内容正文:
第二节 研究有机化合物的一般方法
第2课时 有机化合物分子式和分子结构的确定
优化探究
第一章 有机化合物的结构特点与研究方法
[课程标准要求] 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.能够根据化学分析和波谱分析确定有机化合物的结构。
任务一 确定实验式和分子式
任务二 确定分子结构
课时作业 巩固提升
任务一 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)。
质量分数
最简整数比
(2)元素分析方法
①李比希法
原理:CxHyOz+O2 xCO2+H2O
实验:
分析思路:C、H、O的质量分数 C、H、O的原子个数比
实验式。
CuO
无水氯
化钙
二氧
化碳
氢氧化钾
氧元素
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。
2.确定分子式
(1)确定相对分子质量
①质谱法
a.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 。
分子离子
相对质量与电荷数
质荷比
b.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。如图为某有机化合物的质谱图:
质荷比
各类离子的相对丰度
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
(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
(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。
( )
×
×
×
√
√
1.如何确定有机物中是否含有氧元素?
提示:可先求出产物CO2和H2O中C、H两种元素的质量和,再与有机物的质量比较,若二者相等,则说明原有机物中不含氧元素,否则有机物中含有氧元素。
2.有机物的实验式(也称最简式)与分子式有哪些区别与联系?
提示:(1)实验式是表示化合物分子中所含各元素原子个数的最简整数比的式子。
(2)分子式是表示化合物分子所含元素的原子种类及数目的式子。
(3)二者中各元素的质量分数相等,可能不同的是原子个数。
归纳总结 有机物分子式的确定方法
1.某气态化合物X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对氢气的相对密度;④X在标准状况下的体积;⑤X的质量。欲确定X的分子式,所需的最少条件组合是( )
A.①② B.②③④
C.①④⑤ D.①②③
D
解析:根据①②可以确定氧元素的质量分数,进一步可以确定X的实验式,由③可以确定X的相对分子质量,综上所述,欲确定X的分子式,所需的最少条件组合是①②③。
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( )
A.甲醇 B.甲烷
C.丙烷 D.乙烯
B
解析:由某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。
3.0.2 mol某有机化合物和0.5 mol氧气在一密闭容器中充分燃烧的产物为CO2、CO、H2O(g)。将产物通过浓硫酸时,浓硫酸的质量增加了10.8 g;再通过灼热的氧化铜时,氧化铜的质量减少了3.2 g;又通过碱石灰,碱石灰的质量增加了17.6 g。该有机化合物的分子式是( )
A.C2H4 B.C2H6O
C.C2H6O2 D.C3H6O3
B
解析:浓硫酸的质量增加10.8 g,说明反应产物中含水10.8 g,即产物中含n(H2O)==0.6 mol;通过灼热的氧化铜,氧化铜的质量减少3.2 g,则
CO+CuOCO2+Cu Δm
1 mol 16 g
n(CO) 3.2 g
=,解得n(CO)=0.2 mol;根据化学方程式可知,CO与CuO反应生成的CO2的物质的量为0.2 mol,质量为0.2 mol×44 g·mol-1=8.8 g,则该有机化合物燃烧生成的CO2的质量为17.6 g-8.8 g=8.8 g,物质的量为=
0.2 mol;根据碳元素守恒可知,0.2 mol该有机化合物中含有碳原子的物质的量为0.4 mol,根据氢元素守恒可知,0.2 mol该有机化合物中含有氢原子的物质的量为0.6 mol×2=1.2 mol,则0.2 mol该有机化合物中含有氧原子的物质的量为0.2 mol+0.2 mol×2+0.6 mol-0.5 mol×2=0.2 mol,则n(有机化合物)∶n(C)∶n(H)∶n(O)=0.2 mol∶0.4 mol∶1.2 mol∶0.2 mol=
1∶2∶6∶1,所以该有机化合物的分子式为C2H6O,故选B。
任务二 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
(1)原理:不同的化学键或官能团对红外线的吸收频率不同,在红外光谱图上将处于不同的位置。
(2)作用:获得分子中所含 或 的信息。
化学键
官能团
(3)实例:下图为有机物A(分子式为C2H6O)的红外光谱图。
有机物A的结构简式可能为CH3CH2OH或CH3OCH3,由红外光谱图知A中含有C—H、C—O、O—H,故A的结构简式为 。
CH3CH2OH
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:获得有机化合物分子中有几种不同类型的氢原子及它们的相对数目等信息,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
(3)实例:下图为有机物A(分子式为C2H6O)的核磁共振氢谱图。
由图可知A的分子中有 种处于不同化学环境的氢原子且个数比为 ,可推知该有机物的结构简式应为 。
3
3∶2∶1
CH3CH2OH
3.X射线衍射
(1)原理:X射线是一种波长很短的 ,它和晶体中的原子相互作用可以产生 。
(2)作用:可获得分子结构的有关数据,如 、 等,用于有机化合物 的测定。
电磁波
衍射图
键长
键角
晶体结构
(1)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) 的核磁共振氢谱中有4个吸收峰,且峰面积比为1∶2∶2∶1。( )
(3)CH3COOCH3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析可以初步判断有机化合物中具有哪些基团。
( )
×
√
×
√
归纳总结
有机物结构的确定方法
1.通过价键规律确定:根据价键规律确定某些有机物只存在一种结构,则可直接由分子式确定其结构式。如C2H6,根据碳元素为4价,氢元素为1价,碳碳可以直接连接,可知其只有一种结构:CH3—CH3;同理,由价键规律可知,CH4O也只有一种结构:CH3OH。
2.通过定性或定量实验确定:当一个分子式可能代表两种或两种以上具有不同结构的物质时,可利用该物质的特殊性质,通过定性或定量实验来确定其结构式。
(1)根据红外光谱图可以确定有机物中含有的化学键或官能团,从而确定有机物的结构。
(2)根据核磁共振氢谱图中吸收峰的种类和面积比,可以确定不同化学环境下氢原子的种类及个数比,从而确定有机物的结构。
3.通过有机物的性质确定:根据有机物的性质推测有机物中含有的官能团,从而确定有机物的结构。
4.现代化学测定有机物组成及结构的方法较多。下列有关说法正确的是
( )
A.元素分析仪不仅可以测出试样中常见的组成元素及含量,还可以测定其分子的空间结构
B. 的核磁共振氢谱中有四组峰,峰面积之比为1∶2∶2∶3
C.通过红外光谱分析可以区分乙醇和乙酸乙酯
D.质谱法和红外光谱法不属于测定有机物组成和结构的现代分析方法
C
解析:A项,元素分析仪不能测定分子的空间结构;B项,该有机物的核磁共振氢谱中有五组峰,峰面积之比为4∶4∶3∶2∶1;D项,质谱法和红外光谱法属于测定有机物组成和结构的现代分析方法。
5.有机物Y的分子式为C4H8O2,其红外光谱图如图所示,则该有机物的结构可能为( )
A.CH3COOCH2CH3 B.
C.HCOOCH2CH3 D.(CH3)2CHCOOH
A
解析:由红外光谱图可知,该有机物中含有C==O、
C—O—C、不对称—CH3,B、C、D均不符合。
6.经测定,某有机物A的质谱图如图1,核磁共振氢谱图如图2,则A的结构简式可能为( )
A.CH3OCH3 B.CH3CHO
C.HCOOH D.CH3CH2OH
D
解析:由题图可知,有机物A的相对分子质量为46,分子中有3种处于不同化学环境的氢原子且个数比为1∶2∶3,据此分析。A.CH3OCH3的相对分子质量为46,分子中有一种氢原子,故A不符合题意;B.CH3CHO的相对分子质量为44,分子中有两种氢原子,故B不符合题意;C.HCOOH的相对分子质量为46,分子中有两种氢原子,故C不符合题意;D.CH3CH2OH的相对分子质量为46,分子中有三种氢原子,且其个数比为1∶2∶3,故D符合题意。
课时作业 巩固提升
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[A组 基础落实]
题组一 确定有机物的实验式、分子式
1.验证某有机化合物属于烃,应完成的实验内容是( )
A.测定它的C、H原子个数比
B.证明它完全燃烧后的产物只有水和CO2
C.测定其燃烧产物中水和CO2的物质的量之比
D.测定该有机化合物的质量及其完全燃烧后生成CO2和水的质量
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D
解析:烃只含C、H两种元素。只测定它的C、H原子个数比,不能确定是否含有O原子,不能验证该有机化合物属于烃,故A错误;烃和烃的含氧衍生物的燃烧产物都是H2O和CO2,则只证明该有机化合物完全燃烧后的产物只有H2O和CO2,不能验证该有机化合物属于烃,故B错误;只测定其燃烧产物中H2O与CO2的物质的量之比,只能测出它的C、H原子个数比,不能确定是否含有O原子,不能验证该有机化合物属于烃,故C错误;测定该有机化合物的质量及其完全燃烧后生成CO2和H2O的质量,若有机化合物的质量与CO2和H2O中C、H元素的质量之和相等,则能验证该有机化合物属于烃,故D正确。
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2.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2.59 g·L-1,其分子式为( )
A.C2H6 B.C4H10
C.C5H8 D.C7H8
解析:N(C)∶N(H)=∶=2∶5,得其实验式为C2H5,M=ρVm=2.59 g·L-1
×22.4 L·mol-1≈58 g·mol-1,(24+5)n=58,n=2,故其分子式为C4H10。
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B
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
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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。
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4.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
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C
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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,浓NaOH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,因为实验式中的氢原子已经达到饱和,所以该实验式即为M的分子式,C项正确。
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题组二 图谱法在确定有机化合物结构中的应用
5.乙酸和甲酸甲酯互为同分异构体,其结构式分别如下:
和 。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
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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。
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6.如图是有机物A的质谱图,则A的相对分子质量是( )
A.29 B.43
C.57 D.72
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解析:质谱图中最大质荷比就是该物质的相对分子质量,根据图示可知A的最大质荷比是72,因此该物质的相对分子质量是72,故正确选项是D。
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7.已知某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示,下列说法中错误的是
( )
A.由红外光谱可知,该有机物中至少有三种不同的化学键
B.由核磁共振氢谱可知,该有机物分子中有三种处于不同化学环境的氢原子
C.仅由其核磁共振氢谱无法得知其分子中的氢原子总数
D.若A的化学式为C2H6O,则其结构简式为
CH3—O—CH3
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解析:根据有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱可知,有机物A含C—H、O—H和C—O,有3种处于不同化学环境的H,A、B正确;核磁共振氢谱中只能确定氢原子种类和相对数目,无法得知其分子中的氢原子总数,C正确;由红外光谱可知分子中含有C—H、C—O、O—H,A的化学式为C2H6O,满足化学键要求的结构简式为CH3CH2OH,D错误。
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8.某化合物由碳、氢、氧三种元素组成,其红外光谱图有C—H、O—H、C—O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.CH3CH2OCH3
B.CH3CH(OH)CH3
C.CH3CH2CH2OH
D.CH3CH2CHO
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B
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解析:由题意知该有机物的分子中含C—H、O—H、C—O,A项中无O—H,D项中无O—H、C—O,B、C项含有C—H、O—H、C—O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。
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9.符合下面核磁共振氢谱图的有机物是( )
A.CH3COOCH2CH3
B.CH3CH==CHCH3
C.CH3CH2CH3
D.
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解析:A项,有3种处于不同化学环境的氢原子,且个数之比为2∶3∶3;B项,有2种处于不同化学环境的氢原子,个数比为(3×2)∶(2×1)=3∶1;C项,有2种处于不同化学环境的氢原子,个数比为(3×2)∶2=3∶1;D项,有3种处于不同化学环境的氢原子,个数比为(3×2)∶1∶1=6∶1∶1。由核磁共振氢谱可以看出该有机物中有3种不同化学环境的氢原子,再由原子个数(吸收峰面积)之比可知A项符合。
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10.某烃的含氧衍生物A的蒸气密度是相同状况下H2的37倍。将7.4 g A在足量氧气中充分燃烧,并将产物依次通过足量浓硫酸和碱石灰,测得浓硫酸和碱石灰分别增重9.0 g和17.6 g。A能与金属钠反应放出气体,其核磁共振氢谱如图所示。下列说法正确的是( )
A.A的结构简式为CH3CH(CH3)CH2OH
B.A在铜催化作用下能被O2氧化成酮
C.A显酸性,能使紫色石蕊溶液变红
D.A的同分异构体共有3种(不考虑立体异构)
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A
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解析:某烃的含氧衍生物A的蒸气密度是相同状况下H2的37倍,所以A的相对分子质量为37×2=74,7.4 g A的物质的量为0.1 mol;测得浓硫酸和碱石灰分别增重9.0 g和17.6 g,说明反应生成H2O的物质的量为=
0.5 mol,反应生成CO2的物质的量为=0.4 mol,则0.1 mol A中含有1 mol H,含有0.4 mol C,7.4 g A中含有O的质量为7.4 g-1 mol×
1 g·mol-1-0.4 mol×12 g·mol-1=1.6 g,含有O的物质的量为0.1 mol,故该有机物中C、H、O的个数比为4∶10∶1,A的分子式为C4H10O。根据核磁共振氢谱图可知,A的分子中含有4种处于不同化学环境的氢原子,峰面积之
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比为1∶1∶2∶6,且A能与金属钠反应放出气体,则A为醇,含有醇羟基,由
此推知该物质的结构简式为 ,其在铜催化作用下能被O2氧化成(CH3)2CHCHO,A项正确,B项错误;A为醇,不具有酸性,不能使紫色石蕊溶液变红,C项错误;A的同分异构体有CH3CH2CH2CH2OH、
CH3CH(OH)CH2CH3、 、
CH3—O—CH2CH2CH3等,多于3种,D项错误。
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[B组 培优训练]
11.某有机物8.8 g在足量O2中充分燃烧后,将混合气体依次通过足量的浓硫酸和碱石灰,浓硫酸和碱石灰的质量分别增加7.2 g和17.6 g,经检验最终剩余气体为O2。已知该有机物的质谱图与红外光谱图如图所示。下列有关该有机物的说法错误的是( )
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A.含有C、H、O三种元素
B.分子式为C4H8O2
C.可能含有酯基
D.有两种可能结构
答案:D
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解析:由题意可知,8.8 g该有机物完全燃烧生成7.2 g(0.4 mol)H2O和17.6 g(0.4 mol)CO2,则8.8 g该有机物中含有0.8 mol H原子和0.4 mol C原子,两种原子的总质量为5.6 g,故8.8 g该有机物中还含有3.2 g(0.2 mol)O原子。分子中,n(C)∶n(H)∶n(O)=0.4 mol∶0.8 mol∶0.2 mol=2∶4∶1,其最简式为C2H4O。由该有机物的质谱图可知,其相对分子质量为88,则该有机物的分子式为C4H8O2,A、B项正确;由该有机物的红外光谱图可知,其可能
为 、 、CH3COCH2OCH3等,C项正确、D项错误。
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12.质谱图表明某有机物的相对分子质量为70,红外光谱表征到C==C和C==O的存在,核磁共振氢谱图如图所示(峰面积之比为1∶1∶1∶3),下列说法正确的是( )
A.分子中共有5种处于不同化学环境的氢原子
B.该有机物的结构简式为CH3CH==CHCOOH
C.该物质的分子式为C4H6O
D.该有机物不可能与氢气反应
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解析:核磁共振氢谱中共有4组峰,所以该有机物分子中有4种处于不同化学环境的氢原子,故A错误;峰面积之比为1∶1∶1∶3,即为等效氢原子的个数比;相对分子质量为70,若分子中含有1个氧原子,利用商余法计算:(70-16)÷12=4……6,则分子式为C4H6O;若分子中含有2个或2个以上氧原子时,无符合条件的有机物。根据等效氢原子的个数比为1∶1∶1∶3 及分子中含有C==C及C==O,可推知该有机物的结构简式为CH3CH==CHCHO,分子式为C4H6O,故B错误,C正确;该有机物中含有碳碳双键和醛基,能与H2发生加成反应,故D错误。
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13.下列装置中有机物样品在电炉中充分燃烧,通过测定生成的CO2和H2O的质量,来确定有机物的分子式。
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请回答下列问题:
(1)B装置中试剂X可选用 。
(2)D装置中无水氯化钙的作用是 ;
E装置中碱石灰的作用是 。
(3)若实验中所取样品只含C、H、O三种元素中的两种或三种,准确称取0.44 g样品,经充分反应后,D装置质量增加0.36 g,E装置质量增加0.88 g,已知该物质的相对分子质量为44,则该样品的分子式为 。
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(4)若该有机物的核磁共振氢谱如图所示。
则其结构简式为 。
(5)某同学认为E装置和空气相通,会影响测定结果准确性,应在E装置后再增加一个相同的装置,其主要目的是 。
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答案:(1)浓硫酸 (2)吸收生成的水 吸收生成的二氧化碳 (3)C2H4O (4)CH3CHO (5)吸收空气中的二氧化碳和水蒸气
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解析:(3)E装置质量增加0.88 g,为二氧化碳的质量,可得碳元素的质量:0.88 g×=0.24 g,D装置质量增加0.36 g,是水的质量,可得氢元素的质量:0.36 g×=0.04 g,从而可推出含氧元素的质量:(0.44-0.24-0.04) g=0.16 g,设最简式为CxHyOz,则x∶y∶z=∶∶=2∶4∶1,即最简式为C2H4O,又由该物质的相对分子质量为44,可得该样品的分子式为C2H4O。
(4)根据该有机物的核磁共振氢谱图,峰面积之比为1∶3,则其结构简式为CH3CHO。
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②计算法
相对分子质量数值上等于摩尔质量(以g·mol-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为ρ g·L-1,摩尔质量:M=ρ g·L-1×22.4 L·mol-1=22.4ρ g·mol-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=d×MB。
c.混合气体平均摩尔质量:=。
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