3.2.1 有机化合物分子式的确定-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修3（鲁科版2019，鲁琼）

第2节　有机化合物结构的测定 第1课时　有机化合物分子式的确定 [核心素养发展目标]　1.学会测定有机物元素含量、相对分子质量的一般方法，建立确定有机物分子式的思维模型。2.能通过燃烧分析法、质谱法等微观探析有机物分子的元素组成、相对分子质量及元素的质量分数。3.学会蒸馏法、萃取法、重结晶法的实验原理，根据有机物性质的差异选择有机化合物分离、提纯的正确方法。 一、有机化合物分离、提纯的常用方法 从自然界提取或通过人工合成的有机化合物通常含有杂质，需要通过分离、提纯后才能进行结构测定，常见的分离、提纯有机化合物的方法有蒸馏、重结晶和萃取等。 1．蒸馏 (1)原理：利用沸点差异分离液体混合物。 (2)适用条件：①液态有机物中含有少量杂质；②有机物热稳定性较强；③有机物与杂质的沸点相差较大(一般大于30 ℃)。 (3)蒸馏装置及注意事项 ①实验装置：在横线上写出相应仪器的名称。 ②注意事项：蒸馏烧瓶底部加垫石棉网；溶液体积约为蒸馏烧瓶体积的～；投放沸石或碎瓷片防暴沸；温度计水银球处于蒸馏烧瓶支管口处；冷凝水下口进上口出。 2．重结晶 3．萃取 (1)萃取的基本原理 (2)分液：将萃取后的两层液体分开的操作。 ①主要仪器： ②操作步骤： 液-液萃取：检漏―→装液―→振荡―→静置―→分液。 ③注意事项： a．分液时，将漏斗上口的玻璃塞打开或使塞上的凹槽对准漏斗口上的小孔。 b．分液时，漏斗下端管口尖嘴部分紧靠烧杯内壁。 c．分液时，下层液体从下口放出，上层液体从上口倒出。 (1)利用蒸馏法分离液态有机物时，温度计可以插入液面以下(　　) (2)在蒸馏实验中，发现忘记加沸石，应立即停止实验，马上加入(　　) (3)重结晶要求杂质的溶解度比被提纯的物质小才能进行分离(　　) (4)常用重结晶法提纯苯甲酸(　　) (5)能用分液的方法分离植物油和水的混合物(　　) (6)Br2、I2在水中的溶解度较小，但易溶于有机溶剂，故可用酒精萃取溴水中的Br2或碘水中的I2(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)√　(6)× 1．关于物质的分离、提纯实验中结晶的一些操作，说法正确的是(　　) A．提取NaCl和KNO3晶体常采用不同的结晶方式是因为它们的溶解度不同 B．在苯甲酸重结晶实验中，滤液放置冷却可以结晶出纯净的苯甲酸晶体 C．在苯甲酸重结晶实验中，粗苯甲酸加热溶解后，还要加少量NaOH溶液 D．在苯甲酸重结晶实验中，待粗苯甲酸完全溶解后，要趁热过滤 答案　BD 解析　NaCl和KNO3晶体提取方法不同是因为它们的溶解度受温度影响不同，A错误；在苯甲酸的重结晶实验中，滤液中还含有少量的杂质，放置冷却可以结晶出纯净的苯甲酸晶体，但温度不宜过低，防止杂质析出，B正确；苯甲酸能溶于水，水在加热过程中会蒸发，为防止苯甲酸过饱和提前析出而损失，在加热溶解后还要加少量蒸馏水，而不是氢氧化钠溶液，C错误；苯甲酸的溶解度不大，应趁热过滤防止苯甲酸损失，D正确。 2．选择下列实验方法分离、提纯物质，将分离、提纯方法的字母填在横线上。 A．萃取　B．重结晶　C．分液　D．蒸馏　E．过滤　F．洗气 (1)分离水和汽油的混合物： ________。 (2)分离四氯化碳 (沸点为76.75 ℃)和甲苯(沸点为110.6 ℃)的混合物：________。 (3)提取碘水中的碘：________。 (4)除去混在乙烷中的乙烯：________。 (5)从硝酸钾和氯化钠的混合物中获得硝酸钾：________。 答案　(1)C　(2)D　(3)A　(4)F　 (5)B 解析　(1)水与汽油分层。(2)四氯化碳和甲苯互溶，但沸点差异较大。(3)碘易溶于有机溶剂。(4)乙烯能与溴水中的Br2反应，而乙烷不能。(5)硝酸钾和氯化钠的溶解度随温度的变化不同。 分离、提纯方法的选择 (1)过滤：不溶性的固体和液体。 (2)蒸馏：沸点相差较大的互溶液体。 (3)分液：互不相溶的液体。 (4)重结晶：溶解度受温度影响较大的固体混合物。 (5)蒸发：提纯溶解度随温度变化较小的溶质。 (6)萃取：利用溶解性差异提取溶液中的溶质。 二、有机化合物分子式的确定 1．有机化合物分子式的测定方法 (1)确定有机化合物分子式的关键 首先要知道该物质的组成元素、各元素的质量分数，必要时还要测定其相对分子质量。 (2)确定有机化合物的元素组成 ①碳、氢元素质量分数的测定——燃烧分析法 ②氮元素质量分数的测定 ③卤素质量分数的测定 ④氧元素质量分数的计算 2．有机物相对分子质量的测定 (1)通过实验，根据有关数据求算相对分子质量。 (2)有机物的相对分子质量一般用质谱仪进行测定。 质谱法：质谱图中质荷比最大的峰的数值就是该有机物的相对分子质量。 如某含碳、氢、氧三种元素的有机物X的质谱图如图所示，该有机物的相对分子质量为74。 3．有机化合物分子式的确定 有机化合物的分子式＝(实验式)n，n＝。 4．确定有机化合物分子式的一般途径 (1)验证有机物属于烃时只需测定产物中的CO2和H2O的物质的量之比(　　) (2)有机物燃烧后只生成CO2和H2O的物质不一定只含有碳、氢两种元素(　　) (3)有机物的实验式、分子式一定不同(　　) (4)元素分析法和质谱法能分别确定有机物的实验式和相对分子质量(　　) (5)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(　　) 答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√ 1．某烃蒸气折合成标准状况下的密度为3.215 g·L－1，现取3.6 g该烃完全燃烧，将全部产物依次通入足量的浓硫酸和碱石灰，浓硫酸增重5.4 g，碱石灰增重11 g。 (1)求该烃的分子式，写出计算过程。 (2)已知该烃的一氯代物只有一种，写出其结构简式。 答案　(1)该烃的摩尔质量为M＝3.215 g·L－1×22.4 L·mol－1≈72 g·mol－1，则3.6 g该烃的物质的量为0.05 mol。该烃的燃烧产物中：n(C)＝n(CO2)＝＝0.25 mol，n(H)＝2n(H2O)＝×2＝0.6 mol，n(烃)∶n(C)∶n(H)＝0.05 mol∶0.25 mol∶0.6 mol＝1∶5∶12，此时碳原子全部饱和，所以，该烃的分子式为C5H12。　(2) 解析　(2)其一氯代物只有一种，说明其结构高度对称，分子中只有一种化学环境的氢原子，则该有机物是新戊烷：。 2．某化合物6.4 g在氧气中完全燃烧，只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O。 (1)该有机物的实验式为___________________________________________________。 (2)若该有机物的蒸气与空气的相对密度为1.10，则该有机物的分子式为________________________________________________________________________。 答案　(1)CH4O　(2)CH4O 解析　(1)n(CO2)＝＝0.2 mol，m(C)＝0.2 mol×12 g·mol－1＝2.4 g，n(H2O)＝＝0.4 mol，m(H)＝0.4 mol×2×1 g·mol－1＝0.8 g，m(C)＋m(H)＝2.4 g＋0.8 g＝3.2 g＜6.4 g，所以该化合物中含氧元素，n(O)＝＝0.2 mol，所以n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.2∶0.8∶0.2＝1∶4∶1，则实验式为CH4O。 (2)该有机物的相对分子质量为1.10×29≈32，由于实验式的式量也为32，因而其分子式为CH4O。 题组一　分离、提纯有机化合物的常用方法 1．我国明代《本草纲目》中收载药物1 892种，其中“烧酒”条目下写道：“自元时始创其法，用浓酒和糟入甑，蒸令气上……其清如水，味极浓烈，盖酒露也。”这里所用的“法”是指(　　) A．萃取 B．渗析 C．蒸馏 D．过滤 答案　C 解析　这里所用的“法”是指我国古代制烧酒的方法——蒸馏，加热使酒精汽化再冷凝收集得到烧酒，C正确。 2．(2023·上海浦东高二期末)可以用分液漏斗分离的一组混合物是(　　) A．乙醇和水 B．乙酸乙酯和乙酸 C．溴乙烷和水 D．乙醛和乙酸 答案　C 解析　乙醇和水互溶，乙酸乙酯和乙酸互溶，乙醛和乙酸互溶，均不分层，故A、B、D不符合题意；溴乙烷和水互不相溶，分层，故C符合题意。 3．(2023·江苏盐城高二期末)下列有关除杂(括号中为杂质)的操作正确的是(　　) A．苯(乙烯)：加入足量的溴水，过滤 B．溴乙烷(乙醇)：多次加水振荡，分液，弃水层 C．乙醇(乙酸)：加入足量饱和碳酸钠溶液充分振荡，分液，弃水层 D．乙酸乙酯(乙酸)：加入适量乙醇、浓硫酸，加热，蒸馏，收集馏出物 答案　B 解析　加入溴水，乙烯与溴水反应生成CH2BrCH2Br，但CH2BrCH2Br能溶于苯，所以不能通过过滤除去，A项错误；溴乙烷不溶于水，乙醇易溶于水，所以多次加水振荡，分液，可以除去乙醇，B项正确；乙醇易溶于水，最后液体不分层，不能通过分液除去，C项错误。 4．按以下实验方案可从海洋动物柄海鞘中提取具有抗肿瘤活性的天然产物，下列说法错误的是(　　) A．步骤(1)需要过滤装置 B．步骤(2)需要用到分液漏斗 C．步骤(3)需要用到坩埚 D．步骤(4)需要蒸馏装置 答案　C 解析　步骤(1)是分离固液混合物，其操作为过滤，需要过滤装置，故A正确；步骤(2)是分离互不相溶的液体混合物，需进行分液，要用到分液漏斗，故B正确；步骤(3)是从溶液中得到固体，操作为蒸发，需要用到蒸发皿，而不用坩埚，故C错误；步骤(4)是利用混合液中各组分的沸点不同，采取蒸馏操作，从有机层溶液中得到甲苯，需要用到蒸馏装置，故D正确。 5．正丁醛经催化加氢可制备正丁醇。为提纯含少量正丁醛杂质的正丁醇，现设计如下路线： 已知：①正丁醛与饱和NaHSO3溶液反应可生成沉淀；②乙醚的沸点是34.5 ℃，微溶于水，与正丁醇互溶；③正丁醇的沸点是118 ℃。则操作1～4分别是(　　) A．萃取、过滤、蒸馏、蒸馏 B．过滤、分液、蒸馏、萃取 C．过滤、蒸馏、过滤、蒸馏 D．过滤、分液、过滤、蒸馏 答案　D 解析　正丁醛与饱和NaHSO3溶液反应生成沉淀，且经操作1可得到滤液，故操作1为过滤；操作2是分液；加固体干燥剂后，要把干燥剂分离出来，故操作3为过滤；由乙醚与正丁醇的沸点相差较大可知，操作4为蒸馏。 题组二　有机化合物分子式的确定 6．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 答案　D 解析　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该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 H2O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。 7．(2023·北京一七一中高二期中)链状有机物M分子中不含甲基，11.6 g M完全燃烧可产生0.6 mol CO2和0.6 mol H2O，M的蒸气与氢气的相对密度为29。下列关于M的说法不正确的是(　　) A．M的实验式为CH2O B．分子中最多有8个原子共平面 C．可以发生取代、加成、加聚、氧化、还原反应 D．M的水溶性比烷烃好但比乙醇差 答案　A 解析　M的蒸气与氢气的相对密度为29，其相对分子质量为58，n(M)＝＝0.2 mol，n(C)＝n(CO2)＝0.6 mol，n(H)＝2n(H2O)＝2×0.6 mol＝1.2 mol，m(C)＋m(H)＝0.6 mol×12 g· mol－1＋1.2 mol×1 g·mol－1＝8.4 g＜11.6 g，所以M中还含有O元素，n(O)＝ ＝0.2 mol，所以M与C、H、O原子个数之比为0.2 mol∶0.6 mol∶1.2 mol∶0.2 mol＝1∶3∶6∶1，其实验式为C3H6O，设其分子式为(C3H6O)n，n＝ ＝1，所以其分子式为C3H6O。M的实验式为C3H6O，故A错误；链状有机物M分子中不含甲基，M为烯丙醇，除与羟基相连的碳上的2个H外，分子中最多有8个原子共平面，故B正确；分子中含有碳碳双键、羟基，可以发生取代、加成、加聚、氧化、还原反应，故C正确。 8．(2022·黑龙江大庆实验中学高二月考)为了测定有机物M的分子式，进行了如下实验。取4.6 g M和4.8 g O2于一密闭容器中燃烧，产物为CO2、CO和水蒸气，测得的有关实验数据如下(实验前装置内的空气已排尽)，则该有机物M的分子式为(　　) A．C4H8O B．C2H4O2 C．C3H8O3 D．CH2O 答案　C 解析　燃烧产物通入浓硫酸中，浓硫酸的质量增加3.6 g，即生成水的质量为3.6 g，其物质的量为0.2 mol；通入浓NaOH溶液中，溶液的质量增加4.4 g，即生成CO2的质量为4.4 g，其物质的量为0.1 mol；剩余气体通入浓硫酸中干燥后再与CuO反应，CuO的质量减少0.8 g，根据化学方程式CO＋CuOCO2＋Cu可知，CuO的物质的量减少0.05 mol，CO的物质的量为0.05 mol。4.6 g该有机物中，m(C)＝0.15 mol×12 g·mol－1＝1.8 g，m(H)＝0.4 mol×1 g· mol－1＝0.4 g，则m(O)＝4.6 g－1.8 g－0.4 g＝2.4 g，则n(O)＝＝0.15 mol，因此n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.15 mol∶0.4 mol∶0.15 mol＝3∶8∶3，则有机物M的实验式为C3H8O3，因为实验式中的碳原子已经达到饱和，所以该实验式即为M的分子式，C项正确。 9．在20 ℃时将某气态烃与O2的混合气体装入密闭容器中，点燃爆炸后恢复至20 ℃，此时容器内压强为反应前压强的一半，经NaOH溶液吸收后，容器内几乎为真空，此烃的分子式为(　　) A．CH4 B．C2H6 C．C3H8 D．C7H16 答案　C 解析　烃完全燃烧的通式为CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O(l)，由题意得1＋x＋＝2x，即x＝1＋，因x、y均为正整数且y≤2x＋2，故有x＝2，y＝4；x＝3，y＝8。所以符合条件的选项只有C。 10~11题有一个或两个选项符合题目要求。 10．某气态化合物X只含C、H、O三种元素，现已知下列条件：①X中C的质量分数；②X中H的质量分数；③X在标准状况下的体积；④X对氢气的相对密度；⑤X的质量。欲确定化合物X的分子式，所需的最少条件是(　　) A．①②④ B．②③④ C．①③⑤ D．①② 答案　A 解析　确定X的分子式应知道X的相对分子质量，条件④可以求出X的相对分子质量；确定X分子中C、H、O的原子个数时，至少应已知X中两种元素的质量分数，①和②能满足要求。所以最少的条件为①②④。 11．已知青蒿素是烃的含氧衍生物，为无色针状晶体，易溶于有机溶剂如丙酮、氯仿，可溶于乙醇、乙醚等，在水中几乎不溶，熔点为156～157 ℃，热稳定性差。乙醚的沸点为35 ℃。如图是从黄花青蒿中提取青蒿素的工艺流程，下列有关实验操作的说法正确的是(　　) A．研碎时应该将黄花青蒿置于研钵中 B．操作Ⅰ是萃取，所用的玻璃仪器有烧杯、分液漏斗 C．操作Ⅱ是蒸馏，所用的玻璃仪器主要有蒸馏烧瓶、酒精灯、冷凝管、温度计、锥形瓶等 D．操作Ⅲ是用酒精灯加热，然后加水溶解、过滤 答案　AC 解析　研碎时应该将黄花青蒿置于研钵中，A正确；操作Ⅰ是将固体和液体分离的操作，是过滤，B错误；操作Ⅱ是将提取液中的乙醚分离出去的操作，是蒸馏，蒸馏用到的玻璃仪器主要有蒸馏烧瓶、酒精灯、冷凝管、温度计、锥形瓶等，C正确；酒精灯加热温度较高，青蒿素热稳定性差，由粗品得精品时不能用酒精灯加热，且青蒿素在水中几乎不溶，D错误。 12．化学上常用燃烧法确定有机化合物的组成。这种方法是在电炉加热时用纯氧氧化管内样品，根据产物质量确定有机化合物的组成。选用如图所示装置用燃烧法确定有机化合物的化学式。 回答下列问题： (1)若产生的氧气的流向按从左到右，所选择装置中各导管的连接顺序是______________(装置可重复利用)。 (2)在该实验中，多次用到A装置，A装置的作用分别为________________________ _________________________________________________________________________。 (3)D装置中MnO2的作用为_________________________________________________。 (4)E装置中CuO的作用为__________________________________________________。 (5)若准确称取9.0 g样品(只含有C、H、O三种元素中的两种或三种)经充分燃烧后，需要称重的A管质量增加13.2 g，B管质量增加5.4 g，则该有机化合物的实验式为______________。 (6)要确定该有机化合物的分子式，还要知道该有机化合物的___________________________。 答案　(1)gab(ba或fe)hicd(dc)ab(ba)ab(ba) (2)第1个A装置，干燥O2，吸收CO2；第2个A装置，吸收E中产生的CO2；第3个A装置，防止空气中的H2O、CO2被前一个A装置吸收(其他合理答案也可) (3)H2O2分解的催化剂 (4)使未完全燃烧的有机物、CO转化为CO2、H2O (5)CH2O (6)相对分子质量 解析　(5)A管质量增加13.2 g，说明生成了13.2 g二氧化碳，可得碳元素的质量为13.2 g×＝3.6 g，B管质量增加5.4 g，说明生成了5.4 g水，可得氢元素的质量为5.4 g×＝0.6 g，从而可推出该有机物含氧元素的质量为9.0 g－3.6 g－0.6 g＝4.8 g，设最简式为CxHyOz，则x∶y∶z＝∶∶＝1∶2∶1，即最简式为CH2O。 13．某液态卤代烃RX(R是烷基，X是某种卤素原子)的密度是a g·cm－3。该RX可以跟稀碱发生水解反应生成ROH(能跟水互溶)和HX。为了测定RX的分子量，拟定的实验步骤如下：①准确量取该卤代烃b mL，放入锥形瓶中；②在锥形瓶中加入过量稀NaOH溶液，塞上带有长玻璃管的塞子，加热，发生反应；③反应完成后，冷却溶液，加稀HNO3酸化，滴加过量AgNO3溶液得到白色沉淀；④过滤、洗涤、干燥后称重，得到固体c g。 回答下列问题： (1)装置中长玻璃管的作用是__________________________________________________。 (2)步骤④中，洗涤的目的是为了除去沉淀上吸附的__________________(用离子表示)。 (3)该卤代烃中所含卤素的名称是____________，判断的依据是______________________ (4)该卤代烃的相对分子质量是__________________________________________(列出算式)。 (5)如果在步骤③中，加HNO3的量不足，没有将溶液酸化，则步骤④中测得的c值______(填字母)。 A．偏大 B．偏小 C．不变 D．无法确定 答案　(1)防止卤代烃挥发(或冷凝回流) (2)Ag＋、Na＋和NO　(3)氯　得到白色卤化银沉淀　(4)　(5)A 解析　本实验的反应原理是RX＋NaOHR—OH＋NaX，NaX＋AgNO3===NaNO3＋AgX↓。 (1)因R—X的熔、沸点较低，加热时易挥发，所以装置中的长玻璃管的作用是防止卤代烃挥发或冷凝回流。(2)R—OH虽然能与水互溶，但难以电离，所以沉淀AgX上吸附的离子只能是Na＋、NO和过量的Ag＋。 (4)R—Cl　　　　～　　　　AgCl M　　　　　 　　　 143.5 a g·cm－3×b mL　　　 　　 c g 则M＝。 (5)如果加入HNO3的量不足，未将溶液酸化，则沉淀中还会夹杂由AgOH转化成的Ag2O沉淀，故测得的c值将偏大。 14．3,5-二甲氧基苯酚是重要的有机合成中间体，可用于天然物质白柠檬素的合成，一种以间苯三酚为原料的合成反应如下： ＋2CH3OH＋2H2O 甲醇、乙醚和3,5-二甲氧基苯酚的部分物理性质见下表： 物质 沸点/℃ 熔点/℃ 密度(20 ℃) /(g·cm－3) 溶解性 甲醇 64.7 — 0.791 5 易溶于水 乙醚 34.5 — 0.713 8 微溶于水 3,5-二甲氧基苯酚 — 33～36 — 易溶于甲醇、乙醚，微溶于水 (1)反应结束后，先分离出甲醇，再加入乙醚进行萃取。 ①分离出甲醇的操作是__________。 ②萃取用到的分液漏斗使用前需__________并洗净，分液时有机层在分液漏斗的________(填“上”或“下”)层。 (2)分离得到的有机层依次用饱和NaHCO3溶液、饱和食盐水、少量蒸馏水进行洗涤。用饱和NaHCO3溶液洗涤的目的是______________，用饱和食盐水洗涤的目的是______________。 (3)洗涤完成后，通过以下操作分离、提纯产物，正确的操作顺序是__________(填字母)。 a．蒸馏除去乙醚 b．重结晶 c．过滤除去干燥剂 d．加入无水CaCl2干燥 答案　(1)①蒸馏　②检查是否漏液　上　(2)除去HCl　除去少量NaHCO3且减少产物损失 (3)dcab 解析　(1)①可用蒸馏的方法分离出甲醇。②分液漏斗使用前需要检查是否漏液；由表可知有机层的密度小于水，在分液漏斗上层。(2)NaHCO3可以与HCl反应，用饱和NaHCO3溶液洗涤可以除去HCl；用饱和食盐水洗涤可以除去少量NaHCO3且减少产物损失。(3)分离、提纯产物时，首先要加入无水CaCl2干燥，然后过滤除去干燥剂，再蒸馏除去乙醚，最后重结晶。 学科网（北京）股份有限公司 $$