1.2.2 有机化合物实验式、分子式和分子结构的确定 导学案 2024-2025高二下学期化学人教版（2019）选择性必修3

第二节　研究有机化合物的一般方法 有机化合物实验式、分子式和分子结构的确定 导学案 课标解读： 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.知道红外光谱仪、核磁共振仪等现代仪器分析方法在有机化合物分子结构测定中的应用。 新知探究 知识点一　有机化合物实验式、分子式的确定 知识点总结 1．确定实验式 (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(如C→CO2，H→H2O)，并通过测定无机物的质量，推算出该有机化合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)李比希元素分析方法 ①李比希定量分析一般过程 ②分析思路 C、H、O的质量分数C、H、O的原子个数比实验式 2．相对分子质量的测定——质谱法 (1)质谱法确定相对分子质量 ①原理：质谱仪用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子，形成带正电荷的分子离子和碎片离子等。这些离子因质量不同、电荷不同，在电场和磁场中的运动行为不同。计算机对其进行分析后，得到它们的相对质量与电荷数的比值，即质荷比。 ②质谱图：以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标，根据记录结果所建立的坐标图。如图是某未知物A(实验式为C2H6O)的质谱图： 从图中可知，该有机物的相对分子质量为46，即质荷比最大的数据就是样品分子的相对分子质量。 (2)确定分子式 在确定了物质的实验式(最简式)和相对分子质量之后，就可进一步确定其分子式。 计算依据：分子式是实验式的整数倍。即A的分子式为(C2H6O)n，则46n＝46，n＝1，则A的分子式为C2H6O。 [问题探究]　(1)已知某有机物燃烧生成的CO2和H2O的物质的量，即可判断该有机物的最简式。这种说法是否正确？ 提示：不正确。已知CO2和H2O的物质的量，只能求出该有机物中碳与氢的最简整数比，不能确定是否有氧存在及其含量。 (2)某含C、H、O三种元素的有机物可以作油脂、药物和香料的萃取剂。经燃烧分析实验测定该有机物中碳的质量分数是40%，氢的质量分数是6.67%，则该有机物的实验式是________；如图是该有机物的质谱图，由图谱可知该有机物的相对分子质量是________，分子式是________。 提示：CH2O　60　C2H4O2。该物质中碳、氢、氧原子个数之比＝∶∶≈1∶2∶1，其实验式为CH2O。由质谱图知其相对分子质量为60，而其实验式的相对分子质量为30，故其分子式为C2H4O2。 精讲精练 例1某化学小组为测定有机物G的组成和结构，设计如图实验装置： 回答下列问题： (1)实验开始时，先打开分液漏斗活塞，一段时间后再加热反应管C，目的是______________________________________________________。 (2)装置B和装置D中浓硫酸的作用分别是____________和____________。 (3)装置E和装置F中碱石灰的作用分别是__________________和________________。 (4)若准确称取4.4 g样品G(只含C、H、O三种元素)，经充分燃烧后，装置D质量增加3.6 g，U形管E质量增加8.8 g。又知有机物G的质谱图如图所示： 该有机物的分子式为____________。 解析：实验开始时先制氧气，把装置中的空气排出来，防止二氧化碳等干扰，B干燥氧气，加热C，样品燃烧生成二氧化碳和水，CuO的作用是确保有机物充分氧化，最终生成CO2和H2O，D用于吸收生成物中的水，E用于吸收生成物中的二氧化碳，F防止空气中的二氧化碳和水进入E装置，根据称量的质量进行有关的计算。(1)实验开始时先制氧气，利用氧气把装置中的空气排出来，防止空气中的二氧化碳等干扰；(2)B中浓硫酸用于干燥氧气，防止干扰后面装置生成的水，D用于吸收有机物燃烧生成的水蒸气；(3)E用于吸收生成物中的二氧化碳，F防止空气中的二氧化碳和水进入E装置；(4)装置D的质量增加3.6 g，样品中的H的物质的量为3.6 g÷18 g·mol－1×2＝0.4 mol，质量为0.4 g，U形管E质量增加8.8 g，样品中C的物质的量为8.8 g÷44 g·mol－1＝0.2 mol，质量为2.4 g，所以样品中O的质量为4.4 g－0.4 g－2.4 g＝1.6 g，O的物质的量为1.6 g÷16 g·mol－1＝0.1 mol，样品中N(C)∶N(H)∶N(O)＝0.2 mol∶0.4 mol∶0.1 mol＝2∶4∶1，则该物质的实验式为C2H4O；由质谱图可知，该物质的相对分子质量为88，因此该物质的分子式为C4H8O2。 答案：(1)排出装置中的空气　(2)干燥O2　吸收有机物燃烧生成的水蒸气　(3)吸收有机物燃烧生成的CO2　吸收空气中的H2O和CO2　(4)C4H8O2 [拓展探究]　(1)电炉中CuO的作用是什么？ 提示：将C元素完全转化为CO2。CuO可以将CO氧化为CO2。 (2)去除实验中的装置B，将使测定的__________元素的质量分数偏大。 提示：氢。去除实验中的装置B会使装置D中增加的质量偏大，使测定氢元素的质量分数偏大。 [对点训练1]　有机化合物C常用于食品行业。将9.0 g C在足量O2中充分燃烧，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。C分子的质谱图如图所示。 从图中可知其相对分子质量是________，则C的分子式是________。 解析：根据质谱图可知，有机化合物C的相对分子质量为90；9.0 g C即为0.1 mol C。n(H2O)＝＝0.3 mol、n(CO2)＝＝0.3 mol，则n(H)＝0.6 mol、n(C)＝0.3 mol，则N(有机化合物)∶N(H)∶N(C)＝0.1 mol∶0.6 mol∶0.3 mol＝1∶6∶3，则有机化合物C的一个分子中N(O)＝＝3，则有机化合物C的分子式为C3H6O3。 答案：90　C3H6O3 [方法规律]　确定有机物相对分子质量的其他计算法 (1)标况密度法：已知标准状况下气体的密度ρ，摩尔质量M＝ρ×22.4 L·mol－1。 (2)相对密度法：根据气体A相对于气体B(已知)的相对密度d。MA＝d×MB。 (3)混合气体平均摩尔质量：＝。 知识点二　有机化合物分子结构的确定 知识点总结 1．红外光谱 2．核磁共振氢谱 (1)原理与作用 (2)实例 如图1、图2分别是分子式为C2H6O的两种同分异构体的核磁共振氢谱。 图1 图2 ①由图1确定该有机化合物分子中含有3种处于不同化学环境的氢原子，且个数之比为3∶2∶1，故其结构简式为CH3CH2OH。 ②由图2确定该有机化合物分子中含有1种化学环境的氢原子，故其结构简式为CH3OCH3。 3．X射线衍射 [问题探究]　乳酸(C3H6O3)的红外光谱如图所示。乳酸分子的核磁共振氢谱有4组峰，峰面积之比是1∶1∶1∶3，写出乳酸的结构简式__________________。 提示：CH3CH(OH)COOH。由红外光谱图可知乳酸含有羟基和羧基，其分子的核磁共振氢谱有4组吸收峰，说明含有4种H原子，峰面积之比是1∶1∶1∶3，则4种H原子数目为1、1、1、3，则乳酸的结构简式为CH3CH(OH)COOH。 精讲精练 例2　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： 图1　质谱 图2　红外光谱 图3　核磁共振氢谱 有关M的说法不正确的是(　　) A．根据图1，M的相对分子质量应为74 B．根据图1、图2，推测M的分子式是C4H10O C．根据图1、图2、图3信息，可确定M属于醇类 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：C　质谱图中最大质荷比为该分子的相对分子质量，图中看出为74，A正确；图1知相对分子质量为74，图2知含醚键和烷基，该物质为醚，通式为CnH2n＋2O，故n＝4，分子式为C4H10O，B正确，C错误；M分子内有三种化学环境不同的H，结构简式为CH3CH(OCH3)CH3，氢原子个数比为6∶3∶1，D正确。 [对点训练2]　有机物A的核磁共振氢谱图和红外光谱图如图所示，下列说法不正确的是(　　) A．由核磁共振氢谱图可知，该有机物分子中有两种不同化学环境的氢原子 B．由红外光谱图可知，该有机物中只有2种不同的共价键 C．若A的化学式为C2H6O2，则其结构简式为HOCH2CH2OH D．由核磁共振氢谱图可知其分子中不同化学环境的氢原子的个数比 解析：B　由核磁共振氢谱图可确定有机物分子中氢原子种类与不同化学环境的氢原子个数比，根据A的核磁共振氢谱图可看出，分子中有2种不同化学环境的氢原子；红外光谱图可确定分子中所含的化学键，根据A的红外光谱图可知，分子中含碳碳单键和氢氧键。由上述分析可知，该有机物分子中有两种不同化学环境的氢原子，A正确；由红外光谱图可知，该有机物中含碳碳单键和氢氧键，但不符合碳四价原则，所以不是只有2种不同的共价键，B错误；若A的化学式为C2H6O2，则根据红外光谱图和核磁共振氢谱图可确定，该有机物为乙二醇，其结构简式为HOCH2CH2OH，C正确；核磁共振氢谱图可确定氢原子种类，及其分子中不同化学环境的氢原子的个数比，D正确。 [思维建模]　有机物结构确定的方法思路 课堂练习 1．二甲醚和乙醇互为同分异构体，鉴别两者可采用化学方法或物理方法，下列方法中不能对二者进行鉴别的是(　　) A．利用金属钠或金属钾 B．利用原子光谱 C．利用红外光谱法 D．利用核磁共振氢谱 解析：B　A项，乙醇中含有羟基，可与金属钠或金属钾反应生成氢气，二甲醚与金属钠或金属钾不反应，可鉴别；B项，二甲醚和乙醇具有相同的原子，利用原子光谱不能鉴别；C项，二甲醚和乙醇分别含有不同的官能团，因此可用红外光谱法鉴别；D项，二甲醚和乙醇含有的氢原子的种类和个数不同，可利用核磁共振氢谱鉴别。 2．(教材 P21T4改编)下列化合物中，核磁共振氢谱中吸收峰最少的是(　　) A．CH3CH2CH2OH B．CH3CH2COOH C．丙烷 D．CH3CH===CH2 解析：C　核磁共振氢谱中吸收峰的数目与不同化学环境的氢原子数相等，CH3CH2CH2OH 有4种不同化学环境的氢原子，CH3CH2COOH 有3种不同化学环境的氢原子，丙烷(CH3CH2CH3)有2种不同化学环境的氢原子，CH3CH===CH2有3 种不同化学环境的氢原子，故选C。 3．某有机物质量为8.80 g；完全燃烧后得到22.0 g CO2、10.8 g H2O，该有机物的蒸气密度是相同条件下H2密度的44倍，则该有机物的分子式为(　　) A．C5H6O B．C5H12 C．C5H12O2 D．C5H12O 解析：D　该有机物的蒸气密度是相同条件下氢气密度的44倍，则该有机物的相对分子质量为2×44＝88，8.80 g有机物的物质的量为＝0.1 mol，22.0 g CO2的物质的量为＝0.5 mol，10.8 g水的物质的量为＝0.6 mol，故1个该有机物分子中碳原子数目为＝5，氢原子数目为＝12，分子中C、H的相对原子质量之和为12×5＋1×12＝72，故1个该有机物分子中还含有1个氧原子，则该有机物的分子式为C5H12O。 4．有机物A常用作有机溶剂，由C、H、O三种元素组成，其质谱图如图所示。回答下列问题： (1)有机物A的相对分子质量为________。 (2)核磁共振氢谱显示有机物A中有两组峰，且峰面积比为3∶1，则该有机物A的结构简式为________，属于________(填有机物类别)，其同分异构体为________(已知碳碳双键和羟基直接相连的结构不稳定)。 (3)有关化合物A的下列说法正确的是________(填标号)。 A．有机物A分子中碳原子的杂化轨道类型只有一种 B．1 mol有机物A完全燃烧产生44.8 L CO2 C．实验室可用乙醇制备有机物A D．可通过红外光谱区分有机物A和其同分异构体 解析：(2)由有机物A核磁共振氢谱中有两组峰，峰面积比为3∶1可知，含有—CH3，剩余相对分子质量为29，由题干可知，分子中还含有1个氧原子和1个碳原子，则有机物A的结构简式为CH3CHO；由有机物A的分子式为C2H4O及题给信息可知，其同分异构体为。(3)CH3CHO中饱和碳原子为sp3杂化，碳氧双键上的碳原子为sp2杂化，A错误；未指明气体所处状态，无法计算气体体积，B错误；乙醇在铜或银作催化剂、加热的条件下可被氧气氧化为乙醛，C正确；CH3CHO和的官能团不同，可通过红外光谱区分，D正确。 答案：(1)44　(2)CH3CHO　醛类　　(3)CD 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第二节　研究有机化合物的一般方法 有机化合物实验式、分子式和分子结构的确定 导学案 课标解读： 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.知道红外光谱仪、核磁共振仪等现代仪器分析方法在有机化合物分子结构测定中的应用。 新知探究 知识点一　有机化合物实验式、分子式的确定 知识点总结 1．确定实验式 (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(如C→CO2，H→H2O)，并通过测定无机物的质量，推算出该有机化合物所含各元素的 ，然后计算出该有机化合物分子内各元素原子的 ，确定其实验式(也称最简式)。 (2)李比希元素分析方法 ①李比希定量分析一般过程 ②分析思路 C、H、O的质量分数C、H、O的原子个数比实验式 2．相对分子质量的测定——质谱法 (1)质谱法确定相对分子质量 ①原理：质谱仪用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子，形成带正电荷的 和碎片离子等。这些离子因质量不同、电荷不同，在电场和磁场中的运动行为不同。计算机对其进行分析后，得到它们的 的比值，即 。 ②质谱图：以 为横坐标，以 为纵坐标，根据记录结果所建立的坐标图。如图是某未知物A(实验式为C2H6O)的质谱图： 从图中可知，该有机物的相对分子质量为 ，即 最大的数据就是样品分子的相对分子质量。 (2)确定分子式 在确定了物质的实验式(最简式)和相对分子质量之后，就可进一步确定其分子式。 计算依据： 。即A的分子式为(C2H6O)n，则46n＝46，n＝1，则A的分子式为C2H6O。 [问题探究]　(1)已知某有机物燃烧生成的CO2和H2O的物质的量，即可判断该有机物的最简式。这种说法是否正确？ (2)某含C、H、O三种元素的有机物可以作油脂、药物和香料的萃取剂。经燃烧分析实验测定该有机物中碳的质量分数是40%，氢的质量分数是6.67%，则该有机物的实验式是________；如图是该有机物的质谱图，由图谱可知该有机物的相对分子质量是________，分子式是________。 精讲精练 例1某化学小组为测定有机物G的组成和结构，设计如图实验装置： 回答下列问题： (1)实验开始时，先打开分液漏斗活塞，一段时间后再加热反应管C，目的是______________________________________________________。 (2)装置B和装置D中浓硫酸的作用分别是____________和____________。 (3)装置E和装置F中碱石灰的作用分别是__________________和________________。 (4)若准确称取4.4 g样品G(只含C、H、O三种元素)，经充分燃烧后，装置D质量增加3.6 g，U形管E质量增加8.8 g。又知有机物G的质谱图如图所示： 该有机物的分子式为____________。 [拓展探究]　(1)电炉中CuO的作用是什么？ (2)去除实验中的装置B，将使测定的__________元素的质量分数偏大。 [对点训练1]　有机化合物C常用于食品行业。将9.0 g C在足量O2中充分燃烧，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。C分子的质谱图如图所示。 从图中可知其相对分子质量是________，则C的分子式是________。 知识点二　有机化合物分子结构的确定 知识点总结 1．红外光谱 2．核磁共振氢谱 (1)原理与作用 (2)实例 如图1、图2分别是分子式为C2H6O的两种同分异构体的核磁共振氢谱。 图1 图2 ①由图1确定该有机化合物分子中含有 种处于不同化学环境的氢原子，且个数之比为 ，故其结构简式为 。 ②由图2确定该有机化合物分子中含有 种化学环境的氢原子，故其结构简式为 3。 3．X射线衍射 [问题探究]　乳酸(C3H6O3)的红外光谱如图所示。乳酸分子的核磁共振氢谱有4组峰，峰面积之比是1∶1∶1∶3，写出乳酸的结构简式__________________。 提示：CH3CH(OH)COOH。由红外光谱图可知乳酸含有羟基和羧基，其分子的核磁共振氢谱有4组吸收峰，说明含有4种H原子，峰面积之比是1∶1∶1∶3，则4种H原子数目为1、1、1、3，则乳酸的结构简式为CH3CH(OH)COOH。 精讲精练 例2　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： 图1　质谱 图2　红外光谱 图3　核磁共振氢谱 有关M的说法不正确的是(　　) A．根据图1，M的相对分子质量应为74 B．根据图1、图2，推测M的分子式是C4H10O C．根据图1、图2、图3信息，可确定M属于醇类 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 [对点训练2]　有机物A的核磁共振氢谱图和红外光谱图如图所示，下列说法不正确的是(　　) A．由核磁共振氢谱图可知，该有机物分子中有两种不同化学环境的氢原子 B．由红外光谱图可知，该有机物中只有2种不同的共价键 C．若A的化学式为C2H6O2，则其结构简式为HOCH2CH2OH D．由核磁共振氢谱图可知其分子中不同化学环境的氢原子的个数比 [思维建模]　有机物结构确定的方法思路 课堂练习 1．二甲醚和乙醇互为同分异构体，鉴别两者可采用化学方法或物理方法，下列方法中不能对二者进行鉴别的是(　　) A．利用金属钠或金属钾 B．利用原子光谱 C．利用红外光谱法 D．利用核磁共振氢谱 2．(教材 P21T4改编)下列化合物中，核磁共振氢谱中吸收峰最少的是(　　) A．CH3CH2CH2OH B．CH3CH2COOH C．丙烷 D．CH3CH===CH2 3．某有机物质量为8.80 g；完全燃烧后得到22.0 g CO2、10.8 g H2O，该有机物的蒸气密度是相同条件下H2密度的44倍，则该有机物的分子式为(　　) A．C5H6O B．C5H12 C．C5H12O2 D．C5H12O 4．有机物A常用作有机溶剂，由C、H、O三种元素组成，其质谱图如图所示。回答下列问题： (1)有机物A的相对分子质量为________。 (2)核磁共振氢谱显示有机物A中有两组峰，且峰面积比为3∶1，则该有机物A的结构简式为________，属于________(填有机物类别)，其同分异构体为________(已知碳碳双键和羟基直接相连的结构不稳定)。 (3)有关化合物A的下列说法正确的是________(填标号)。 A．有机物A分子中碳原子的杂化轨道类型只有一种 B．1 mol有机物A完全燃烧产生44.8 L CO2 C．实验室可用乙醇制备有机物A D．可通过红外光谱区分有机物A和其同分异构体 学科网（北京）股份有限公司 $$