内容正文:
微项目 模拟和表征有机化合物分子结构
——基于模型和图谱的探索
优化探究
第1章 有机化合物的结构与性质 烃
[学习目标] 1.通过模型搭建、图谱表征活动深入体会有机化合物的分子结构特征。2.知道红外光谱、核磁共振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,能结合简单图谱信息分析、判断有机化合物的分子结构。3.形成多角度认识有机化合物分子结构的思路和方法,进一步体会“结构决定性质,性质反映结构”的学科思想。
项目活动1 利用模型模拟有机化合物的分子结构
项目活动2 利用图谱表征有机化合物的分子结构
阶段重点突破练(一) (教参独具)
项目活动1 利用模型模拟有机化合物的分子结构
1.观察下列由C、H、O三种元素组成的有机化合物的分子结构模型,完成表格。
分子结构模型 结构式 分子式及名称 有机物类别
CH4,甲烷
C2H4O2,乙酸
烷烃
羧酸
分子结构模型 结构式 分子式及名称 有机物类别
C3H6,丙烯
C4H10,丁烷
烯烃
烷烃
分子结构模型 结构式 分子式及名称 有机物类别
C2H6O,
醇
C6H6,苯
乙醇
芳香烃
2.用球棍模型表示甲烷中氢原子被卤素原子取代的产物
上述结构中,其中是正四面体结构的是 (填序号,下同),是非正四面体结构的是 。
①
②③④
3.由分子式推断分子结构模型
根据某有机化合物的分子式C4H10O,可以搭建出如图所示的分子结构模型:
以上同分异构体中,属于碳骨架异构的是___________________________
(填序号,任意举1~2例,合理即可,下同),属于官能团位置异构的是
,属于官能团类型异构的是 ,存在对映异构的是 。
②④(或①③或⑤⑦或①④等)
①②(或③④或⑤⑥)
①⑤(或②⑥或④⑦等)
②
4.有机化合物分子中原子或原子团的 、 和
决定了有机化合物的分子结构,这些结构要素的多样性使得有机化合物普遍存在 。
连接顺序
成键方式
空间排布方式
同分异构现象
D
C
B
4.布洛芬(Ibuprofen,空间填充模型如图所示)为解热镇痛类非甾体抗炎
药。下列叙述不正确的是( )
A.组成元素电负性由大到小:O>C>H
B.分子结构中一定存在含氧官能团
C.3种组成元素的价电子轨道均为哑铃形
D.分子中存在极性键和非极性键
C
解析:电负性:O—3.5、C—2.5、H—2.1,故A正确;分子结构中羧基为含氧官能团,故B正确;H的价电子排布式为1s1,1s轨道为球形,故C错误;分子中的C—C键为非极性键,C—H键、O—H键、C—O键均为极性键,故D正确。
项目活动2 利用图谱表征有机化合物的分子结构
1.红外光谱
原理:不同的化学键或官能团对红外线的吸收频率不同,在红外光谱图中处于不同的位置。
作用:初步判断有机物中含有何种化学键或 。
例如,下图是一种分子式为C4H10O的有机化合物X的红外光谱图,由此确定X分子中含有的基团是 、 、C—O—C。
官能团
—CH3
—CH2—
2.核磁共振氢谱
(1)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 成正比。
(2)作用:获得有机物分子中氢原子的类型和数目,吸收峰数目=
,吸收峰面积比= 。
氢原子数
氢原子种类数
氢原子数目比
例如,分析有机物X(C4H10O)的分子结构。观察X的红外光谱图,知其分子中含有—OH及其他基团和化学键。
再观察X的核磁共振氢谱图,
3.质谱
(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)作用:获得有机物的 。
相对分子质量
(3)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:
从图中可知,该有机物的相对分子质量为 ,即 的数据就是样品分子的相对分子质量。
46
质荷比最大
4.紫外和可见光谱:判断有机化合物分子结构中共轭程度的大小。
5.X射线衍射谱:可以确定原子间的距离和分子的三维结构,从而确定有机化合物分子的 ,区分有机化合物的 异构体,进一步研究有机化合物的性质等。
空间结构
对映
1.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
答案:B
解析: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,但碎片原子或原子团或离子不同,则质谱图不完全相同,D错误。
2.谱图是研究物质结构的重要手段之一,下列对各谱图的解析正确的是
( )
A.可能是原子核外电子从基态跃迁至激发态时的光谱图 B.可能是CH3CHO的质谱图
C.可能是CH3OCH3的红外光谱图 D.可能是CH3COOCH3的核磁共振氢谱图
答案:A
解析:原子核外电子从基态跃迁至激发态时吸收能量,光谱图显示吸收的暗线,故A正确;质谱图中最大质荷比为相对分子质量,CH3CHO的相对分子质量为44,但质谱图显示最大质荷比为60,故B错误;红外光谱图显示化学键和官能团,红外光谱图显示有O—H键,而CH3—O—CH3没有O—H键,故C错误;核磁共振氢谱显示等效氢原子,有几个峰就有几种等效氢原子,
CH3COOCH3有两种等效氢原子,而图中显示只有一个峰,故D错误。
3.将6.8 g X完全燃烧,生成3.6 g H2O和8.96 L(标准状况)CO2。X分子中只含一个苯环且苯环上只有一个取代基,其质谱图与红外光谱图如图所示。下列关于X的叙述不正确的是( )
A.X的相对分子质量为136
B.X分子中含有的官能团名称为酯基
C.符合题中X分子结构特征的有机化合物有2种
D.X分子中所有的原子在同一平面上
答案:D
阶段重点突破练(一) (教参独具)
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1.已知异丁烷的键线式为 ,有机物X的键线式为 ,有机物Y与等物质的量的H2发生加成反应可得到有机物X。下列有关说法错误的是(不考虑立体异构)( )
A.有机物X的一氯代物只有4种
B.有机物X的名称为2,2,3-三甲基戊烷
C.有机物X的分子式为C8H18
D.Y的结构可能有3种,其中一种的名称为3,4,4-三甲基-2-戊烯
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解析:根据系统命名法,该有机物的名称为3-甲基己烷,A错误;根据系统命名法,选取含有碳碳双键的最长碳链为主链,则该有机物的名称为3-甲基-2-戊烯,B正确;根据系统命名法,选取含有碳碳三键的最长碳链为主链,使官能团的位次最低,则该有机物的名称为4-甲基-2-戊炔,C错误;命名时,使取代基的位次和最小,则该有机物的名称为1,2-二甲基-3-乙基苯,D错误。
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3.a、b、c三种有机物的分子式均为C5H6,结构如图,
下列有关叙述正确的是( )
A.符合分子式C5H6的同分异构体只有a、b、c三种
B.a、b、c的一氯代物都只有三种
C.a、b、c都能使溴的CCl4溶液褪色,且褪色原理相同
D.a、b、c分子中的5个碳原子一定都处于同一个平面
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解析:符合分子式C5H6的同分异构体除a、b、c外还有其他的,如丙烯基乙炔等,A错误;a、b、c分子中不同化学环境的氢原子分别有3、4、4种,一氯代物分别有3、4、4种,B错误;a、b、c分子中都有碳碳双键,都能与溴发生加成反应,都能使溴的CCl4溶液褪色,C正确;由乙烯的6个原子共平面可知a和b分子中的5个碳原子一定都处于同一个平面,由甲烷的正四面体结构可知c分子中的5个碳原子一定不处于同一个平面,D错误。
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4.下列说法不正确的是( )
A.CH4和异丁烷互为同系物
B.14C与14N互为同位素
C.金刚石和石墨互为同素异形体
D. 和 两种烃互为同分异构体
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解析:CH4和异丁烷均属于链状烷烃,结构相似,二者互为同系物,A正确;14C与14N的质子数不同,不能互为同位素,B错误;金刚石和石墨均是碳元素形成的不同单质,互为同素异形体,C正确;两种烃分别是异戊烷和新戊烷,分子式相同,结构不同,互为同分异构体,D正确。
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5.(2024·山东济宁高二检测)有机物X→Y的异构化反应如图所示。下列说法不正确的是( )
A.X的分子式为C15H12O
B.可用红外光谱、质谱等均可区分X和Y
C.X分子中所有碳原子不可能共平面
D.含—OH和 的Y的同分异构体有18种
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6.下列各项,能证明分子式为C4H6的某烃的结构简式是 ,而不是CH2==CH—CH==CH2的事实是( )
A.燃烧时有浓烟
B.能使酸性KMnO4溶液褪色
C.所有原子不在同一平面上
D.与足量溴水反应,生成物中只有2个碳原子上有溴原子
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解析:若是 ,则与足量Br2加成后只在2个碳原子上有溴原子,若是CH2==CH—CH==CH2,则与足量Br2加成后在4个碳原子上均有溴原子。
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7.有机物的结构可用“键线式”表示,如CH3CH==CHCH3可简写为 。有机物X的键线式为 ,下列说法不正确的是( )
A.X的化学式为C8H8
B.X能使酸性高锰酸钾溶液褪色
C.X与足量的H2在一定条件下反应可生成环状的饱和烃Z,Z的一氯代物有4种
D.Y是X的同分异构体,且属于芳香烃,则Y的结构简式为
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8.以下实验能获得成功的是( )
A.用酸性KMnO4溶液鉴别乙烯和乙炔
B.将稀硫酸、稀硝酸和苯混合加热制硝基苯
C.苯和硝基苯混合物采用分液的方法分离
D.用CuSO4溶液除去由电石和水反应生成的乙炔气体中的杂质
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解析:乙烯和乙炔均能使酸性KMnO4溶液褪色,不能鉴别,A项错误;苯和硝酸在浓硫酸的催化作用下加热可制硝基苯,B项错误;苯和硝基苯互溶,不能用分液的方法分离,C项错误;电石中一般含有少量的硫化钙、磷化钙等杂质,使制得的乙炔气体中含有少量的硫化氢、磷化氢等气体,可用CuSO4溶液除去,D项正确。
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9.某实验小组设计如图所示实验装置来制取乙炔,并粗略测定电石(含有
N、P、S等元素)中碳化钙的质量分数。回答下列问题:
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(1)导管a的作用是 。
(2)仪器b中发生反应的化学方程式为 , 实验过程中为了减缓水与电石的反应速率,可采取的措施是
(写一条即可)。
(3)将生成的气体通入酸性KMnO4溶液中,观察到酸性KMnO4溶液褪色。
(填“能”或“不能”)说明生成的气体全部为乙炔,原因是_______
。
(4)装置c中盛放的试剂为 (填化学式)。
(5)为了安全,点燃乙炔前应 ,乙炔燃烧时的现象是
。
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平衡压强,使液体顺利流下
CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑
用饱和食盐水代替水
不能
生成的气体中含有H2S和PH3杂质,这两种气体也能使酸性高锰酸钾溶液褪色
CuSO4
检验乙炔的纯度
火焰明亮并伴有浓烈的黑烟
解析:(1)导管a连接分液漏斗和烧瓶,维持瓶内气压稳定,使液体顺利流下。
(2)仪器b中电石和水反应生成氢氧化钙和乙炔,发生反应的化学方程式为CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑;实验过程中,用饱和食盐水代替水可以减缓水与电石的反应速率。
(3)生成的气体中含有H2S和PH3杂质,这两种气体也能使酸性高锰酸钾溶液褪色,所以将生成的气体直接通入酸性高锰酸钾溶液中观察到其褪色现象,不能说明生成的气体全部为乙炔。
(4)装置c的作用是除去乙炔中的H2S和PH3杂质,故应盛放CuSO4溶液。
(5)乙炔是可燃性气体,点燃乙炔前应检验其纯度;乙炔燃烧时的现象是火焰明亮并伴有浓烈的黑烟。
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10.硝基苯是一种重要的有机合成中间体,实验室制备硝基苯的过程如下:
已知:硝基苯不溶于水,易溶于乙醇、乙醚。
实验步骤:实验室采用如图所示装置制取硝基苯,恒压滴液漏斗中装有一定量的苯,三颈烧瓶中装有一定比例的浓硫酸和浓硝酸的混合溶液。
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(1)实验装置中长玻璃管可以用 (填仪器名称)代替,图中恒压滴液漏斗侧面橡胶管的作用是 。
(2)下列说法中正确的是 (填字母)。
A.配制混酸时,将浓硝酸沿杯壁缓缓加入浓硫酸中,并不断搅拌、冷却
B.温度控制在50~60 ℃的原因之一是减少副反应的发生
C.制得的粗硝基苯可以先用乙醇萃取,分液后再洗涤
D.浓硫酸可以降低该反应活化能
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(3)三颈烧瓶中发生反应的化学方程式为 。
(4)提纯产品的过程中需要用5% NaOH溶液洗涤三颈烧瓶中的粗产品,其目的是 。
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答案:(1)球形冷凝管(或蛇形冷凝管或直形冷凝管) 平衡压强,使液体顺利流下
(2)BD
(4)除去粗硝基苯中混有的硫酸、硝酸、二氧化氮等
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解析:(1)实验装置中长玻璃管的作用是平衡气压,使蒸发出的苯等反应物冷凝回流,反应更充分,可用球形冷凝管或蛇形冷凝管或直形冷凝管代替;图中恒压滴液漏斗侧面橡胶管的作用是平衡压强,使液体顺利流下。
(2)配制混酸时,应将浓硫酸沿杯壁缓缓加入浓硝酸中,并不断搅拌、冷却,这样可减少浓硝酸的挥发和分解,A项错误;有机反应中,温度不一样,反应机理不一样,所以温度控制在50~60 ℃的原因之一是减少副反应的发生,B项正确;乙醇与水以任意比互溶,不能作为有机溶剂的萃取剂,所以制得的粗硝基苯不可以先用乙醇萃取,C项错误;浓硫酸在反应中做吸水剂和催化剂,故可以降低该反应活化能,D项正确。
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11.(2024·上海黄浦高二检测)芳香族化合物A是一种基本化工原料,可以从煤和石油中得到。A、B、C、D、E的转化关系如图所示:
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请回答下列问题:
(1)A的名称是 ;E属于 (填“饱和烃”或“不饱和烃”)。
(2)A→E的反应类型是 。
(3)在A→B反应的副产物中,与B互为同分异构体的副产物的结构简式为
。
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邻二甲苯(或1,2-二甲苯)
饱和烃
加成反应
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(4)A→C的化学方程式为
。
(5)A与酸性KMnO4溶液反应可得到D,写出D的结构简式: 。
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12.已知:ⅰ.A、B是两种单烯烃,A分子中含有6个碳原子,B分子中含有4个碳原子,其中A分子中含有1种氢原子,B分子中含有2种氢原子;
ⅱ.烯烃复分解反应可表示为
R1CH==CHR2+R'1CH==CHR'2
R1CH==CHR'1+R2CH==CHR'2。
请根据如下转化关系,回答相关问题:
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(1)反应②的反应类型为 。
(2)当 与Br2按物质的量之比为1∶1反应时,所得产物的结构简式为 、 、
。
(3)反应①的化学方程式为 。
(4)C的结构简式为 。
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解析:(2) 与Br2按物质的量之比为1∶1反应时,可以发生1,2-加成,也可以发生1,4-加成。
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1.下列化学用语的表述错误的是( )
A.C2H2的球棍模型:
B.2-丁烯的键线式:
C.甲烷分子的空间填充模型:
D.聚氯乙烯的结构简式:
解析:乙炔分子中含有2个碳氢键和1个碳碳三键,为直线形结构,A正确;为反-2-丁烯的键线式,B正确;甲烷是正四面体结构,其空间填充模型为,C正确;聚氯乙烯可由氯乙烯(CH2==CHCl)发生加聚反应得到,其结构简式为,D错误。
2.下列化学用语正确的是( )
A.2-丁烯的反式结构: B.2-甲基戊烷的键线式:
C.乙烯的球棍模型: D.甲苯的空间填充模型:
解析:2-丁烯的反式结构:,A错误;2-甲基戊烷的键线式:,B错误;乙烯的球棍模型:,C正确;甲苯的空间填充模型:,D错误。
3.下列化学用语或模型不正确的是( )
A.乙炔的空间填充模型:
B.乙酸分子的比例模型:
C.苯的实验式:CH
D.羟基的电子式:
解析:乙炔分子的空间结构为直线形,四个原子在一条直线上,其空间填充模型为,A正确;为乙酸的球棍模型,乙酸的比例模型为,B错误;苯的分子式为C6H6,其实验式为CH,C正确;氧原子与氢原子通过一对共用电子连接,羟基是电中性基团,羟基的电子式为,D正确。
其核磁共振氢谱中有五种信号,说明该分子结构中有五种不同化学环境的氢原子,由此可确定该分子可能的结构简式为CH3—CH2—CH2—CH2—OH或;又根据不同位置的信号峰的面积比为1∶1∶2∶3∶3,说明不同化学环境的氢原子的数目比为1∶1∶2∶3∶3,由此可确定该分子的结构简式为。
解析:由质谱图数据可知,X的相对分子质量为136,6.8 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,则氢原子的物质的量为0.4 mol,碳原子的物质的量为0.4 mol,氧原子的物质的量为=
0.1 mol,故X分子中含有8个氢原子、8个碳原子、2个氧原子,则X的分子式为C8H8O2,结合红外光谱图可知,X的结构简式为或。由分析可知,X的相对分子质量为136,A正确;由X的结构简式可知,X分子中含有的官能团名称为酯基,B正确;由分析可知,符合题中X分子结构特征的有机化合物有2种,C正确;X分子中含有饱和碳原子,与饱和碳原子相连的4个原子形成四面体结构,故X分子中所有原子不共面,D错误。
解析:有机物X有5种不同化学环境的氢原子,则其一氯代物有5种,A项错误;按照烷烃的命名规则,有机物X的名称为2,2,3-三甲基戊烷,B项正确;有机物X的分子式为C8H18,C项正确;有机物X是有机物Y与等物质的量的H2发生加成反应得到的,则有机物Y的结构简式可能是(3,3-二甲基-2-乙基-1-丁烯)、(3,4,4-三甲基-2-戊烯)或(3,4,4-三甲基-1-戊烯),D项正确。
2.下列有机物的命名正确的是( )
A.(2-乙基戊烷)
B.(3-甲基-2-戊烯)
C.(2-甲基-戊炔)
D.(1,2-二甲基-6-乙基苯)
解析:根据X的结构,X的分子式为C15H12O,A正确;两者所含官能团不同,可以用红外光谱区分,两者相对分子质量相同,质谱中分子离子峰碎片不同,可以用质谱区分,B正确;X分子中羟基所在的碳原子为sp3杂化,所连基团构成四面体结构,所有碳原子不可能共平面,C正确;Y的分子式为C15H12O,则含—OH和的Y的同分异构体还含有一个—CH3,共有23种:、、,含有—CH2OH和
的Y的同分异构体有3种,即、、,D错误。
解析:根据键线式的书写特点,的化学式为C8H8,A项正确;有机物X中含有碳碳双键,具有烯烃的性质,能被酸性高锰酸钾溶液氧化,使酸性高锰酸钾溶液褪色,B项正确;X与足量的氢气在一定条件下加成以后,所有的双键变为单键,根据对称性原则,可知加成产物Z中含有2种不同类型的氢原子,所以Z的一氯代物只有2种,C项错误;和的分子式相同,但结构不同,互为同分异构体,且属于芳香烃,D项正确。
(3)+HO—NO2
(3)三颈烧瓶中发生反应的化学方程式为+HO—NO2。
(4)三颈烧瓶中发生反应后,混合物中含有硝基苯、苯、硝酸和硫酸水溶液,还有副反应产生的硫、氮的化合物,所以提纯产品的过程中需要用5% NaOH溶液洗涤三颈烧瓶中的粗产品,其目的是除去粗硝基苯中混有的硫酸、硝酸、二氧化氮等。
+ Br2 (或)+HBr
解析:A为,与溴单质发生取代反应生成B,苯环上的H原子与溴单质发生取代反应生成的C为(或),邻二甲苯被酸性高锰酸钾溶液氧化成的D为,与氢气发生加成反应生成的E为,据此分析。
(1)由图A→B的变化可知,A为,名称为邻二甲苯或1,2-二甲苯,A→E属于加成反应,生成的E是邻二甲基环己烷,环烷烃也是饱和烃。
(2)A→E属于加成反应。
(3)在A→B反应的副产物中,由B的结构和反应条件可知,光照条件下,取代产物只能在侧链上,则与B互为同分异构体的副产物的结构简式为。
(4)A→C的化学方程式为+ Br2(或)+HBr。
(5)A是,可被酸性KMnO4溶液氧化,侧链上的甲基被氧化为羧基,依据D的分子式可知2个甲基均被氧化为羧基,故D的结构简式为。
答案:(1)加成反应
(2)
(3)+CH3CH==CHCH3
(4)
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