第1章 第2节 第2课时 有机化合物实验式、分子式和分子结构的确定（Word教参）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中化学选择性必修第三册（人教版2024）

第2课时　有机化合物实验式、分子式和分子结构的确定 [学习目标] 1.通过质谱法、红外光谱、核磁共振氢谱等测定和探析有机化合物的分子组成与结构，揭示有机化合物结构的异同。 （宏观辨识与微观探析） 2.从官能团的鉴别构建不同有机物的结构模型，推理出各类有机物的特性。（证据推理与模型认知） （见学生用书P16） 知识点1　确定实验式—— 元素分析 1.元素的定性、定量分析的目的 用化学方法测定有机化合物的元素组成，以及各元素的质量分数。 2.元素定量分析的原理 （1）将一定量的有机化合物燃烧，转化为简单的无机物，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）元素定量分析——李比希法 探究点2　确定分子式—— 质谱法 1.质谱法 （1）应用：快速、精确测定③　相对分子质量　。 （2）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④　相对质量　与⑤　电荷数　的比值，即质荷比。以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标记录测试结果，就得到有机化合物的质谱图。 （3）实例——乙醇质谱图 2.读谱：质荷比的最大值等于相对分子质量，乙醇的相对分子质量为⑥　46　。 探究点3　确定分子结构—— 谱图分析 1.红外光谱 （1）原理：不同的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：获得分子中所含⑦　化学键　或⑧　官能团　的信息。 2.核磁共振氢谱 （1）原理：处于不同化学环境中的氢原子因产生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也不同，具有不同的化学位移。 （2）作用：获得有机物分子中氢原子的种类及相对数目，吸收峰数目＝⑨　氢原子种类　，吸收峰面积比＝⑩　氢原子数目　。如分子式为C2H6O的有机物（两种可能的结构：CH3CH2OH或CH3OCH3），其核磁共振氢谱图如下，则该有机物的结构简式为⑪　CH3CH2OH　。 3.X射线衍射 （1）原理：X射线和晶体中的原子相互作用产生衍射图。 （2）作用：获得分子结构的有关数据，包括键长、键角等分子结构信息。 判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 （1）李比希元素分析法不仅可以分析试样中常见元素的含量，还可以测定试样分子的空间结构。（　×　） （2）已知某有机物燃烧生成的 CO2和H2O的量，即可判断该有机物的最简式。（　×　） （3）粒子的实际质量与其电荷之比，就是质荷比。（　×　） （4）质谱图中，相对丰度最大值所对应的质荷比就等于样品分子的相对质量。（　×　） （5）有机物，核磁共振氢谱有两组峰，且峰面积之比为3∶1。（　√　） 1.有机物在氧气中充分燃烧生成水和二氧化碳，能说明有机物中含有碳元素和氢元素。有机物中是否含有氧元素要根据具体数据，并利用质量守恒定律计算确定。 2.质荷比的最大值等于相对分子质量，即质谱图中横坐标的最大值。 3.根据有机物结构简式判断核磁共振氢谱中峰的数目时，要灵活利用“等效氢原子”的判断方法。 （见学生用书P17） 探究点　有机化合物分子式和结构简式的确定 乳酸具有调节 pH 、抑菌、延长保质期、调味、保持食品色泽等重要作用，在饮料、肉类、糕点制作、蔬菜腌制、水果贮藏等食品加工业中有着广泛的应用。某兴趣小组为了探究乳酸的组成与结构，进行如下实验： 实验步骤 解释或实验结论 （1）称取乳酸18.0 g，升温使其汽化，测得其密度是相同条件下H2的45倍 试通过计算填空： 乳酸的相对分子质量为　　　 （2）乳酸的核磁共振氢谱如图： 乳酸中含有　　　　种氢原子 （3）另取乳酸 18.0 g与足量的NaHCO3粉末反应，生成0.2 mol CO2，若与足量钠反应则生成0.2 mol H2 写出一个乳酸分子中所含官能团的名称和数量：　　　　　　　　　　　　　 （4）将此18.0 g 乳酸在足量纯O2中充分燃烧，并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰，发现两者依次增重10.8 g和26.4 g 乳酸的分子式为　　　　　　　 （5）综上所述，乳酸的结构简式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （1）称取乳酸18.0 g，升温使其汽化，测得其密度是相同条件下H2的45倍，则乳酸的相对分子质量为45×2＝90。 （2）根据核磁共振氢谱可知乳酸中含有4种氢原子。 （3）18.0 g 乳酸的物质的量是18 g÷90 g·mol－1＝0.2 mol，与足量的NaHCO3粉末反应，生成0.2 mol CO2，说明分子中含有1个羧基。若与足量钠反应，则生成0.2 mol H2，这说明分子中还含有1个羟基。 （4）将此18.0 g 乳酸在足量纯O2中充分燃烧，并使其产物依次缓缓通过浓硫酸、碱石灰，发现两者依次增重10.8 g和26.4 g，即生成水的物质的量是10.8 g÷18 g·mol－1＝0.6 mol，生成CO2的物质的量是26.4 g÷44 g·mol－1＝0.6 mol，则乳酸分子中碳、氢原子的个数分别是0.6÷0.2＝3、1.2÷0.2＝6，所以氧原子的个数是＝3，则乳酸的分子式为C3H6O3。 （5）综上所述，乳酸的结构简式为CH3CHOHCOOH。 1.有机化合物分子式的确定方法 （1）单位物质的量法 根据有机物的摩尔质量（或相对分子质量）和有机物中各元素的质量分数，推算出1 mol有机物中各元素原子的物质的量，从而确定分子中各原子的个数，最后确定有机物的分子式。 （2）最简式法 根据有机物中各元素的质量分数求出分子组成中各元素的原子个数之比（最简式），分子式为最简式的整数倍，利用物质的相对分子质量可确定其分子式。 N（C）∶N（H）∶N（O）＝∶∶＝a∶b∶c（最简整数比），最简式为CaHbOc，则分子式为（CaHbOc）n，得n＝（Mr为有机物的相对分子质量）。 （3）化学方程式法 利用有机反应中反应物、生成物之间“量”的关系求分子式的方法。在有机化学中，常利用有机物燃烧等化学方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式： CxHy＋O2xCO2＋H2O CxHyOz＋O2xCO2＋H2O （4）商余法 用烃的相对分子质量除以14，看商数和余数。 ＝＝A…… 其中商A为烃中的碳原子数，此法适用于具有特定通式的烃（如烷烃、烯烃、炔烃、苯和苯的同系物等）。 2.确定结构式的方法 （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，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 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，则可说明该醇分子中含2个—OH。 （4）可用红外光谱、核磁共振氢谱确定有机化合物中的官能团和各类氢原子数目，确定结构式。 【例题】 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的核磁共振氢谱有 4 组峰且面积之比为 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、核磁共振氢谱与红外光谱如图。关于X的下列叙述正确的是（　　） A.化合物X的相对分子质量为106 B.化合物X分子中含有官能团的名称为酯基 C.符合题中X分子结构特征的有机物只有1种 D.X分子中所有的原子在同一个平面上 思维导引：解答本题思维流程如下： （1）首先根据质谱图确定相对分子质量； （2）然后结合燃烧数据确定分子式； （3）最后分析核磁共振氢谱与红外光谱图以确定物质的分子结构。 答案　B 解析　根据质谱图可知，X的相对分子质量为136，A项错误；6.8 g X的物质的量为0.05 mol，完全燃烧生成0.2 mol H2O和0.4 mol CO2，则该物质分子式为C8H8O2，结合核磁共振氢谱与红外光谱分析，X物质为苯甲酸甲酯，B项正确，C项错误；甲基上最多有1个氢原子处于苯环所确定的平面，D项错误。 【变式】有机化合物A的谱图如图，根据谱图可推测其结构简式为（　　） A.CH3OCH3 B.CH3CH2OH C.CH3CH2CHO D.HCOOH 答案　B 解析　由核磁共振氢谱图可知该有机物分子中有3种不同化学环境的氢原子，符合该条件的有B、C两项；由质谱图和红外光谱图可知该有机物的相对分子质量为46，且分子中含有—OH，应为CH3CH2OH。 （见学生用书P19） 1.（确定有机化合物的分子式）实验室对某有机物有如下实验记录：①在氧气中完全燃烧，只生成CO2、H2O；②1 mol该有机物完全燃烧需消耗氧气112 L（标准状况下），其分子式可能为（　　） A.C2H6O B.C4H8O C.C4H8O2 D.C5H10O3 答案　C 解析　假设该有机物的分子式为C xHyOz，完全燃烧的方程式及关系为 CxHyOz＋（2x＋－z）O2→xCO2＋H2O 　1　　　（2x＋－z） 1 mol　　＝5 mol 可知需满足（2x＋－z）＝5，依次代入计算，C项符合题意。 2.（质谱法）设H＋的质荷比为β，某有机物样品的质荷比如图所示（假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子的多少有关），则该有机物可能是（　　） A.甲醇 B.甲烷 C.丙烷 D.乙烯 答案　B 解析　从题图中可看出其右边最高峰质荷比是H＋质荷比的16倍，即其相对分子质量为16，为甲烷。 3.（确定有机化合物的结构式）有机物X完全燃烧的产物只有二氧化碳和水，分析元素组成发现，该物质中碳元素的质量分数为60.00％，氢元素的质量分数为13.33％，它的核磁共振氢谱有4组明显的吸收峰。下列关于有机物X的说法不正确的是（　　） A.含有C、H、O三种元素 B.相对分子质量为60 C.分子组成为C3H8O D.结构简式为CH3CHOHCH3 答案　D 解析　有机物X完全燃烧的产物只有二氧化碳和水，分析元素组成发现，该物质中碳元素的质量分数为60.00％，氢元素的质量分数为13.33％，因此还含有氧元素，其质量分数是100％－60.00％－13.33％＝26.67％，所以C、H、O三种原子的个数之比是∶∶≈3∶8∶1，即该有机物的最简式为C3H8O，由于3个碳原子最多结合8个氢原子，所以该有机物的分子式是C3H8O，相对分子质量为60。它的核磁共振氢谱有4组明显的吸收峰，则含有羟基，所以其结构简式为CH3CH2CH2OH。 4.（红外光谱、核磁共振氢谱）分子式为C2H4O2的有机物，其分子结构可能有和两种，用物理方法对其结构进行鉴定，可用红外光谱法或核磁共振氢谱法。 （1）若其结构为，则红外光谱中应有　　　　种振动吸收；核磁共振氢谱中应有　　　　组峰。 （2）若其结构为，则红外光谱中应有　　　　种振动吸收；核磁共振氢谱中应有　　　　组峰。 解析　（1）红外光谱中有C—H键、CO键、C—O键、O—H键4种振动吸收；核磁共振氢谱中有—CH3、—OH两类氢原子，核磁共振氢谱中有2组峰。（2）红外光谱中有C—H键、CO键、C—O键3种振动吸收；核磁共振氢谱中有2组峰。 答案　（1）4　2　（2）3　2 5.（综合应用）（1）实验测得某碳氢化合物A中，含碳80％，含氢20％，该化合物的实验式为　　　　。又测得该化合物的相对分子质量是30，该化合物的分子式为　　　　。 （2）燃烧某有机物B 1.50 g，生成1.12 L（标准状况）CO2和0.05 mol H2O。该有机物的蒸气对空气的相对密度是1.04，该有机物的分子式为　　　　。（已知：相对密度D＝＝，空气的相对分子质量约为29） 解析　（1）n（C）∶n（H）＝∶＝1∶3，化合物A的实验式是CH3。设化合物A分子中含有n个CH3，则n＝＝＝2，即化合物A的分子式是C2H6。 （2）有机物B的相对分子质量是1.04×29≈30，有机物B的物质的量为＝0.05 mol， 有机物B分子中含有C：＝1， H：＝2， O：＝1， 即该有机物的分子式为CH2O。 答案　（1）CH3　C2H6　（2）CH2O 学科网（北京）股份有限公司 $$