1.2.2 有机化合物分子式和分子结构的确定-【步步高】2023-2024学年高二化学选择性必修3（人教版2019，鲁琼）

色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+敷辅专家 第2课时 有机化合物分子式和分子结构的确定 [核心素养发展目标]1学会测定有机化合物元素含量、相对分子质量的一殷方法，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。 一、确定实验式和分子式 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一CO2,H一→HO),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)元素分析方法 ①李比希法 取一定 测得前 用无水氧 量仅舍 水 后的质 化钙甲吸收 计算出碳 C,H、O 加CuO 量差 的有机 氧化 氢元素的 氧 用氢氧化钾测得前 质量分数 化合物 化碳浓溶液吸收 后的质 量差 剩余的为 氧元素的 质量分数 摩尔质量 最简比 分析思路：C、H、O的质量分数 、H、O的原子个数比 实验式。 ②元素分析仪 现在，元素定量分析使用现代化的元素分析仪，分析的精确度和分析速度都达到了很高的水 平。 「应用体验」 1.A是一种只含碳、氢、氧三种元素的有机化合物。其中碳的质量分数为441%，氢的质量 分数为8.82%，则A的实验式是 答案CH2O4 解析由于A中碳的质量分数为44.1%，气的质量分数为8.82%，故A中氧的质量分数为 1-441%-882%=47.08%,则N(C:WHD:NO)=44.1%12:8.82%1:47.08%16≈5：12： 4,则其实验式是CHzO4 2.确定分子式 (1)确定相对分子质量 ①质谱法 .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 ·独家授权侵权必究· 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 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。 b.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。如图为某有机化合物的质谱图： 100 31 CH=OH 80 60CH 20 45 CH,CH=OH 40 27 20 46 CHCH.OH 0 20 30 40 306 质荷比 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计算法 相对分子质量数值上等于摩尔质量（以gmol一1为单位时）的值。 a.标况密度法：已知标准状况下气体的密度p,摩尔质量：M=p×22.4L·mo-1。 b.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=dXM。 c.混合气体平均摩尔质量：M=m总n总。 (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。 「正误判断」 (1)脸证有机物属于烃时只需测定产物中的CO2和HO的物质的量之比() (2)有机物燃烧后只生成CO2和H2O的物质一定只含有碳、氢两种元素() (③)有机物的实验式、分子式一定不同( ) (4)某有机物的蒸气对氢气的相对密度是16，则该有机物的相对分子质量为32() (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)√ 「应用体验」 2.某有机物样品的质谱图如图所示（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() ·独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+敷辅专家 相对丰度 12141516 质荷比 A.甲醇B.甲烷C.丙烷D.乙烯 答案B 解析由有机物样品的质谱图可知，质荷比最大值为16，则该有机物的相对分子质量为16。 甲醇、甲烷、丙烷、乙烯的相对分子质量分别为32、16、44、28，则该有机物可能为甲烷。 3.某烃蒸气折合成标准状况下的密度为3.215gL-1,现取3.6g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5.4g,碱石灰增重11g。 ()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)该烃的摩尔颜量为M=3.215gL-1×22.4Lmol-1≈72gmol-1,则3.6g该烃的物 质的量为0.05mol。该烃的燃烧产物中：n(C)=n(C02)=11g44gmol一1=025mol,nD= 2n(H2O)=5.4 g18 g'mol-1x2=0.6 mol,n(n(C)n(H)=0.05 mol 0.25 mol 0.6 mol CH CH-C-CH =1:5:12,此时碳原子全部饱和，所以，该烃的分子式为CH2。(②) CH 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， CH CH-C-CH 则该有机物是新戊烷： CH。 二、确定分子结构 有机化合物中普遍存在同分异构现象，需要借助现代分析仪器确定分子结构。 1.红外光谱 ()原理：不同的化学锭或官能团对红外线的吸收颜率不同，在红外光谱图上将处于不同的位 置。 (2)作用：获得分子中所含化学键或官能团的信息。 (3)实例：下图为有机物A(分子式为CH6O)的红外光谱图。 ·独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 100 色 40 C-H -H C-o 0 300020001500 1000950850700 波数/cm 有机物A的结构简式可能为CHCH2OH或CHOCH3,由红外光谱图知A中含有CH、CO、 OH,故A的结构简式为CH CH2OH。 2.核磁共振氢谱 ()原理：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：获得有机物分子中有几种处于不同化学环境的氢原子及它们的相对数目等信息，吸 收峰数目=氢原子种类数，吸收峰面积比=氢原子数目比 (3)实例：下图为有机物A(分子式为CH,O)的核磁共振氢谱。 10 8 6 2 有机物A的核酸共振氢谱 由图可知A的分子中有3种处于不同化学环境的氢原子且个数比为3：2：1，可推知该有机 物的结构简式应为CH-CH2OH。 3.X射线衍射 ()原理：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)作用：可获得分子结构的有关数据，如键长、键角等，用于有机化合物晶体结构的测定。 「正误判断」 ()核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境的氢原子的种类和个数() (2) 一OH的核磁共振氢谱中有4个吸收峰，且峰画积比为1：2：2：1(） (③CH;COOCH3在核磁共振氢谱图中只有一个吸收峰() (4)根据红外光谱图的分祈可以初步判断有机化合物中具有哪些基团() 答案(1)×(2)√(3)×(4)√ 「深度思考」 1.某有机化合物的相对分子质量为74，其红外光谱图如下，思考并写出该分子的结构简式。 ◆独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 100 50 对称CH2 40003000200015001000500 波数/cm 提示CH3CH2OCH2CH3 2.化合物A和B的分子式都是CHB2,A的核磁共振氢谱如图所示，请写出A的结构简 式，并预测B的核磁共振氢谱上吸收峰的个数。 收 1234568 A的核磁共振氢谱 提示由A的核磁共振氢谱图只有一个峰可得只含有一种化学环境的氢原子，A的结构筒式 为BrCH2CHBr,而B的结构简式只能是CH:CHBr2,则其核磁共振氢谱上有2个吸收峰。 「应用体验」 1.有机物Y的分子式为C4HsO2,其红外光谱图如图所示，则该有机物的结构可能为() 100 50 不对称CH 0+ C-0 COC 40003000200015001000500 波数/cm 0 A.CH,COOCH2CHs B.CHCH(OH)CCH C.HCOOCH2CH3 D.(CH3)CHCOOH 答案A 解析由红外光谱图可知，该有机物中含有CO、COC、不对称CH,B、C、D均 不符合。 2.(2022江西南昌十五中月考)有机物R的核磁共振氢谱如图所示，则R的结构简式为() 收 度 ·独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 A.CH;CH2CH3 B.HOCH2CH2OH C.CH:CH(OH)CH D.HOOCCH2CH2COOH 答案C 解析根据有机物R的核磁共振氢谱图可知：该物质分子中含有3种不同化学环境的H原子， 个数比是1：1：6。A、B、D项分子中均含有2种不同化学环境的H原子：C项分子中含有 3种不同化学环境的H原子，个数比是1：1：6。 ■归纳总结 确定有机化合物结构的方法 ①C、H、O元素的质 ①M=22.4p(标准米况 量或C、H、O元素的 下) 质量比或C、H、O元 ②M=dM(d为相对密 素的质量分数 度，M为已知气体的 ②燃烧产物的物质的 相对分子质量) 量或质量 ③质谱图 实验式 相对分子质量 求1mol有机 物中含各种 有机物燃烧方 元素原子的 分子式 程式、计算 物质的量 讨论 根据化学性质 分子结构 根据间分异构体 红外光谱 枝磁共振氢谱 X射线衍射 课时对点练 对点训练 题组一确定有机物的实验式、分子式 1.某有机物在氧气中充分燃烧，生成CO2和H2O的物质的量之比为1：2，则下列说法中正 确的是(） A.分子中C、H、O原子个数之比为1：2：3 B.分子中C、H原子个数之比为1：4 C.该有机物中一定含有氧元素 D.该有机物的最简式为CHL 答案B 解析只根据生成物CO2和HO无法确定该有机物中是否含有氧元素。由题意知N(C:N ·独家授权侵权必究· 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2xXK.c0m● 您身边的互联网+教辅专家 H=1:4. 2.某有机物质量为880g:完全燃烧后得到22.0gCOz、10.8gHzO,该有机物的蒸气密度是 相同条件下H密度的44倍，则该有机物的分子式为) A.CsHO B.C3H2 C.C,H12O2 D.CH2O 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=88,880g有机物的物质的量为8.80g88gmol一1=0.1mol,22.0gCO2的物质的量为 22.0g44gmol-1=0.5mol,10.8g水的物质的量为10.8g18gmol-1=0.6mol,故1个该有 机物分子中碳原子数目为0.5mol0.1mol=5,氢原子数目为0.6mol×20.1mol=12,分子中C、 H的相对原子质量之和为12×5十1×12=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CH2O。 3.某烃中碳元素和氢元素的质量比是24：5，该烃在标准状况下的密度是2.59gL-1,其分 子式为() A.C2H6 B.C.Ho C.CsHg D.C.Hs 答案B 解析NMC:ND=2412:51=2:5,得其实验式为CH5,M=pm=2.59gL-1×224Lmol-1≈58g mol-1,(24+5)n=58,n=2,故其分子式为C4H10 4.(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 4.6gM和4.8gO2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己排尽），则该有机物M的分子式为() 燃烧产物 足量浓硫酸， 足量浓氢氧浓硫酸足量氧化铜， 其质量增加3.6g化纳溶液，其 其质量减少 质量增加4.4g 0.8g A.C.HgO B.C2HO2 C.CaHgO3 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3.6g,即生成水的质量为3.6g,其物质的 量为0.2mol:通入浓NaOH溶液中，溶液的质量增加4.4g,即生成CO2的质量为44g,其 物质的量为0.1mol:剩余气体通入浓硫酸中千燥后再与CuO反应，CuO的质量减少0.8g, ◆独家授权侵权必究· 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b2XXK.com○ 您身边的互联网+敷辅专家 7 根据化学方程式C0十Cuoco2十Cu可知，CuO的物质的量减少0.05mol,CO的物质的量 为0.05mol。4.6g该有机物中，mC=0.15mol×12gmol-1=1.8g,i=0.4mol×1gmol-1=0.4 g,则m(O)=4.6g-1.8g-0.4g=2.4g,则（○）=2.4g16gmol-1=0.15mol,因此n(C):n HD:n(O)=0.15mol:0.4mol:0.15mol=3:8:3,则有机物M的实验式为CHgO3,因为 实脸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。 题组二图谱法在确定有机化合物结构中的应用 HO H-C-C-OH 5.乙酸和甲酸甲酯互为同分异构体，其结构式分别如下：H 和 H H-C-OC-H H。在下列哪种检测仪上显示出的信号是完全相同的() A.李比希元素分析仪 B.红外光谱仪 C.核磁共振仪 D.质谱仪 答案A 解析李比希元素分析仪检测的是元素的种类，乙酸和甲酸甲酯的元素种类相同，都含有C、 H、O三种元素，A符合题意：红外光谱仪检测的是化学键和官能团的结构特征，乙酸中含 有羧基、甲酸甲酯中含有酯基，信号不完全相同，B不符合题意：核磁共振仪检测的是氢原 子的种类，乙酸中含有2种处于不同化学环境的氢原子，有2组峰且峰面积之比为3：1，甲 酸甲酯中含有2种处于不同化学环境的氢原子，有2组峰且峰面积之比为1：3，峰的位置不 完全相同，C不符合题意：质谱仪检测的是分子的相对分子质量，二者的相对分子质量相同， 但分子碎片的相对质量不完全相同，D不符合题意。 6.化学分析的手段通常有定性分析、定量分析、仪器分析等，现代化学中仪器分析是研究物 质结构的基本方法和实验手段。下列关于仪器分析的说法不正确的是() A.光谱分析：利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素 B.质谱分析：利用质荷比来测定分子的相对分子质量，CH,CH2OH与CH OCH3的质谱图完 全相同 C.红外光谱分析：获得分子中含有的化学键或官能团的信息，可用于区分CHCH2OH和 CH;OCH D,X衍射图谱分析：获得分子结构的有关信息，包括晶胞形状和大小、分子或原子在微观 空间有序排列呈现的对称类型、原子在晶胞里的数目和位置等 答案B ·独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 解析不同元素原子的吸收光谐或发射光谱不同，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素， 故A正确：CH:CH2OH与CH:OCH3的结构不同，最大质荷比相同，则质谱图不完全相同， 故B错误：红外光谱仪可以测得未知物中的化学键或官能因，CHCH2OH和CH,OCH3所含 官能团为羟基和醚键，可用红外光谱分析区别，故C正确：X射线衍射法是区分品体和非品 体的最科学的方法，能获得晶胞形状和大小、分子或原子在微观空间有序排列呈现的对称类 型、原子在晶胞里的数目和位置等，故D正确。 7.(2022云南省名校联盟高二期末)茱有机物的质谱图如图所示，该有机物的结构简式可能是 () 100 6 0 20 20 30 40 5060 708090100 质荷比 B D.CH:CH2OCH3 答案A 解析 由质谱图可知该有机物的相对分子质量为78。苯的分子式为CH6,相对分子质量为78， A项符合题意： 的分子式为CH,相对分子质量为70，B项不符合题意： 了的 分子式为CHO,相对分子质量为72，C项不符合题意：CHCH2OCH,的分子式为CHsO, 相对分子质量为60，D项不符合题意。 8.(2023长沙高二期末)下列化合物中，核磁共振氢谱只出现两组峰且峰面积之比为3：1的 是() CH A.HC C B.H.C CH 0 C C.HC-C-CH.CH D CH 答案B 解析核磁共振氢谱只出现两组峰，说明只有两种不同化学环境的氢原子，峰面积之比为3： 1,说明两种气原子的个数之比为3：1。 HC- C中含有3种不同化学环境的直 ◆独家授权侵权必究 色学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 原子（甲基上一种、苯环上两种），A错误：HC 中含有2种不同化学环境的氢原 子（甲基上的氢以及双键碳原子上的氢），且个数比为6：2=3：1，B正琦： 0 HCC CH,CH中含有3种不同化学环境的氢原子（两个甲基上的氢和一个亚甲基上的 CH, 入入 C CI 氢)，C错误： CH中含有2种不同化学环境的氧原子（甲基和亚甲基上的气），个数比 为6：4=3：2，D错误。 9.某化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其红外光谱图有CH、O一H、CO的振动吸收， 该有机物的相对分子质量是60，其核磁共振氢谱只有3组峰，则该有机物的结构简式是() A.CHCH2OCH3 B.CH:CH(OH)CH3 C.CH:CH2CH2OH D.CH:CH2CHO 答案B 解析由红外光谱图知该有机物的分子中含CH、O一H、CO,A项中无OH,D项中 无OH、CO,B、C项含有CH、OH、CO三种化学键且相对分子质量都是60，B 项核磁共振氢谱有3组峰，C项有4组峰，故B项正确。 综合强化 1013题有一个或两个选项符合题目要求。 10.(2023河南信阳高二期末)下列有关叙述正确的是() A.质谱法通常用来确定有机化合物的分子结构 B.将有机化合物燃烧进行定量分析，可以直接确定该有机化合物的分子式 c.HC >CH在核磁共振氢谱中能出现三组峰，峰面积之比为3：1：4 D.乙醚与1-丁醇能利用红外光谱法进行鉴别 答案CD 解析质谱法通常用来确定有机化合物的质荷比，即得出相对分子质量，A错误：有机化合 物燃烧进行定量分析，只能通过生成的CO2和H2O算出分子中的最简整数比，得出该有机化 合物的最简式，B错误：根据分子HC 〉CH的对称性，在核城共振直谱中能出 现三组峰，峰面积之比为3：1：4，C正确：红外光谱可以读出分子中特殊的化学键和官能 田，乙醚的分子为CH.CH.OCH.CH3.1-丁醇为CH,CH2CH2CH2OH,分子中含有不同的官能团， 故可以利用红外光谱法进行鉴别，D正确。 ·独家授权侵权必究