第1章 第2节 第2课时 有机化合物实验式、分子式、分子结构的确定-【金版教程】2024-2025学年高中化学选择性必修3创新导学案word（人教版2019 单选版）

第二课时　有机化合物实验式、分子式、分子结构的确定 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。3.通过提取和分析谱图中的有效信息推测分子结构，发展证据推理核心素养。 1．确定实验式——元素分析 (1)测定原理 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)。燃烧后C转化为CO2，H转化为H2O，N转化为N2，S转化为SO2，Cl转化为HCl。 (2)测定步骤(李比希法) (3)实例：某种含C、H、O三种元素的未知物，经燃烧分析实验测得其中碳的质量分数为52.2%，氢的质量分数为13.1%，则氧元素的质量分数为34.7%，则该化合物分子内碳、氢、氧原子的个数比为2∶6∶1，即该未知物的实验式为C2H6O。 2．确定分子式——质谱法 (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，在磁场和电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。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。 (2)质谱图 质谱图中最右侧的分子离子峰的质荷比数值就表示了样品分子的相对分子质量。例如，由图可知，样品分子的相对分子质量为46。 3．确定分子结构——波谱分析 (1)红外光谱 ①原理：不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同的位置。 ②作用：初步判断某有机物中含有何种化学键或官能团。如分子式为C2H6O的有机物可能有两种结构：CH3CH2OH、CH3OCH3，利用红外光谱来测定，分子中有C—O、C—H和O—H吸收峰，则说明该分子中有羟基官能团，其结构为CH3CH2OH。 (2)核磁共振氢谱 ①原理：处在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，而且吸收峰的面积与氢原子数成正比。 ②作用：测定有机物分子中氢原子的类型和相对数目。 ③分析：吸收峰数目＝氢原子类型数，吸收峰面积比＝各类型氢原子数之比。如CH3CH2OH的吸收峰有3组，峰面积比为3∶2∶1。 (3)X射线衍射 X射线和晶体中的原子可以相互作用产生衍射图，经过计算分析可以得到键长、键角等分子结构信息。 　判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。 　(1)验证有机化合物属于烃时只需测定燃烧产物中的CO2和H2O的物质的量之比。(　　) (2)有机物的实验式、分子式一定不同。(　　) (3)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。(　　) (4)质谱图中最右边的谱线表示的数值为该有机化合物的相对分子质量。(　　) (5)核磁共振氢谱中有几组吸收峰就有几个氢原子。(　　) (6)质谱法、红外光谱法和核磁共振氢谱法均能确定有机物的分子结构。(　　) (7)CH3COOCH3在核磁共振氢谱图中只有一组吸收峰。(　　) (8)X射线衍射技术用于有机化合物晶体结构的测定，可以获得直接而详尽的结构信息。(　　) 答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)×　(7)×　(8)√ 知识点一　有机物的元素分析和分子式的确定 1．有机物组成元素的推断 2．确定分子式的方法 (1)常用方法 (2)商余法 用烃的相对分子质量除以碳原子的相对原子质量12，所得商的整数部分就是烃分子中所含碳原子的最大值，余数则为所含氢原子的最小值。 (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，常利用有机物燃烧的方程式对分子式进行求解。常用的化学方程式有： CxHy＋O2xCO2＋H2O CxHyOz＋O2xCO2＋H2O [练1]　某有机化合物在空气中完全燃烧时，生成水和二氧化碳的分子数之比为2∶1，则该物质可能是(　　) ①CH4　②C2H4　③C2H5OH　④CH3OH A．①② B．②③ C．③④ D．①④ 答案：D 解析：该物质完全燃烧生成水和二氧化碳的分子数之比即N(H2O)∶N(CO2)＝2∶1，则该物质中N(H)∶N(C)＝4∶1，分子式满足这个条件的有①和④。 [练2]　将3.24 g某有机物装入元素分析装置，然后通入足量氧气使之完全燃烧，将生成的气体依次通过无水CaCl2管(A)和碱石灰管(B)，测得A管增重2.16 g，B管增重9.24 g。已知该有机物的相对分子质量小于200，求其实验式并推测其分子式(写出计算过程)。 答案：n(C)＝＝0.21 mol n(H)＝×2＝0.24 mol n(O)＝ ＝0.03 mol 则n(C)∶n(H)∶n(O)＝7∶8∶1，其实验式为C7H8O，相对分子质量是108。又由于该有机物的相对分子质量小于200，所以该有机物的分子式为C7H8O。 知识点二　有机物分子结构的确定 1．由分子式确定有机物结构简式的一般步骤 2．有机物分子结构的确定方法 (1)根据价键规律确定 某些有机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。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→官能团→确定结构。 如能使溴的四氯化碳溶液褪色的有机物分子中可能含有或—C≡C—，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 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1个该醇分子含2个—OH。 (4)根据实验测定的有机物的结构片段“组装”有机物 实验测得的往往不是完整的有机物，这就需要我们根据有机物的结构规律，如价键规律、性质和量的规律等来对其进行“组装”和“拼合”。 (5)通过物理方法确定 用红外光谱、核磁共振氢谱确定有机物中的官能团和各类氢原子的相对数目等，进而确定其结构简式。 [练3]　下列关于物质研究方法的说法中错误的是(　　) A．质谱法可测定有机化合物的相对分子质量 B．核磁共振氢谱能反映出未知有机化合物中不同化学环境氢原子的种类和个数 C．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 D．研究有机化合物的一般步骤：分离、提纯→确定实验式→确定分子式→确定结构式 答案：B [练4]　已知某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如图所示，下列说法正确的是(　　) A．由红外光谱可知，A属于芳香烃 B．由核磁共振氢谱可知，A分子中有3种不同化学环境的氢原子 C．仅由A的核磁共振氢谱就可获得A的相对分子质量 D．若A的分子式为C9H10O2，则其结构简式可能为 答案：D 解析：A项，该有机物含有O，属于烃的衍生物，错误；B项，核磁共振氢谱中有5组峰说明分子中有5种不同化学环境的H原子，错误；C项，核磁共振氢谱只能说明氢原子的种类和各类氢原子的数目之比，不能获得A的相对分子质量，错误。 [练5]　相对分子质量不超过100的有机物B，既能与金属钠反应产生无色气体，又能与碳酸钠反应产生无色气体，还可以使溴的四氯化碳溶液褪色。B完全燃烧只生成CO2和H2O。经分析，其含氧元素的质量分数为37.21%。经核磁共振检测发现B的氢谱如下： B的结构简式为________________________。 答案： 解析：B能与金属钠反应产生无色气体，也能与碳酸钠反应产生无色气体，说明B中至少含有一个羧基，同时还可能含有羟基等，为含氧衍生物。根据含氧量可以试推出B的相对分子质量，如分子中含有2个氧原子，则B的相对分子质量为86，如果含有3个氧原子，相对分子质量为129，大于100，不符合要求，所以B只含有一个羧基，又因为可以使溴的四氯化碳溶液褪色，所以还含有碳碳双键或碳碳三键。结合B的相对分子质量为86可知，B的分子式为C4H6O2，再结合核磁共振氢谱图显示B中含有三组峰且峰面积之比为3∶2∶1，可以推断其结构简式为CH2===C(CH3)COOH。 本课总结 自我反思：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 随堂提升 1．下列有机化合物分子中，在核磁共振氢谱图中能显示三组信号峰的是(　　) A．CH3CH2CH3 C．CH3—O—CH3 答案：B 解析：A项显示2组信号峰，C项显示1组信号峰，D项显示2组信号峰。 2．某有机物在氧气中充分燃烧，生成等物质的量的水和二氧化碳，则该有机物的组成必须满足的条件是(　　) A．分子中C、H、O的个数比为1∶2∶3 B．分子中C、H的个数比为1∶2 C．该有机物的相对分子质量为14 D．分子中肯定不含氧元素 答案：B 3．1924年，我国药物学家发现麻黄素有平喘作用，于是从中药麻黄中提取麻黄素作为平喘药。若将10 g麻黄素完全燃烧，可得26.67 g CO2和8.18 g H2O，同时测得麻黄素中含氮8.48%和它的实验式为CxHyNzOw，则麻黄素的分子式为(　　) A．C10H15NO B．C20H30NO C．C10H15N2O3 D．C20H30N2O 答案：A 解析：m(C)＝26.67 g×≈7.274 g，m(H)＝8.18 g×≈0.909 g，m(N)＝10 g×8.48%＝0.848 g，则m(O)＝10 g－7.274 g－0.909 g－0.848 g＝0.969 g，故C、H、N、O原子数目之比为∶∶∶≈10∶15∶1∶1，选项中只有C10H15NO符合该比例关系，即麻黄素分子式为C10H15NO。 4．下列说法错误的是(　　) A．从核磁共振氢谱图上可以推知有机化合物分子中有几种不同化学环境的氢原子及它们的相对数目 B．红外光谱是用高能电子流等轰击样品，使分子失去电子形成分子离子或碎片离子 C．质谱法具有快速、微量、精确的特点 D．通过红外光谱图可以初步判断有机化合物所含的官能团 答案：B 解析：有机化合物受到红外线照射时，能吸收与它的某些化学键或官能团的振动频率相同的红外线，通过红外光谱仪的记录形成该有机化合物的红外光谱图。 5．根据研究有机物的步骤和方法填空： (1)测得A的蒸气密度是相同状况下甲烷的4.375倍。则A的相对分子质量为________。 (2)将5.6 g A在足量氧气中燃烧，并将产物依次通过浓硫酸和碱石灰，分别增重7.2 g和17.6 g。则A的实验式为________；A的分子式为________。 (3)将A通入溴水，溴水褪色，说明A属于________，若不褪色，则A属于________。 (4)A的核磁共振氢谱如图： 综上所述，A的结构简式为________________。 答案：(1)70 (2)CH2　C5H10 (3)烯烃　环烷烃 (4) 解析：(1)根据公式M＝d·M(CH4)计算该有机物的相对分子质量为16×4.375＝70。 (2)由A的燃烧反应知，5.6 g A含m(C)＝(×12) g＝4.8 g，m(H)＝(×2) g＝0.8 g，确定该有机物只含碳、氢两种元素，实验式为CH2，设分子式为(CH2)n，则12n＋2n＝70，n＝5，分子式为C5H10。 (4)该核磁共振氢谱图共有4组吸收峰，吸收峰面积之比为1∶1∶2∶6，则符合题意。 课时作业 题号 1 2 3 4 5 6 7 难度 ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★★ 对点 有机物分子结构的确定 有机物分子结构的确定 有机物组成及结构的分析方法 有机物分子结构的确定 有机物分子式的确定 核磁共振氢谱 有机物分子式的确定 题号 8 9 10 11 12 13 难度 ★★ ★★ ★★ ★★ ★★★ ★★★ 对点 有机物分子式的确定 有机物组成及结构的分析方法 有机物分子式的确定实验 有机物分子式的确定 有机物分子式的确定 有机物分子式的确定实验 [学习·理解] 1．某小组在实验室研究一种有机物，按顺序采取以下步骤确定其结构，采用的方法不正确的是(　　) A．利用沸点不同蒸馏提纯该有机物 B．利用燃烧法确定该有机物的实验式为C2H6O C．利用核磁共振氢谱确定该有机物的相对分子质量为46 D．利用红外光谱图确定该有机物分子中含O—H 答案：C 2．有机化合物Y的分子式为C4H8O2，其红外光谱图如图所示，则该有机化合物可能的结构简式为(　　) A．CH3COOCH2CH3 B．OHCCH2CH2OCH3 C．HCOOCH2CH2CH3 D．(CH3)2CHCOOH 答案：A 解析：由红外光谱图可看出该分子中有不对称的—CH3，因此该分子中有2个—CH3，由题图还可以看出该分子中含有C===O、C—O—C结构，故选A。 3．乙酸和甲酸甲酯互为同分异构体，其结构式分别为和，通过下列方法或检测仪得出的信息或信号完全相同的是(　　) A．李比希元素分析法 B．红外光谱仪 C．核磁共振仪 D．质谱仪 答案：A 解析：二者互为同分异构体，则通过李比希元素分析法得出的信息完全相同；官能团不同，红外光谱信号不同；二者含有的氢原子的种类和个数虽然相同，但峰出现的位置不同，核磁共振氢谱信号不完全相同；二者的相对分子质量相等，质谱法测定的最大质荷比相同，但其他离子的信号不完全相同。 4．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的振动吸收峰，该有机物的相对分子质量是60，则该有机物的结构简式是(　　) A．CH3CH2OCH3 B．CH3CH(OH)CH3 C．CH3COCH3 D．CH3CH2CHO 答案：B 5．某有机化合物仅由碳、氢、氧三种元素组成，其相对分子质量小于150，若已知氧的质量分数为50%，则分子中碳原子的个数最多为(　　) A．4 B．5 C．6 D．7 答案：B 解析：因为150×50%＝75，≈4.69，故氧原子最多为4个，该有机化合物的相对分子质量最大为128，然后依据商余法：＝5……4，故碳原子数最多为5个。 6．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∶2的是(　　) 答案：D 解析：A项中有机物有三种不同化学环境的氢原子；B、C项中有机物含有两种不同化学环境的氢原子，且这两种氢原子的个数比为3∶1。 7．为确定某有机物的分子式，进行以下实验： (1)测定实验式：某含C、H、O三种元素的有机物，经燃烧实验测得其碳元素的质量分数为64.86%，氢元素的质量分数为13.51%，则其实验式是________。 (2)确定分子式：如图是该有机物的质谱图，则其相对分子质量为________，分子式为________。 答案：(1)C4H10O　(2)74　C4H10O 解析：(1)该有机物的分子中C、H、O的原子个数比为N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶≈4∶10∶1，因此该有机物的实验式为C4H10O。 (2)根据质谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量，该有机物的相对分子质量为74，因此该有机物的分子式为C4H10O。 [应用·实践] 8．燃烧0.1 mol某有机物得0.2 mol CO2和0.3 mol H2O，由此得出的结论不正确的是(　　) A．该有机物分子的结构简式为CH3—CH3 B．该有机物中碳、氢元素原子数目之比为1∶3 C．该有机物分子中不可能含有 D．该有机物分子中可能含有氧原子 答案：A 解析：由题意可知，n(有机物)∶n(C)∶n(H)＝1∶2∶6，故有机物的分子式为C2H6Ox，即无法确定其是否含有氧原子，且H原子已经饱和，无。 9．现代化学测定有机物组成及结构的分析方法较多。下列有关说法不正确的是(　　) A．元素分析仪可以测出试样常见的组成元素及含量 B．的核磁共振氢谱中有四组峰，峰面积之比为1∶2∶2∶3 C．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 D．通过红外光谱分析可以区分乙醚和乙酸乙酯 答案：B 解析：B项，的核磁共振氢谱中有五组峰，峰面积之比为1∶2∶3∶4∶4，错误。 10．(2024·安庆高二期中)用如图所示实验装置可以测定有机物中碳元素和氢元素含量：取4.6 g某烃的含氧衍生物样品A置于氧气流中，用氧化铜作催化剂，在760 ℃左右样品A全部被氧化为二氧化碳和水，实验结束后测得装置a增重5.4 g，装置b增重8.8 g。下列有关说法错误的是(　　) A．装置a、b中依次盛放的试剂可以为无水氯化钙和碱石灰 B．由实验数据只能确定A的最简式，无法确定A的分子式 C．开始加热前、停止加热后均需通入一段时间O2 D．采用核磁共振氢谱法可确定A的结构式 答案：B 解析：氧化铜作催化剂，在760 ℃左右使有机物在氧气流中全部氧化为CO2和H2O，通过测定生成的CO2、H2O的量确定实验式，用氯化钙吸收水蒸气，用碱石灰吸收二氧化碳，由于碱石灰会同时吸收水蒸气和二氧化碳，故先用氯化钙吸收水蒸气，再用碱石灰吸收二氧化碳；计算生成水、二氧化碳的物质的量，根据质量守恒判断是否含有O元素，若含有O元素，计算原子物质的量；根据原子数目之比确定有机物最简式，再确定分子式，最后根据有机物A的核磁共振氢谱确定结构简式。由分析可知，A正确；生成水的物质的量为＝0.3 mol，H原子的物质的量为0.6 mol，生成二氧化碳的物质的量为＝0.2 mol，碳原子的物质的量为0.2 mol，C、H原子质量和为0.6 mol×1 g/mol＋0.2 mol×12 g/mol＝3 g，所以O原子的质量为4.6 g－3 g＝1.6 g，氧原子物质的量为＝0.1 mol，则有机物A中N(C)∶N(H)∶N(O)＝0.2∶0.6∶0.1＝2∶6∶1，所以有机物分子式为C2H6O，B错误；开始加热前通入一段时间O2，赶走装置中的水和二氧化碳、停止加热后通入一段时间O2，使反应生成的水和二氧化碳分别被无水氯化钙和碱石灰吸收，使测量结果更准确，C正确；采用核磁共振氢谱法得出A中氢原子的种类，可确定A的结构式，D正确。 11．0.2 mol有机物和0.4 mol O2在密闭容器中燃烧后的产物为CO2、CO和H2O(g)。产物经过浓硫酸后，浓硫酸的质量增加10.8 g；再通过灼热的CuO充分反应后，固体质量减轻3.2 g；最后气体再通过碱石灰被完全吸收，碱石灰质量增加17.6 g。0.1 mol该有机物恰好与4.6 g金属钠完全反应。下列关于该有机物的说法不正确的是(　　) A．该化合物的相对分子质量是62 B．该化合物的分子式为C2H6O2 C．1 mol该化合物能与2 mol O2发生催化氧化反应 D．1 mol该有机物最多能与2 mol Na反应 答案：C 解析：0.2 mol有机物燃烧生成水的物质的量为＝0.6 mol，含有碳原子的物质的量为＝0.4 mol, CO与CuO充分反应后，固体质量减轻3.2 g，计算可知n(CO)＝n(CO2)＝0.2 mol，根据碳元素守恒可知，1 mol有机物含有碳原子的物质的量为2 mol，含有氢原子的物质的量为6 mol，含有氧原子的物质的量为 ＝2 mol，所以有机物的分子式为C2H6O2，4.6 g Na的物质的量为＝0.2 mol，有机物与Na按物质的量之比1∶2反应，有机物分子中含有2个—OH，该有机物的结构简式为HOCH2CH2OH，结合有机物的结构和性质分析，1 mol该化合物能与1 mol O2发生催化氧化反应，C错误。 12．某芳香烃A的质谱图如图所示。 (1)A的名称为________。 (2)A的一氯代物共有________种。 (3)A中最多有________个原子共平面。 (4)已知9.2 g A在足量O2中充分燃烧，混合气体依次通过足量的浓硫酸和碱石灰，质量分别增加______g和______g。 (5)A分子的核磁共振氢谱有________组峰，峰面积之比为________________。 答案：(1)甲苯　(2)4　(3)13　(4)7.2　30.8 (5)4　1∶2∶2∶3 [创新·提高] 13．(2023·全国乙卷)元素分析是有机化合物的表征手段之一。按下图实验装置(部分装置略)对有机化合物进行C、H元素分析。 回答下列问题： (1)将装有样品的Pt坩埚和CuO放入石英管中，先________________，而后将已称重的U形管c、d与石英管连接，检查____________。依次点燃煤气灯________，进行实验。 (2)O2的作用有______________________________________。CuO的作用是__________________________________(举1例，用化学方程式表示)。 (3)c和d中的试剂分别是________、________(填标号)。c和d中的试剂不可调换，理由是________________________________。 A．CaCl2 B．NaCl C．碱石灰(CaO＋NaOH) D．Na2SO3 (4)Pt坩埚中样品CxHyOz反应完全后，应进行操作：______________________________。取下c和d管称重。 (5)若样品CxHyOz为0.0236 g，实验结束后，c管增重0.0108 g，d管增重0.0352 g。质谱仪测得该有机物的相对分子质量为118，其分子式为________。 答案：(1)通入一定的O2　装置气密性　b、a (2)为实验提供氧化剂、提供气流保证反应产物完全进入U形管中　CO＋CuOCu＋CO2 (3)A　C　碱石灰可以同时吸收水蒸气和二氧化碳 (4)先熄灭煤气灯a，继续通入一段时间O2，再熄灭煤气灯b，待装置冷却至室温，停止通入O2 (5)C4H6O4 解析：(5)c管装有无水CaCl2，用来吸收生成的水蒸气，则增加的重量为水蒸气的质量，由此可以得到有机物中n(H)＝×2＝×2＝0.0012 mol；d管装有碱石灰，用来吸收生成的CO2，则增加的重量为CO2的质量，由此可以得到有机物中n(C)＝＝＝0.0008 mol；有机物中O元素的质量为(0.0236－0.0012×1－0.0008×12) g＝0.0128 g，则n(O)＝＝＝0.0008 mol；该有机物中C、H、O三种元素的原子个数比为0.0008∶0.0012∶0.0008＝2∶3∶2；质谱仪测得该有机物的相对分子质量为118，则其化学式为C4H6O4。 16 学科网（北京）股份有限公司 $$