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 不定项版）

第二课时　有机化合物实验式、分子式、分子结构的确定 [学业要求]　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。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，并测定各产物的质量，从而推算出各组成元素的质量分数，然后计算有机化合物分子中所含元素原子的最简整数比，即确定其实验式(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、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。 1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。 (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)√ 2．一种有机化合物燃烧后，产生二氧化碳、水和二氧化硫。据此可以推测该化合物中一定含有(　　) A．C、S、O B．C、H、O、S C．C、H、S D．C、H、O 答案　C 解析　根据元素守恒，有机化合物中必含有C、H、S三种元素。氧元素可能来自有机化合物，也可能来自氧气，故不能确定。 3．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类型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。 4．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________。(已知：相对密度d＝＝) (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。 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式。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→确定结构式。 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]　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。 [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。 课时作业 一、选择题(每小题只有1个选项符合题意) 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．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，A符合题意；官能团不同，红外光谱信号不同，B不符合题意；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，C不符合题意；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，D不符合题意。 3．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 4．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。 5．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。 6．靛青是一种染料，利用元素分析仪分析其样品，发现它只含碳、氢、氧、氮四种元素，四种元素的质量分数分别如下：碳为73.3%、氢为3.8%、氮为10.7%、氧为12.2%，则靛青的最简式为(　　) A．C2H4NO B．C5H6NO C．C6H10NO D．C8H5NO 答案　D 解析　根据靛青分子中碳、氢、氮、氧四种元素的质量分数，可计算出碳、氢、氮、氧四种元素的原子个数比即N(C)∶N(H)∶N(N)∶N(O)＝∶∶∶≈8∶5∶1∶1，故其最简式为C8H5NO。 7．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。 二、选择题(每小题有1个或2个选项符合题意) 8．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的相对分子质量 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　AB 解析　A项，元素分析仪测的是试样的常见组成元素及含量，错误；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。 9．已知某有机物A的红外光谱和核磁共振氢谱如下图所示，下列说法中不正确的是(　　) 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不同的氢原子 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 答案　D 10．某化合物的结构(键线式)及球棍模型如下： 该有机分子的核磁共振氢谱图如下： 下列关于该有机物的叙述正确的是(　　) A．该有机物不同化学环境的氢原子有6种 B．该有机物属于芳香族化合物 C．键线式中的Et代表的基团为—CH2CH3 D．该有机物在一定条件下能完全燃烧生成CO2和H2O 答案　CD 解析　A项，由核磁共振氢谱图可知有8种不同化学环境的氢原子，错误；B项，由键线式可看出，该物质中无苯环，不属于芳香族化合物，错误。 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。 三、非选择题 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 13．有机物X是一种重要的有机合成中间体，用于制造塑料、涂料和黏合剂等高聚物。为研究X的组成与结构，进行了如下实验： (1)有机物X的质谱图为 (1)有机物X的相对分子质量为________ (2)将10.0 g X在足量O2中充分燃烧，并将其产物依次通过足量的无水CaCl2和KOH浓溶液，发现无水CaCl2增重7.2 g，KOH浓溶液增重22.0 g (2)有机物X的分子式为______ (3)经红外光谱测定，有机物X中含有醛基；有机物X的核磁共振氢谱图上有2组吸收峰，峰面积之比是3∶1 (3)有机物X的结构简式为__________ 答案　(1)100　(2)C5H8O2　(3)(CH3)2C(CHO)2 解析　(2)无水CaCl2增重的7.2 g是水的质量，10.0 g X中氢原子的物质的量＝×2＝0.8 mol，KOH浓溶液增重的22.0 g是二氧化碳的质量，10.0 g X中碳原子的物质的量＝＝0.5 mol，根据质量守恒，氧元素的质量为10.0 g－0.8 mol×1 g/mol－0.5 mol×12 g/mol＝3.2 g，则氧原子的物质的量为＝0.2 mol，则该分子中碳、氢、氧元素的原子个数之比为0.5 mol∶0.8 mol∶0.2 mol＝5∶8∶2，结合X的相对分子质量可知，有机物X的分子式是C5H8O2。 14．用燃烧法测定某固体有机物A的分子组成，测定装置如图所示(夹持装置和加热装置未画出)： 取9.0 g固体A放入B装置中，通入过量O2燃烧，生成CO2和H2O，请回答下列有关问题： (1)有同学认为该套装置有明显的缺陷，该同学判断的理由是____________________________________________。 (2)用改进后的装置进行实验，反应结束后，C装置增重5.4 g，D装置增重13.2 g，则A的实验式为________。 (3)通过质谱法测得其相对分子质量为180，则A的分子式为________________。 (4)经红外光谱分析，有机物A中含有两种官能团，为进一步确定其结构，某研究小组进行如下实验： ①A能发生银镜反应； ②在一定条件下，1 mol A可以与1 mol H2加成还原生成直链的己六醇； ③在一定条件下，18 g有机物A与足量的Na反应产生标准状况下的H2 5.6 L。 已知：一个碳原子上连有2个羟基是不稳定结构，则A的结构简式是__________________。 答案　(1)装置D能够吸收空气中的二氧化碳和水蒸气，造成实验误差　 (2)CH2O　(3)C6H12O6　(4)CH2OH(CHOH)4CHO 解析　(2)C装置的增重即为A燃烧时生成水的质量，n(H2O)＝＝0.3 mol，所以A中n(H)＝0.6 mol，m(H)＝0.6 g；D装置的增重即为A燃烧时生成CO2的质量，n(CO2)＝＝0.3 mol，所以A中n(C)＝0.3 mol，m(C)＝3.6 g；m(H)＋m(C)＝4.2 g，所以A中含有O元素，且m(O)＝9.0 g－4.2 g＝4.8 g，n(O)＝＝0.3 mol；A中n(C)∶n(H)∶n(O)＝1∶2∶1，A的实验式为CH2O。 (4)实验①A能发生银镜反应，所以A中含有醛基；根据实验②可知1 mol A中含1 mol —CHO；实验③在一定条件下，18 g即0.1 mol有机物A与足量的Na反应产生标准状况下的H2 5.6 L即0.25 mol，可知A分子为直链结构，含有5个羟基。故有机物A的结构简式为CH2OH(CHOH)4CHO。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$