3 专题1 第二单元 第2课时 有机化合物组成、结构的研究-【正禾一本通】2024-2025学年高中化学选择性必修3同步课堂高效讲义教师用书（苏教版2019）

第2课时　有机化合物组成、结构的研究 [素养发展目标]　1．知道如何确定有机化合物的最简式，了解元素分析仪的工作原理。2．了解李比希提出的“基团理论”，体会其对有机化合物结构研究的影响。3．能用1H核磁共振谱图分析简单的同分异构体，知道核磁共振波谱法、红外光谱法、质谱法等是用来研究有机化合物结构的方法。 一、有机化合物组成的研究 1．研究方法 (1)氧化法：有机化合物―→―→―→ (2)钠熔法：定性分析有机化合物中是否存在氮、氯、溴、硫等元素。将有机化合物与金属钠熔融，N、Cl、Br、S将以NaCN、NaCl、NaBr、Na2S等形式存在，进而测定。 (3)铜丝燃烧法：可定性分析有机化合物中是否存在卤素，将红热Cu丝蘸上试样，灼烧，火焰为绿色，则存在卤素。 2．仪器——元素分析仪 (1)工作原理：使有机化合物充分燃烧，再对燃烧产物进行自动分析。 (2) 【即学即练】 1．判断正误：正确的打“√”，错误的打“×”。 (1)某有机物在氧气中充分燃烧，生成的CO2和H2O的物质的量之比为1∶1，则该有机物最简式为CH2(×) (2)元素分析仪可以确定未知物的分子式(×) (3)不同的有机物，其实验式、分子式一定不同(×) 二、有机化合物结构的研究 1．李比希基团理论 (1)在有机化合物分子中，原子主要通过共价键结合在一起。原子之间结合方式或连接顺序的不同导致了所形成物质在性质上的差异。 (2)Ⅰ．1838年，李比希提出了“基”的定义： ①有机化学中的“基”是一系列化合物中不变的部分；②“基”在化合物中可被某种元素的单个原子所替代；③替代“基”的基团，可以被其他基团所取代。 Ⅱ．在有机化学发展的历史进程中，基团理论对有机化学的发展起到了巨大的推动作用。人们在研究有机化合物时首先研究其所具有的基团，如羟基、醛基、羧基、氨基、烃基等。 2．现代化学测定有机物结构的方法 (1)核磁共振波谱 1H核磁共振谱在确定有机物分子结构中的作用是推知有机物中有几种不同化学环境的氢原子。 1H核磁共振谱中有多少组峰，有机物分子中就有多少种处于不同化学环境的氢原子；峰的面积比就是对应的处于不同化学环境的氢原子的数目比。 学生用书第10页 例如：乙醇和二甲醚的1H核磁共振谱图分析。 乙醇 二甲醚 1H核磁共振谱图 结论 氢原子类型有3种，不同氢原子的个数之比为2∶1∶3 氢原子类型有1种 (2)红外光谱 ①原理：是利用有机化合物分子中不同基团在红外光辐射下的特征吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。 ②作用：初步判断有机物中含有的基团。 例如，分子式为C2H6O的有机物的红外光谱图如图(a)，1H核磁共振谱图如图(b)： 则该有机物的结构简式为CH3CH2OH。 3．质谱法 (1)原理：用高能电子束轰击有机物分子，使之分离成带电的“碎片”，不同带电“碎片”的质量(m)和所带电荷(z)的比值不同，就会在不同的m/z处出现对应的特征峰，质荷比(m/z)最大值就是有机物的相对分子质量。 (2)作用：测定有机物的相对分子质量。 例如： 则苯的相对分子质量为78。 【即学即练】 2．下列说法不正确的是(　　) A．通过质谱法只能确认有机化合物的相对分子质量，一般无法确定其结构 B．的1H核磁共振谱中有4个不同的吸收峰 C．红外光谱可以帮助确定许多有机化合物的结构 D．某有机化合物完全燃烧只生成CO2和H2O，两者物质的量之比为1∶2，则该有机化合物为甲烷 答案：　D 一、有机化合物分子组成的测定探究 某研究性学习小组为了确定含C、H、O三种元素有机物A的组成，进行了如下实验： 将足量的O2和4．6 g有机物A置于氧气流中充分燃烧，完全燃烧后将产物依次通过装置甲和装置乙。反应后测得装置甲、乙分别增重5．4 g和8．8 g。 学生用书第11页 1．装置甲和乙中分别盛放的物质是什么？ 提示：该有机物组成是C、H、O，则完全燃烧后生成H2O、CO2，为了测定A的分子式，需要得到产物的质量，则装置甲和乙中分别盛放的物质是：无水CaCl2(或P2O5干燥剂)、碱石灰。 2．实验开始前，为什么要先通入氧气一会儿，然后再加热？ 提示：实验开始前，先通一段时间的氧气，目的是：将装置中的空气排尽，否则会因空气中含有CO2、H2O而影响测定结果的准确性。 3．实验中CuO的作用是什么？ 提示：若A不完全燃烧产生CO，CuO可与CO反应得到CO2，确保有机物中碳元素全部被转化为CO2。 4．根据实验所得数据，通过计算确定该物质中C、H、O的原子个数之比和该有机物最简式。 提示：增重5．4 g是水的质量，8．8 g是CO2的质量，则水的物质的量为n(H2O)＝＝＝0．3 mol，CO2的物质的量为n(CO2)＝＝＝0．2 mol，有机物中n(H)＝2n(H2O)＝0．6 mol，n(C)＝n(CO2)＝0．2 mol，则[1×0．6＋12×0．2＋16×n(O)]g＝4．6 g，n(O)＝0．1 mol，则C、H、O的原子个数之比是0．2∶0．6∶0．1＝2∶6∶1；该有机物最简式为C2H6O。 有机物分子式的确定方法 1．常用方法 (1)实验式(最简式)法：根据有机化合物中各元素的质量分数(或各元素的质量比)，求出有机化合物的实验式，再根据有机化合物的相对分子质量确定分子式。 (2)直接法：直接推算出1 mol该有机化合物中各元素的原子的物质的量，从而得到分子中的各原子个数，确定分子式。 (3)燃烧反应通式法 常用的化学方程式有： CxHy＋O2xCO2＋H2O CxHyOz＋O2xCO2＋H2O。 2．注意问题 (1)某些特殊组成的实验式，在不知相对分子质量时，也可依据组成特点确定其分子式。例如实验式为CH3的有机化合物，其分子式可表示为(CH3)n，当且仅当n＝2，碳原子达饱和，故其分子式为C2H6。同理，实验式为CH3O的有机化合物，当且仅当n＝2，分子式为C2H6O2时，才存在该物质。 (2)部分有机化合物的实验式中，碳原子已达饱和，则该有机化合物的实验式即为分子式。例如实验式为CH4、CH3Cl、C2H6O、C4H10O3等有机化合物，其实验式即为分子式。 1．(2023·淮安市高中校协作体期中)某化合物6．4 g在氧气中充分燃烧，只生成8．8 g CO2和7．2 g H2O。下列说法正确的是(　　) A．该化合物中碳、氢原子个数比为1∶4 B．该化合物中碳、氧原子个数比为2∶1 C．无法确定该化合物是否含有氧元素 D．该化合物仅含碳、氢两种元素 A　[n(CO2)＝＝0．2 mol，根据C守恒，该化合物中n(C)＝0．2 mol，m(C)＝0．2 mol×12 g/mol＝2．4 g；n(H2O)＝＝0．4 mol，根据H守恒，该化合物中n(H)＝0．8 mol，m(H)＝0．8 g；m(C)＋m(H)＝2．4 g＋0．8 g＝3．2 g＜6．4 g，故该化合物中还含有O元素，n(O)＝＝0．2 mol；据此分析解答。该化合物中C、H原子的个数比为0．2 mol∶0．8 mol＝1∶4，A正确；该化合物中C、O原子的个数比为0．2 mol∶0．2 mol＝1∶1，B错误；根据分析，该化合物中含有O元素，C错误；该化合物中含C、H、O三种元素，且C、H、O的原子个数之比为0．2 mol∶0．8 mol∶0．2 mol＝1∶4∶1，D错误；答案选A。] 2．某有机物在氧气中充分燃烧，生成二氧化碳和水的物质的量之比为1∶1，由此可得出的正确结论是(　　) ①该有机物分子中碳、氢、氧原子个数比为1∶2∶3 ②该有机物分子中碳、氢原子个数比为1∶2 ③该有机物中肯定含有氧元素 ④无法判断该有机物中是否含有氧元素 A．①②　　 B．②③　　　C．①③　　　D．②④ D　[n(CO2)∶n(H2O)＝1∶1，则n(C)∶n(H)＝1∶2，CO2和H2O中的氧可能来自于氧气中的氧元素，从题中条件无法确认，故②和④正确。] 确定有机物分子式的思路 　　 学生用书第12页 二、有机化合物结构的探究 　某纯净有机物A的红外光谱表征到和的存在，经质谱仪、核磁共振仪得到下列质谱图和1H核磁共振谱图： 1．通过对图谱分析确定该有机物的分子式。 提示：质谱仪得到的质谱图中最大质荷比即为该有机物的相对分子质量，所以该有机物的相对分子质量为70，该有机物的1H核磁共振谱图显示不同化学环境的氢原子有4种，且H原子个数比为2∶1∶1∶2，故H原子总数量至少是6个，红外光谱表征到碳碳双键()和羰基()的存在。由氧原子数确定：若有2个O原子，则有70－32＝38，C原子为3个时，只能有2个H原子，C原子为2个时，有14个H原子，过饱和，且与强度比2∶1∶1∶2的4种环境不同的氢原子矛盾。因此，氧原子数为1。的式量为52，余基式量为70－52＝18，若H原子总数为6，则18－6＝12，说明还有1个碳原子，因此分子式为C4H6O。 2．通过对图像分析确定该有机物的结构简式。 提示：该有机物可能的结构有CH3CH===CHCHO(1H核磁共振谱图强度比应为3∶1∶1∶1)、CH2===CHCOCH3(1H核磁共振谱图应有3组峰)和CH2===CHCH2CHO，只有CH2===CHCH2CHO符合题意。 3．写出在一定条件下该有机物生成高聚物的化学方程式。 提示：nCH2===CHCH2CHO 1．有机化合物结构式的确定方法 (1)通过定性实验确定 实验→有机化合物表现的性质及相关结论→官能团→确定结构式。 如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机化合物分子中可能含有C===C。 (2)通过定量实验确定 ①通过定量实验确定有机化合物的官能团，如乙醇结构式的确定； ②通过定量实验确定官能团的数目，如测得1 mol某醇与足量钠反应可得到1 mol气体，则可说明醇分子中含2个—OH。 (3)根据实验测定的有机化合物的结构片段“组装”有机化合物。 实验测得的往往不是完整的有机化合物，这就需要我们根据有机化合物的结构规律，如价键规律、性质和量的规律等对其进行“组装”和“拼凑”。 (4)可用红外光谱、1H核磁共振谱确定有机化合物中的官能团和各类氢原子数目，确定有机化合物的结构式。 2．有机化合物分子的不饱和度 (1)有机化合物分子不饱和度的计算公式为分子的不饱和度＝n(C)＋1－。 其中：n(C)为碳原子数，n(H)为氢原子数。在计算不饱和度时，若有机化合物分子中含有卤素原子，可将其视为氢原子；若含有氧、硫原子，则不予考虑；若含有氮、磷原子，就在氢原子总数中减去氮、 学生用书第13页 磷原子数。例如，分子式为C6H5NO2的分子的不饱和度为5。 (2)几种常见官能团的不饱和度： 化学键 不饱和度 化学键 不饱和度 一个碳碳双键 1 一个碳碳三键 2 一个羰基 1 一个苯环 4 一个脂环 1 一个氰基 2 1．（2022·山东省名校联盟下学期质检）某有机物的1H核磁共振谱如图所示，该有机物的结构简式可能是(　　) A．CH3CH2Br　　　　　　 B．HCOCH2OCOOH C． D．CH3CH2OH A　[1H核磁共振谱中有两组吸收峰，则该有机物中含有2种不同化学环境的氢原子。CH3CH2Br含有2种不同化学环境的氢原子，故A符合题意；中含有3种不同化学环境的氢原子，故B不符合题意；中含有3种不同化学环境的氢原子，故C不符合题意；CH3CH2OH中含有3种不同化学环境的氢原子，故D不符合题意；答案选A。] 2．已知某有机物A的红外光谱和1H核磁共振谱如图所示，下列说法中错误的是(　　) A．由红外光谱可知，该有机物中至少有三种不同的化学键 B．由1H核磁共振谱可知，该有机物分子中有三种不同化学环境的氢原子 C.仅由A的1H核磁共振谱无法得知其分子中的氢原子总数 D．若A的化学式为C2H6O，则其结构简式为CH3—O—CH3 D　[红外光谱图中给出的化学键有C—H键、O—H键和C—O键三种，A项正确；1H核磁共振谱图中峰的个数即代表氢的种类，故B项正确；1H核磁共振谱图峰的面积表示氢的数目比，在没有明确化学式的情况下，无法得知氢原子总数，C项正确；若A为CH3—O—CH3，则无O—H键，与所给红外光谱图不符，且其1H核磁共振谱图应只有1个峰，与1H核磁共振谱图不符，故D项不正确。故选D。] 确定有机物结构式的方法 　　 1．（2022·洛阳市强基联盟下学期大联考）下列说法不正确的是(　　) A．用质谱法可确定有机物的相对分子质量 B．红外光谱图能确定有机物分子中的官能团 C．1H核磁共振谱图可获得分子中不同化学环境的氢 D．用燃烧分析法可确定有机物的分子结构 D　[质谱法可测定有机物的相对分子质量，为有机物实验式和分子式确定中常用的方法，A正确；红外光谱图可确定有机物分子中的化学键或官能团，对有机物分子红外光谱的研究有助于确定有机物分子的结构，B正确；1H核磁共振谱图可获得分子中不同化学环境的氢及其个数比，C正确；燃烧分析法可确定有机物的分子式，不能确定其分子结构，D错误；答案选D。] 2．（2022·沭阳县上学期期中）下列化合物中，1H核磁共振谱只出现两组峰且峰面积之比为3∶1的是(　　) A．　　　　 B． C． D． C　[有3种不同化学环境的H，且其原子个数比为3∶2∶2，A不符合题意；有2种不同化学环境的H，且其原子个数比为3∶2，B不符合题意；有2种不同化学环境的H，且其原子个数比为3∶1，故其1H核磁共振谱只出现两组峰且峰面积之比为3∶1，C符合题意；有2种不同化学环境的H，且其原子个数比为3∶2，D不符合题意。本题选C。] 学生用书第14页 3.（2022·徐州学情调研）某化合物的结构（键线式）及球棍模型如下： 该有机分子的1H核磁共振谱图如图： 下列关于该有机物的叙述正确的是(　　) A．该有机物不同化学环境的氢原子有6种 B．该有机物属于芳香族化合物 C．键线式中的Et代表的基团为—CH3 D．184 g该有机物在一定条件下完全燃烧消耗氧气的物质的量为10 mol D　[由1H核磁共振谱图可知有8种不同环境的氢原子，A错误；由键线式可看出，该物质中无苯环，不属于芳香族化合物，B错误；由键线式可看出，Et为—CH2CH3，C错误；该有机物燃烧方程式为C9H12O4＋10O29CO2＋6H2O ，故184 g该有机物完全燃烧需要10 mol氧气，D正确；答案选D。] 4．（2022·梅州段考） 将6.8 g的X完全燃烧生成3.6 g的H2O和8.96 L（标准状况）的CO2，X的1H核磁共振谱有4个峰且面积之比为3∶2∶2∶1。X分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，其质谱图、1H核磁共振谱与红外光谱如图，关于X的下列叙述正确的是(　　) A．化合物X的分子式为C8H10O2 B．由1H核磁共振谱可知，X分子中有3种不同化学环境的氢原子 C．符合题中X分子结构特征的有机物有1种 D．X分子中所有的原子在同一个平面上 C　[由质谱图可知，X的相对分子质量为136，n(X)＝＝＝0．05 mol，3．6 g H2O的物质的量n(H2O)＝＝＝0．2 mol，8．96 L(标准状况)CO2的物质的量n(CO2)＝＝＝0．4 mol，则X中n(H)＝2n(H2O)＝0．4 mol，n(C)＝n(CO2)＝0．4 mol，m(H)＝nM＝0．4 mol×1 g/mol＝0．4 g，m(C)＝0．4 mol×12 g/mol＝4．8 g，0．4 g＋4．8 g＜6．8 g，所以X中含有O元素，m(O)＝6．8 g－4．8 g－0．4 g＝1．6 g，n(O)＝＝＝0．1 mol，n(X)∶n(C)∶n(H)：n(O)＝0．05 mol∶0．4 mol∶0．4 mol∶0．1 mol＝1∶8∶8∶2，化合物X的分子式为C8H8O2，其核磁共振氢谱有4个峰且面积之比为3∶2∶2∶1，X分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基，说明X分子中含有4种H原子，苯环上有三种氢原子，个数分别为1、2、2，所以侧链中含有－CH3，结合红外光谱可知，分子中存在酯基，且存在结构，故有机物X的结构简式为，据此分析解答。由质谱图可知，X的相对分子质量为136，分析可知n(X)∶n(C)∶n(H)∶n(O)＝0．05 mol∶0．4 mol∶0．4 mol∶0．1 mol＝1∶8∶8∶2，化合物X的分子式为C8H8O2，故A错误；X的结构简式为，含有H种类为共4种，故B错误；由上述分析可知，符合题中X分子结构特征的有机物有1种，其结构简式为，故C正确；由上述分析可知，X为，分子的侧链中含有—CH3，甲基是四面体结构，所有原子不可能全部共平面，故D错误；故选C。] 5．根据所学知识填空： (1)测得A的蒸气密度是同状况下甲烷的4．375倍。则A的相对分子质量为________。 (2)将5．6 g A在足量氧气中燃烧，并将产物依次通过浓硫酸和碱石灰，分别增重7．2 g和17．6 g。则A的实验式为________，A的分子式为________。 (3)将A通入溴水，溴水褪色，说明A属于________，若不褪色，则A属于________。 (4)A的1H核磁共振谱如图： 综上所述，A的结构简式为________。 解析：　(1)根据公式Mr＝D·M(CH4)计算该有机物的相对分子质量为16×4．375＝70。(2)由A的燃烧反应知，5．6 g A含m(C)＝17．6 g×＝4．8 g，m(H)＝7．2 g×＝0．8 g，确定该有机物只含碳、氢两种元素，实验式为CH2，设分子式为(CH2)n，则12n＋2n＝70，n＝5，分子式为C5H10。(3)符合分子式为C5H10的有烯烃和环烷烃，若能使溴水褪色，则为烯烃，若不能，则为环烷烃。(4)该1H核磁共振谱图共有4组吸收峰，吸收峰面积之比为1∶1∶2∶6，则A的结构简式为。 答案：　(1)70　(2)CH2　C5H10　(3)烯烃　环烷烃　(4) 学科网（北京）股份有限公司 $$