第1章 第2节 第2课时 有机物实验式、分子式和分子结构的确定-【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（人教版2019）

第2课时　有机物实验式、分子式和分子结构的确定 学习目标 素养解读 1.学会测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一般方法，并能据此确定有机化合物的分子式。 2．能够根据化学分析和波谱分析确定有机化合物的结构 1.通过质谱、红外光谱、核磁共振氢谱等现代仪器测定和探析有机物的分子组成、结构，揭示有机物结构的异同；能认识仪器分析对确定物质微观结构的作用。 2．从官能团的鉴别构建不同有机物的结构模型，结合官能团的性质推理出各类有机物的特性 任务一　确定实验式和分子式 1．确定实验式 (1)元素定量分析 ①原理 将一定量的有机化合物燃烧，转化为简单的无机化合物，并通过测定无机物的质量，从而推算出有机物所含各元素的质量分数，然后计算出该有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，确定其实验式(也称最简式)。 ②李比希法 ③实例 某种含C、H、O三种元素的未知物A，经燃烧分析实验测定该未知物中碳的质量分数为52.2%, 氢的质量分数为13.1%。则未知物A的实验式为C2H6O。 (2)实验式与分子式的关系 得到实验式后，要确定分子式，还必须知道有机化合物的相对分子质量。 2．确定分子式 (1)质谱法测定相对分子质量的原理 (2)质谱图 ①概念：以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标建立的坐标图。 ②实例 如图为未知物A的质谱图，从图中可知，该未知物A的相对分子质量为46，即质荷比最大的数据就是样品A的相对分子质量。 (3)确定分子式 分子式＝(最简式)n，已知上述未知物A的最简式为C2H6O，可求得A的分子式为C2H6O。 【易错辨析】 (1)利用李比希法可以确定有机物分子的最简式。(√) (2)元素分析仪可用于分析有机物中的元素组成。(√) (3)质谱图中最右边的谱线表示的数值为该有机物的相对分子质量。(√) (4)碳氢质量比为3∶1的有机物一定是CH4。(×) 已知青蒿素是一种含C、H、O三种元素的有机物，为确定其化学式，进行了如下实验(已知样品青蒿素为28.2 g，E和F中试剂分别为无水CaCl2和碱石灰)： 问题1：实验测得反应后E装置增重19.8 g，F装置增重66 g，通过质谱法测得青蒿素的相对分子质量为282，结合上述数据，计算青蒿素的分子式。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：C15H22O5。E装置增重19.8 g，即生成19.8 g水，水的物质的量为＝1.1 mol，n(H)＝2.2 mol；F装置增重66 g，即CO2的质量为66 g，n(CO2)＝＝1.5 mol，n(C)＝1.5 mol，则青蒿素含氧的物质的量为n(O)＝＝0.5 mol，28.2 g青蒿素的物质的量为＝0.1 mol，则青蒿素的化学式为C15H22O5。 问题2：上述实验装置存在误差，请指出并给出合理解释。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：原装置中F与空气相连，导致空气中的水和二氧化碳可能进入F中，影响测定结果，应在F后再接一个装有碱石灰的装置，防止空气中的二氧化碳、水蒸气进入装置F。 【要点归纳】 确定有机物分子式的方法 1．常用方法 2．化学方程式法 利用有机反应中反应物、生成物之间“量”的关系求分子式。在有机化学中，常利用有机物燃烧等方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式有： CxHy＋xCO2＋ H2O； CxHyOz＋xCO2＋ H2O。 3．商余法(适用于确定烃类的分子式) 用烃的相对分子质量除以12，看商和余数，即＝x……y，则分子式为CxHy。在此基础上，由一种烃的分子式求另一可能烃的分子式可采用增减法推断，其规律如下： 【典例分析】 【典例1】 葡萄糖生物发酵后，得到的混合物中含有一种有机化合物X，采用如下步骤研究有机化合物X的结构： (1)将X从发酵液中提取出来，流程如下： 步骤①和②分别用到的装置是________、________(填字母)。 (2)燃烧法测得有机化合物X中C、H、O元素的质量分数分别为58.8%、9.8%、31.4%，则X的实验式为______________。 (3)用质谱仪测定出如下质谱图，则X的化学式为____________。 解析：(2)有机化合物X中C、H、O元素的质量分数分别为58.8%、9.8%、31.4%，原子个数比C∶H∶O＝∶∶≈5∶10∶2，实验式为C5H10O2。(3)质谱仪测定X的相对分子质量为102，X的实验式为C5H10O2，故化学式为C5H10O2。 答案：(1)B　C　(2)C5H10O2　(3)C5H10O2 【对点练】 1.为了测定有机物M的分子式，取5.8 g M与一定量的O2置于一密闭容器中燃烧，定性实验表明产物是CO2、CO和水蒸气，测得的有关数据如下(箭头表示气流的方向，实验前系统内的空气已排尽)： 该有机物M的分子式可能是(　　) A．C3H6O B．C2H4O2 C．CH2O2 D．C4H8 解析：选A。燃烧产物通入浓硫酸中增重5.4 g即水的质量为5.4 g，物质的量为0.3 mol，通入浓氢氧化钠溶液中，增重8.8 g即二氧化碳质量为8.8 g，物质的量为0.2 mol，通入浓硫酸中干燥，根据CO＋CuOCO2＋Cu，灼热氧化铜质量减少1.6 g即CuO的物质的量为0.1 mol，则CO的物质的量为0.1 mol，则m(C)＝0.3 mol×12 g·mol-1＝3.6 g，m(H)＝ 0.6 mol×1 g·mol-1＝0.6 g，则m(O)＝5.8 g－3.6 g－0.6 g＝1.6 g，则氧原子的物质的量＝＝0.1 mol，因此n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.3 mol∶0.6 mol∶0.1 mol＝3∶6∶1，A符合题意。 2．有机物A常用于食品行业。已知9.0 g A在足量O2中充分燃烧，将生成的混合气体依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，分别增重5.4 g和13.2 g，经检验剩余气体为O2。A分子的质谱图如图所示，则A的分子式是__________。 解析：A在足量O2中充分燃烧，将生成的混合气体依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，分别增重5.4 g和13.2 g，说明燃烧产生H2O和CO2的质量分别为5.4 g和13.2 g，5.4 g H2O含氢元素0.6 g，13.2 g CO2中含3.6 g碳元素，则A中所含氧元素质量为9－0.6－3.6＝4.8 g，A中C、H、O原子个数比为∶∶＝1∶2∶1，根据A的质谱图，A的相对分子量为90，故A的分子式是C3H6O3。 答案：C3H6O3 任务二　确定分子结构 1．红外光谱 (1)原理：有机物受到红外线照射时，能吸收与它的某些化学键或官能团的振动频率相同的红外线，不同化学键或官能团的吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。 (2)作用：获取分子中所含的化学键或官能团的信息。如有机物A的分子式为C2H6O，存在两种可能的结构：CH3CH2OH或CH3OCH3。根据A的红外光谱图可确定A的结构简式为CH3CH2OH。 2．核磁共振氢谱 (1)原理：利用电磁波照射含氢元素的化合物，处于不同化学环境中的氢原子因产生核磁共振时吸收电磁波的频率不同，相应的信号在谱图上出现的位置不同，具有不同的化学位移，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。 (2)作用：获取有机物分子中氢原子的类型和相对数目。如有机物A(C2H6O)的核磁共振氢谱如图1所示，可知A中有3种不同化学环境的氢原子，且个数比为3∶2∶1，可推知该有机物的结构应为CH3CH2OH。图2为二甲醚(CH3OCH3)的核磁共振氢谱。 3．X射线衍射 (1)X射线是一种波长很短的电磁波，它和晶体中的原子相互作用可以产生衍射图。 (2)经过计算可以从X射线衍射图中获得分子结构的有关数据，包括键长、键角等分子结构信息。 (3)将X射线衍射技术用于有机化合物(特别是复杂的生物大分子)晶体结构的测定，可以获得更为直接而详尽的结构信息。 【易错辨析】 (1)根据红外光谱可以确定有机物中化学键种类。(√) (2)红外光谱仪、核磁共振仪、质谱仪都可用于有机化合物结构的分析。(√) (3)核磁共振氢谱中，有几个吸收峰就说明有几个氢原子。(×) (4)用元素分析仪和红外光谱相结合即可确定有机物的结构。(×) (5)CH3CH2CH2OH的核磁共振氢谱中，有3个吸收峰，且吸收峰面积比为4∶3∶1。(×) 【要点归纳】 确定有机物结构式的方法 (1)根据价键规律确定 某些有机化合物根据价键规律只存在一种结构，则直接根据分子式确定其结构式。例如，C2H6 的结构只能是CH3CH3。 (2)通过定性实验确定 实验→有机物表现的性质及相关结论→确定官能团→确定结构式。例如，能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有，不能使溴的四氯化碳溶液褪色却能使酸性高锰酸钾溶液褪色的可能是苯的同系物等。 (3)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1个该醇分子中含2个—OH。 (4)有机物分子结构的确定(物理方法) 【典例分析】 【典例2】 科学技术在物质结构的研究中具有非常重要的作用。下列说法正确的是(　　) A．HCHO的核磁共振氢谱图中有2个吸收峰 B．可通过X射线衍射实验测得共价键的键长和键角 C．某有机物X的红外光谱图如上图所示，X可能是丙酮(CH3COCH3) D．质谱仪可测分子的相对分子质量，C2H5OH和CH3OCH3的质谱图完全相同 解析：选B。HCHO分子中的2个H是等效氢，故HCHO的核磁共振氢谱图中只有1个吸收峰，A错误；可以通过晶体的X射线衍射实验获得键长和键角的数值，B正确；根据丙酮分子的结构可知其6个C—H键是完全相同的，而题干图示中有两种不同的C—H键，因此X不可能是丙酮，C错误；CH3CH2OH与CH3OCH3的结构不同，相对分子质量相同，最大质荷比相同，但分子离子和碎片离子等不同，则质谱图不完全相同，D错误。 【对点练】 3.某有机物的红外光谱图如下图，该有机物可能是(　　) A．C2H5OH B．CH3CHO C．CH3COOH D．CH3COOC2H5 解析：选C。分析各选项有机物中存在的化学键并与红外光谱对照。乙醇的官能团羟基有O—H和C—O的振动吸收峰，没有C===O的振动吸收峰，A错误；乙醛的官能团醛基有C===O的振动吸收峰，没有C—O和O—H的振动吸收峰，B错误；乙酸的官能团羧基有C===O、C—O和O—H的振动吸收峰，C正确；乙酸乙酯的官能团酯基有C===O、C—O的振动吸收峰，没有O—H的振动吸收峰，D错误。 4．某有机物的核磁共振氢谱如图所示，该有机物的结构简式可能为(　　) A．CH3OCH2CH3 B． C． D． 解析：选A。CH3OCH2CH3的核磁共振氢谱有3组峰，峰面积之比为3∶3∶2，A符合题意；的核磁共振氢谱中有2组峰，B不符合题意；的核磁共振氢谱中有2组峰，C不符合题意；的核磁共振氢谱中有1组峰，D不符合题意。 5．某有机物A只含C、H、O三种元素，经化学分析如下： ① 相对分子质量为134 ② 13.4 g A充分燃烧，吸水剂增重9 g，二氧化碳吸收剂增重22 g ③ 13.4 g A分别与足量Na、足量NaHCO3反应放出3.36 L H2、2.24 L CO2(气体体积均在标准状况下测定) (1)A的分子式是______________。 (2)结合数据分析1个A分子中有________个羟基。 解析：(1)吸水剂增重的9 g为H2O的质量，则n(H)＝2n(H2O)＝2×＝1 mol，二氧化碳吸收剂增重22 g，则n(C)＝n(CO2)＝＝0.5 mol，由质量守恒可得n(O)×16 g/mol＋0.5×12 g＋1×1 g＝13.4 g，解得n(O)＝0.4 mol，则n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.5∶1∶0.4＝5∶10∶4，A的分子式是C5H10O4。(2)n(A)＝＝0.1 mol，n(H2)＝＝0.15 mol，n(CO2)＝＝0.1 mol，0.1 mol A与足量NaHCO3反应放出0.1 mol CO2说明A中有1个羧基，0.1 mol A与足量Na反应产生0.15 mol H2说明还有2个羟基。 答案：(1)C5H10O4　(2)2 课堂加练·课后检测 【课堂加练题组】 1．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．该化合物仅含碳、氢两种元素 B．无法确定该化合物是否含有氧元素 C．该化合物中碳、氢原子个数比为1∶4 D．该化合物中碳、氧原子个数比为2∶1 解析：选C。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。该化合物中含有O元素，A和B均错误；该化合物中C、H原子的个数比为0.2 mol∶0.8 mol＝1∶4，C正确；该化合物中C、O原子的个数比为0.2 mol∶0.2 mol＝1∶1，D错误。 2．某有机物在相同状况下对氢气的相对密度为45。取该有机物样品3.6 g在纯氧中充分燃烧得到两种产物，将产物先后通过过量浓硫酸和碱石灰，两者分别增重2.16 g和5.28 g，则该有机物的分子式为(　　) A．C3H6O3 B．CH2O3 C．C3H6O2 D．C3H8O3 解析：选A。某有机物在相同状况下对氢气的相对密度为45，其相对分子质量为45×2＝90，燃烧生成的水的物质的量为＝0.12 mol，CO2的物质的量为＝0.12 mol，有机物中H原子为0.24 mol，C原子为0.12 mol，O原子为＝0.12 mol，可知C、H、O的原子个数比为1∶2∶1，设有机物为(CH2O)n，则(12＋2＋16)×n＝90，解得n＝3，则有机物分子式为C3H6O3。 3．某有机物A的分子式为C4H10O，对其结构进行光谱分析如图所示，则A的结构简式为(　　) A．(CH3)2CHOCH3 B．CH3CH2OCH2CH3 C．CH3CH2CH2CH2OH D．CH3OCH2CH2CH3 解析：选B。该有机物A的分子式为C4H10O，红外光谱显示存在甲基、亚甲基和醚键；核磁共振氢谱显示该有机物有2组吸收峰，因此该有机物分子的结构简式为CH3CH2OCH2CH3。 4．用现代分析仪器对有机物M的分子结构进行测定，相关结果如下： 有关M的说法不正确的是(　　) A．根据图1信息，M的相对分子质量应为74 B．根据图1、图2信息，推测M的分子式是C4H10O C．根据图1、图2、图3信息，可确定M属于醛类有机物 D．根据图1、图2、图3信息，M分子内有三种化学环境不同的H，个数比为6∶3∶1 解析：选C。图1中最大质荷比为74，因此M的相对分子质量为74，A正确；由图2可知M中含有烷基与醚键，则其通式可表示为CnH2n＋2O，因此14n＋2＋16＝74，解得n＝4，故其分子式为C4H10O，B正确；由图2可知M属于醚类，结合分子式C4H10O可确定M是一元醚，C错误；由图3可知M中含有3种类型的氢原子，结合分子式推出M的结构，氢原子个数比为6∶3∶1，D正确。 5．(2024·黑龙江佳木斯高二期中)回答下列问题： (1)根据核磁共振氢谱图可以确定有机物分子中氢原子的种类和相对数目。 ①下列分子中，其核磁共振氢谱中只有一组峰的物质是________ (填字母)。 A．CH3CH3 B．CH3CH2COOH C．CH3CH2COOCH3 D．CH3CH2COCH3 ②若用核磁共振氢谱来研究C2H6O的结构，请简要说明根据核磁共振氢谱的结果来确定C2H6O分子结构的方法是______________________________________。 (2)分子式为C3H6O3的有机物能与NaHCO3溶液发生反应生成CO2，且该有机物分子的核磁共振氢谱有4组峰，峰面积之比是1∶1∶1∶3，则该有机物的结构简式是______________________。 解析：(2)该有机物能与NaHCO3溶液发生反应生成CO2，则含有羧基，且分子的核磁共振氢谱有4组峰，峰面积之比是1∶1∶1∶3，则结构简式是CH3CH(OH)COOH。 答案：(1)①A　②通过核磁共振氢谱中峰的数目可以判断：有3组峰时，分子结构为CH3CH2OH；有1组峰时，分子结构为CH3OCH3 (2)CH3CH(OH)COOH 学科网（北京）股份有限公司 $$