異構物:1 分。

第 4 題詳解

(a) 沸點趨勢(2 分)

隨著碳鏈變長,沸點會上升。

從 ethanol 到 pentan-1-ol 的總變化量為:

\[ \begin{aligned} \Delta T_b &= 137.9 - 78.4\\ &= 59.5\,^\circ\mathrm{C} \end{aligned} \]

在所提供的系列中,沸點總共上升了 \(59.5\,^\circ\mathrm{C}\)。

評分指引

  • 指出沸點呈上升趨勢:1 分。
  • 正確進行減法運算並寫出附有單位的答案:1 分。

(b) 使用分子間作用力解釋趨勢(4 分)

醇分子之間存在多種分子間吸引力。

首先,羥基含有極性的 O-H 和 C-O 鍵。醇分子具有極性,能與相鄰的醇分子形成氫鍵。它們亦會產生偶極-偶極作用力。

其次,所有分子都具有倫敦分散力。這些作用力源於電子分布的暫時性變化,會產生暫時偶極,並在相鄰分子中誘發偶極。

隨著碳鏈變長,分子所含的電子會增加,電子雲也會變大。因此,倫敦分散力通常會增強。

在這個系列中,每個分子所含的羥基數目始終為一個。因此,所有列出的醇都能形成氫鍵;然而,隨著分子尺寸增加,倫敦分散力也會增強,這有助於解釋沸點為何上升。要將這些分子彼此分開,需要更多能量。

評分指引

  • 指出醇分子之間存在氫鍵:1 分。
  • 指出與分子極性相關的偶極-偶極作用力:1 分。
  • 解釋碳鏈變長會使電子雲增大,並增強倫敦分散力:1 分。
  • 將整體分子間吸引力增強,與分開分子所需能量增加及沸點上升聯繫起來:1 分。

(c) 分子間作用力與分子內化學鍵(2 分)

當 ethanol 沸騰時,系統會獲得足夠能量,以克服將相鄰 ethanol 分子維繫在一起的分子間吸引力。這些作用力包括氫鍵、偶極-偶極作用力及倫敦分散力。

每個 ethanol 分子內的共價鍵,包括 O-H、C-O、C-C 及 C-H 鍵,均保持完整。沸騰是一種物理變化,而不是 ethanol 發生化學分解。

評分指引

  • 指出必須被克服的分子間吸引力:1 分。
  • 說明分子內的共價鍵會保持完整:1 分。

第 5 題詳解

(a) 沸點差(1 分)

\[ \begin{aligned} \Delta T_b &= 117.7 - 108.0\\ &= 9.7\,^\circ\mathrm{C} \end{aligned} \]

X 的沸點比 Y 高 \(9.7\,^\circ\mathrm{C}\)。

評分指引

  • 正確計算沸點差並附上單位:1 分。

(b) 支鏈對沸點的影響(4 分)

X 是 butan-1-ol,具有直鏈碳骨架。Y 是 2-methylpropan-1-ol,具有分支碳骨架。

兩種分子都含有一個羥基,因此都能與相鄰的醇分子形成氫鍵。支鏈不會使分子失去形成氫鍵的能力。

然而,X 的形狀較為延展,通常能讓相鄰分子之間有較大的表面接觸面積。Y 的形狀較緊湊,因此分子之間的有效接觸面積較小。

這種差異會影響倫敦分散力。在這些條件下,X 分子之間的分子間吸引力整體較強,因此需要更多能量才能將它們分開。結果是 X 具有較高的沸點。

評分指引

  • 指出兩種醇都含有羥基,因此都能形成氫鍵:1 分。
  • 指出 X 具有較大的表面接觸面積,或形狀較不緊湊:1 分。
  • 將 Y 較緊湊的形狀與較弱的倫敦分散力聯繫起來:1 分。
  • 解釋較強的整體分子間吸引力需要更多能量才能克服,因此 X 的沸點較高:1 分。

(c) 控制變因的比較(1 分)

X 和 Y 具有相同的分子式、相同數目的碳原子,而且各自含有一個羥基。兩者都是一級醇。

因此,這項比較減少了分子質量與羥基數目差異所造成的影響,讓我們能更直接地研究碳鏈分支對性質的影響。

評分指引

  • 指出兩者的分子式與羥基數目保持不變,因此能更直接地比較支鏈與分子形狀的影響:1 分。

第 6 題詳解

(a) 溶解度趨勢(2 分)

Ethanol 和 propan-1-ol 與水互溶。Butan-1-ol 的溶解度有限,而 pentan-1-ol 的溶解度低。

整體趨勢是:隨著碳鏈變長,醇類在水中的溶解度會下降。

評分指引

  • 指出碳鏈長度增加時,水中溶解度整體下降:1 分。
  • 正確引用所提供的觀察結果,包括 butan-1-ol 和 pentan-1-ol 較低的溶解度:1 分。

(b) 解釋溶解度趨勢(2 分)

羥基具有極性,能與水分子形成氫鍵。這有助於醇分子與水分子相互作用。

烴鏈大致上是非極性的,無法與水形成氫鍵。隨著烴鏈變長,非極性部分相對於單一羥基的比例會增加,使整個分子與水的相容性降低。因此,其溶解度會下降。

評分指引

  • 解釋極性羥基能與水形成氫鍵:1 分。
  • 解釋非極性烴鏈逐漸變長會降低整體水中溶解度:1 分。

(c) 評估學生的說法(2 分)

這項說法不正確。Pentan-1-ol 能透過其羥基與水形成氫鍵,就像 ethanol 一樣。

Pentan-1-ol 的溶解度較低,主要是因為它具有較長的非極性烴鏈,這會限制醇與水之間有利的相互作用。

評分指引

  • 指出 pentan-1-ol 能與水形成氫鍵:1 分。
  • 將其較低的溶解度歸因於較長的非極性烴鏈,而非無法形成氫鍵:1 分。

(d) 畫出氫鍵排列示意圖(2 分)

一幅正確的示意圖可以顯示 ethanol 的結構為 \(\ce{CH3CH2-O-H}\),而 water 的結構為 \(\ce{H-O-H}\)。從 ethanol 的氧原子所連接的氫原子畫出一條虛線,連接至 water 分子的氧原子。

乙醇(CH3-CH2-O-H)和水(H-O-H)以兩個獨立分子的形式呈現,每個分子內部均以實線表示共價鍵,並以一條虛線表示從乙醇羥基上的氫原子連接至水分子氧原子的氫鍵。
乙醇與水之間會形成分子間氫鍵,而兩個分子內部的共價鍵均保持完整。

實線表示各分子內部的共價鍵。虛線表示分子之間的氫鍵;它是一種分子間吸引力,而不是新形成的共價鍵。

評分指引

  • 正確表示 ethanol 和 water 分子,並保持其共價鍵完整:1 分。
  • 畫出位置正確的分子間氫鍵,並清楚標示:1 分。

第 7 題詳解

(a) 沸騰與共價鍵(2 分)

這項說法不正確。醇類沸騰時,相鄰分子之間的分子間吸引力會被克服,使分子能夠彼此分離並進入氣相。

每個醇分子內的 O-H 共價鍵會保持完整。分子內的其他共價鍵亦然。

評分指引

  • 指出沸騰時被克服的是分子間吸引力,而不是 O-H 共價鍵斷裂:1 分。
  • 解釋分子會彼此分離,而分子內的共價鍵仍保持完整:1 分。

(b) 位置異構物與鏈異構物(2 分)

這項說法不正確,因為兩種醇具有相同的分子式,並不代表它們必定是位置異構物。

Butan-1-ol 和 butan-2-ol 是位置異構物,因為它們具有相同的未分支碳骨架,但羥基的位置不同。

Butan-1-ol 和 2-methylpropan-1-ol 是鏈異構物,因為它們的碳骨架不同:前者沒有支鏈,後者則具有支鏈。

評分指引

  • 正確區分位置異構物與鏈異構物:1 分。
  • 提供一組正確的位置異構物,以及一組正確的鏈異構物:1 分。

(c) 解釋沸點差異(2 分)

碳鏈變長並不會使 O-H 共價鍵自動變得更強。Ethanol 和 pentan-1-ol 都含有一個羥基,而且都能形成氫鍵。

與 ethanol 相比,pentan-1-ol 具有更大的電子雲及更多電子。其較強的倫敦分散力會增強整體分子間吸引力,因此需要更多能量才能將分子分開。這有助於解釋為何 pentan-1-ol 的沸點較高。

評分指引

  • 否定碳鏈較長會因 O-H 共價鍵變強而提高沸點的說法:1 分。
  • 解釋較強的倫敦分散力,以及分開分子所需能量增加的原因:1 分。

(d) 畫出並命名三級醇(2 分)

一種正確的結構為:

\[ \ce{(CH3)3COH} \]

其 IUPAC 名稱為 2-methylpropan-2-ol。

帶有羥基的碳原子與另外三個碳原子相連,因此這種醇屬於三級醇。

評分指引

  • 正確畫出分子式為 \(\ce{C4H10O}\) 的三級醇結構式:1 分。
  • 正確寫出 IUPAC 名稱 2-methylpropan-2-ol:1 分。

試卷結束:50 分