第3章 第2节 第1课时 有机化合物分子式的确定-【金版教程】2024-2025学年高中化学选择性必修3创新导学案word（鲁科版2019）

第2节　有机化合物结构的测定 第1课时　有机化合物分子式的确定 核心素养 学业要求 科学探究与创新意识 能列举物质组成与结构测定的仪器分析方法，并能用测得的数据或图表推测物质的分子式。 能够依据物质的组成及各元素的质量分数，分析与推测有机物分子式。 证据推理与模型认知 学会测定有机物元素含量和相对分子质量的方法，建立确定分子式的思维模型。 1．测定有机化合物结构的流程 2．分离、提纯有机化合物的常见方法 (1)蒸馏 适用对象：①液态有机化合物。 ②有机物热稳定性较强、含有的杂质量较少且与杂质沸点有显著差别(一般大于30 ℃)。 (2)重结晶 ①适用对象：固态有机化合物。 ②原理：利用有机化合物在某种溶剂中的溶解度受温度影响较大，加热使其溶解于溶剂中，再降温使其溶解度下降，从而析出该有机化合物的结晶。 ③注意事项 a.选择适当的溶剂。杂质在此溶剂中的溶解度较大或较小，易于除去；被提纯的有机化合物在此溶剂中温度较高时溶解度较大，温度降低时溶解度迅速减小，冷却后易于结晶析出。 b.样品中杂质含量较少(通常质量分数小于5%)。 (3)萃取 ①目的：富集有机化合物。 ②原理：一般是用有机溶剂从水中萃取有机化合物，常用的与水互不相溶的有机溶剂有乙醚、石油醚、二氯甲烷等。 3．元素组成的测定方法及步骤 4．测定有机化合物的相对分子质量 (1)通过实验、根据有关数据求算相对分子质量。 (2)测定有机化合物的相对分子质量常用质谱仪。 5．有机化合物分子式的确定 有机化合物的分子式＝(实验式)n n＝ 1．在有机物的研究过程中，能测出有机物相对分子质量的仪器是(　　) A．红外光谱仪 B．元素分析仪 C．质谱仪 D．核磁共振仪 答案　C 2．下列说法不正确的是(　　) A．蒸馏是分离、提纯液态有机化合物的常用方法 B．重结晶的首要工作是选择适当的溶剂 C．萃取包括液—液萃取和固—液萃取 D．研究有机化合物可首先进行元素定量分析，再分离、提纯 答案　D 3．某有机物在氧气中充分燃烧，生成的水蒸气和CO2的物质的量之比为1∶1，由此可得出的结论是(　　) A．分子中碳、氢原子个数比为2∶1 B．该有机物分子中C、H、O个数比为1∶2∶3 C．有机物中必定含氧元素 D．无法判断有机物中是否含有氧元素 答案　D 4．某有机物X是一抗癌药物中的一种有效成分，经测定该有机物只含C、H、O三种元素，其中碳元素质量分数为60%，氢元素质量分数为13.33%，0.2 mol该有机物的质量为12 g，则它的分子式为(　　) A．CH4 B．C3H8O C．C2H4O2 D．CH2O 答案　B 5．下列实验中，所采取的分离方法与对应原理都正确的是(　　) 选项 目的 分离方法 原理 A 分离溶于水中的碘 乙醇萃取 碘在乙醇中的溶解度较大 B 除去NH4Cl溶液中的FeCl3 加入NaOH溶液后过滤 Fe3＋转化为Fe(OH)3沉淀 C 除去KNO3固体中混杂的NaCl 重结晶 NaCl在水中的溶解度很大 D 除去丁醇中的乙醚 蒸馏 丁醇与乙醚的沸点相差较大 答案　D 探究一　有机物分离提纯的常用方法 1．物理方法 方法 作用原理 主要仪器名称 实例 蒸馏 利用某些互溶液体混合物的沸点差别较大对其进行分离 蒸馏烧瓶、冷凝管、牛角管、锥形瓶、温度计、酒精灯 乙醇(乙醛) 重结晶 利用温度对物质溶解度的影响提纯物质 烧杯、酒精灯、漏斗 提纯苯甲酸(溶解度受温度影响较大) 萃取 溶质在互不相溶的溶剂中溶解度不同 分液漏斗 用CCl4萃取溴水中的Br2 2.化学方法(外加试剂法) 方法 混合物 试剂 洗气 乙烷(乙烯) 溴水 乙炔(硫化氢) CuSO4溶液或NaOH溶液 分液 乙酸乙酯(乙酸) 饱和Na2CO3溶液 溴苯(溴) NaOH溶液 硝基苯(硝酸、硫酸) NaOH溶液 苯(苯甲酸) NaOH溶液 苯(苯酚) NaOH溶液 苯(甲苯) 酸性KMnO4溶液和NaOH溶液 蒸馏 乙醇(水) CaO 乙醇(乙酸) NaOH溶液 3.萃取 (1)萃取剂的选择 ①萃取剂与原溶液中溶剂不反应、不互溶。 ②溶质在萃取剂中的溶解度大于原溶剂。 ③萃取剂与溶质不发生反应。 (2)操作要求 加入萃取剂后充分振荡，静置分层后，打开分液漏斗活塞，下层液体从下口流出，并及时关闭活塞，上层液体从上口倒出。 1．乙酰苯胺具有解热镇痛的作用，有“退热冰”之称。已知：①20 ℃时乙酰苯胺在乙醇中的溶解度为36.9 g；②氯化钠分散在乙醇中形成胶体；③乙酰苯胺在水中的溶解度如表所示。 温度/℃ 25 50 80 100 溶解度/g 0.56 0.84 3.5 5.5 现有某乙酰苯胺样品，其中混入了少量氯化钠杂质，下列提纯乙酰苯胺使用的溶剂和操作方法均正确的是(　　) A．水、分液 B．乙醇、过滤 C．水、重结晶 D．乙醇、重结晶 答案　C 解析　乙酰苯胺和氯化钠溶于水中不会出现分层，故不能通过分液的方法进行分离，A错误；乙酰苯胺溶于乙醇中形成溶液，氯化钠溶于乙醇中形成胶体，故二者不能通过过滤的方法进行分离，B错误；乙酰苯胺在水中的溶解度随温度的变化较大，而氯化钠在水中的溶解度随温度的变化较小，故可采用重结晶的方法提纯乙酰苯胺，C正确。 2．实验室制备苯甲醇和苯甲酸的化学原理是： 已知苯甲醛易被空气氧化；苯甲醇的沸点为205.3 ℃；苯甲酸的熔点为121.7 ℃，沸点为249 ℃，溶解度为0.34 g；乙醚的沸点为34.8 ℃，难溶于水。制备苯甲醇和苯甲酸的主要过程如下： 试根据上述信息回答下列问题： (1)操作Ⅰ的名称是____________，乙醚溶液中所溶解的主要成分是________。 (2)操作Ⅱ的名称是________，产品甲是________。 (3)操作Ⅲ的名称是________，产品乙是________。 (4)如图所示，操作Ⅱ中温度计水银球放置的位置应是________(填“a”“b”“c”或“d”)，收集产品甲的适宜温度为________。 答案　(1)萃取、分液　苯甲醇 (2)蒸馏　苯甲醇 (3)过滤　苯甲酸 (4)b　34.8 ℃ 解析　(3)加入盐酸后生成的苯甲酸为微溶于水的晶体，可通过过滤分离。 (4)温度计水银球应在蒸馏烧瓶的支管口处，乙醚的沸点是34.8 ℃，苯甲醇的沸点为205.3 ℃，故应该控制温度在34.8 ℃，便于乙醚的蒸出，从而得到较纯净的苯甲醇。 探究二　有机化合物分子式的确定 1．确定有机物分子式的一般途径 2．确定有机物分子式的方法 (1)利用各类有机物的分子式通式和相对分子质量确定 类别 通式 相对分子质量 烷烃 CnH2n＋2 Mr＝14n＋2(n≥1) 环烷烃、单烯烃 CnH2n Mr＝14n(烯烃n≥2，环烷烃n≥3) 二烯烃、单炔烃 CnH2n－2 Mr＝14n－2(炔烃n≥2) 苯及苯的同系物 CnH2n－6 Mr＝14n－6(n≥6) 饱和醇 CnH2n＋2Ox Mr＝14n＋2＋16x 饱和一元醛 CnH2nO Mr＝14n＋16 饱和一元羧酸及酯 CnH2nO2 Mr＝14n＋32 (2)商余法(只适用于烃) ＝n……＋2(烷烃)， ＝n(单烯烃、环烷烃)， ＝n……－2(炔烃、二烯烃)， ＝n……－6(苯或苯的同系物)。 (3)燃烧通式法：利用通式和相对分子质量求分子式。 CxHy＋(x＋)O2xCO2＋H2O CxHyOz＋(x＋－)O2xCO2＋H2O 由于x、y、z相对独立，借助通式进行计算，解出x、y、z，最后求出分子式。 (4)根据分子的平均组成及分子组成的通式确定分子式，此法适用于混合物组成成分的推导。先求得混合物的平均组成CaHbOc(a，b，c不一定是正整数)，若由两种物质组成，则该两种物质中C、H、O原子个数与平均组成中的a、b、c相比，应满足一大一小或均相等的条件。 3．取某气态烃5.6 L(标准状况下)，完全燃烧得到CO2 22.4 L(标准状况下)和22.5 g H2O，下列说法正确的是(　　) A．只能确定该烃的实验式，不能确定其分子式 B．该烃有两种同分异构体 C．该烃属于苯的同系物 D．该烃可能是烷烃也可能是环烷烃 答案　B 解析　烃的物质的量为＝0.25 mol，n(CO2)＝＝1 mol，n(H2O)＝＝1.25 mol，可知n(H)＝2.5 mol，则该气态烃分子中含有的C原子个数为＝4，H原子个数为＝10，即该气态烃的分子式为C4H10，有正丁烷、异丁烷两种同分异构体，只有B正确。 4．为了测定一种气态烃A的分子式，取标准状况下A气体置于密闭容器内燃烧，实验结果表明产物是CO2、CO和H2O，学生甲、乙设计如下两个方案，均认为根据自己的方案能求出A的最简式，他们测定的数据如图所示(假设每次处理均反应完全)。 甲方案： 乙方案： (1)根据两个方案，你认为能否测得A的最简式(填“能”或“不能”)。 甲方案________，乙方案________。 根据能测出A的最简式的方案，回答下列问题： (2)A的最简式为________。 (3)若要确定A的化学式是否需要测定其他数据。________(填“是”或“否”)，如果需要，测定数据是________。 答案　(1)不能　能　(2)CH2　 (3)是　烃A的体积 解析　(1)甲方案，碱石灰增加的质量为CO2和H2O的质量之和，因此不能求出CO2及水各自的质量，故无法确定有机物的最简式；而乙方案，浓硫酸增加的质量为水的质量，再通过灼热的CuO减少的质量可求出CO的质量并将CO转化为CO2，最后通过碱石灰增加的质量可求出CO2的总质量，结合上述数据可求出烃中C、H的原子个数比，即得最简式。 (2)根据乙方案可知，n(H2O)＝＝0.3 mol，则n(H)＝0.6 mol；n(CO2)＝＝0.3 mol，据此可求出该烃的最简式为CH2。 (3)因为题目已知烃A在标准状况下为气体，故只要知道气体的体积，即可求出该烃的物质的量，进而可求出1 mol该烃中所含C、H原子的物质的量，即可求出烃A的分子式。 确定有机物分子式的两个规律 (1)最简式规律 最简式相同的有机物，无论多少种，无论以何种比例混合，混合物中各元素的质量比一定相同。 最简式 对应物质 CH 乙炔、苯、苯乙烯 CH2 烯烃和环烷烃 CH2O 甲醛、乙酸、甲酸甲酯、葡萄糖、果糖 (2)相对分子质量规律 ①同分异构体相对分子质量相同。 ②含有n个碳原子的饱和一元醇与含(n－1)个碳原子的饱和一元羧酸或酯的相对分子质量相同，均为14n＋18。 ③含有n个碳原子的烷烃与含(n－1)个碳原子的饱和一元醛或酮的相对分子质量相同，均为14n＋2。 本课小结 课时作业 一、选择题(每小题只有1个选项符合题意) 1．按以下实验方案可从海洋动物柄海鞘中提取具有抗肿瘤活性的天然产物，下列说法错误的是(　　) A．步骤(1)需要过滤装置 B．步骤(2)需要用到分液漏斗 C．步骤(3)需要用到坩埚 D．步骤(4)需要蒸馏装置 答案　C 2．若要验证某有机物属于烃，应完成的实验内容是(　　) A．测定该有机物分子中C、H原子的个数之比 B．证明其完全燃烧的产物只有H2O和CO2 C．测定其燃烧产物中H2O和CO2的物质的量之比 D．测定该有机物试样的质量及试样完全燃烧后生成CO2和H2O的质量 答案　D 3．将2.25 g某有机物在足量氧气中完全燃烧，得到4.4 g CO2和2.25 g H2O，则下列说法不正确的是(　　) A．可以确定该有机物的相对分子质量为90 B．可以确定该有机物的分子式为C4H10O2 C．该有机物中碳、氢、氧原子个数比为2∶5∶1 D．因为不知道其相对分子质量，故无法确定其分子式 答案　D 解析　n(CO2)＝0.1 mol，m(C)＝1.2 g，n(H2O)＝0.125 mol，m(H)＝0.25 g，则2.25 g该有机物中m(O)＝0.8 g，n(O)＝0.05 mol，可以确定该有机物的最简式为C2H5O；由C、H、O原子的成键规则可确定该有机物的分子式为C4H10O2。 4．某气态有机物X含C、H、O三种元素，已知下列条件，现欲确定X的分子式，至少需要的条件是(　　) ①X中所含碳元素的质量分数　②X中所含氢元素的质量分数　③X在标准状况下的体积　④X的相对分子质量　⑤X的质量 A．①② B．①②④ C．①②⑤ D．③④⑤ 答案　B 解析　由有机物中C、H的质量分数可推出O的质量分数，由各元素的质量分数可确定X的实验式，由相对分子质量和实验式可确定X的分子式。 5．某有机物由碳、氢、氧三种元素组成，该有机物中碳元素的质量分数为54.5%，所含氢原子数是碳原子数的2倍，又知其最简式即为其分子式。则该有机物的分子式为(　　) A．CH2O B．CH2O2 C．C2H4O2 D．C2H4O 答案　D 解析　由氢原子数是碳原子数的2倍可知，该有机物中碳元素的质量分数为氢元素的6倍，即该有机物中C、H、O的质量分数依次为54.5%、9.1%、36.4%，则N(C)∶N(H)∶N(O)＝∶∶≈2∶4∶1，故该有机物为C2H4O。 6．实验室提纯苯甲酸操作流程如下： 下列有关苯甲酸重结晶实验的说法错误的是(　　) A．溶解粗苯甲酸过程中，加热、玻璃棒搅拌均能提高苯甲酸的溶解度 B．苯甲酸溶解时，若加水加热后仍有不溶物，说明该不溶物是不溶性杂质 C．过滤时，趁热过滤可防止苯甲酸晶体提前析出 D．冷却结晶时，温度过低杂质将析出，故此时温度不是越低越好 答案　A 解析　加热能提高苯甲酸的溶解速率，也能提高苯甲酸的溶解度，但搅拌只能提高溶解速率，不能改变溶解度，A错误。 7．某有机样品(仅含C、H、O三种元素)3.0 g在足量O2中完全燃烧，将燃烧后的混合物先通过足量的浓硫酸，浓硫酸增重1.8 g，再通过足量的澄清石灰水，经过滤得到10 g沉淀。该有机样品的组成可能是(　　) A．葡萄糖与蔗糖 B．醋酸与甲酸甲酯 C．乙醇与甲醛 D．二甲醚与乳酸 答案　B 解析　已知3.0 g有机样品完全燃烧生成CO2和H2O，10 g碳酸钙的物质的量为＝0.1 mol，则CO2的物质的量为0.1 mol，生成水的质量为1.8 g，其物质的量为＝0.1 mol，故样品中含0.2 mol H、0.1 mol C，因此3.0 g样品中所含氧原子的质量为3.0 g－0.1 mol×12 g·mol－1－0.2 mol×1 g·mol－1＝1.6 g，其物质的量为＝0.1 mol，故有机样品中N(C)∶N(H)∶N(O)＝1∶2∶1，则该有机样品的实验式为CH2O。葡萄糖与蔗糖的分子式分别为C6H12O6、C12H22O11，蔗糖的实验式不是CH2O；醋酸与甲酸甲酯的分子式均为C2H4O2，实验式均为CH2O；乙醇与甲醛的分子式分别为C2H6O、CH2O，乙醇的实验式不是CH2O；二甲醚的实验式不是CH2O。 8．化学工作者从有机反应RH＋Cl2(g)RCl(l)＋HCl(g)受到启发，提出在农药和有机合成工业中可获得副产品HCl，该设想已成为现实，试指出由上述反应产物分离得到盐酸的最佳方法是(　　) A．水洗分液法 B．蒸馏法 C．升华法 D．有机溶剂萃取法 答案　A 解析　本题关键是选最佳方法。因HCl极易溶于水，有机物一般不溶于水，故用水洗分液法分离得到盐酸最简便。 9．某有机化合物仅由C、H、O三种元素组成，其相对分子质量小于150，若该有机物中氧元素的质量分数为50%，则其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　根据题意可知，该有机物分子中氧原子个数应小于＝4.6875，其所含氧原子数为4时，该有机物的相对分子质量取最大值，Mr＝＝128，该有机物分子中碳和氢的相对原子质量之和为128－64＝64，故该有机物分子中碳原子数最多为5。 10．某有机物蒸气完全燃烧需三倍于其体积的氧气，产生二倍于其体积的二氧化碳(体积均在相同状况下测定)，该有机物可能是(　　) A．C3H7OH B．CH3CHO C．CH3COCH3 D．C2H4 答案　D 解析　设有机物分子式为CxHyOz，燃烧的通式为CxHyOz＋O2xCO2＋H2O，解得x＝2，y－2z＝4。由x＝2知，A、C项不可能；把y＝4，z＝1代入y－2z＝4知B不可能，故答案选D。 11．下列各组有机物中，无论以何种比例混合，只要二者的物质的量之和不变，完全燃烧时消耗的氧气及生成的水的物质的量也不变的是(　　) A．C2H2和C6H6 B．C2H6和C2H5OH C．C2H4和C2H6O D．C6H6和C7H6O2 答案　D 解析　无论以何种比例混合，只要二者的物质的量之和不变，生成的水的物质的量不变，则二者含氢原子的个数相同，排除A、C两个选项；完全燃烧时耗氧量不变，则相等物质的量的两种物质耗氧量相等，C2H6和C2H5OH的耗氧量不同，排除B项。 12．某有机物分子仅由C、H、O三种元素的13个原子构成，其分子中的电子总数为42。充分燃烧该有机物，所生成的CO2和水蒸气在相同状况下的体积之比为3∶4，则该有机物的分子式为(　　) A．C6H6O B．C2H6O C．C4H8O2 D．C3H8O2 答案　D 解析　因该有机物燃烧生成的CO2和水蒸气在相同状况下的体积之比为3∶4，所以可设该有机物的分子式为(C3H8)nOm，由题意得：11n＋m＝13……①和26n＋8m＝42……②，①②式联立，解得n＝1、m＝2，故该有机物的分子式为C3H8O2。 二、非选择题 13．通常用燃烧的方法测定有机物的分子式，可在燃烧室内将有机物样品与纯氧在电炉加热下充分燃烧，根据产品的质量确定有机物的组成。如图所示的是用燃烧法确定有机物分子式的常用装置。 现准确称取1.8 g样品(只含C、H、O三种元素中的两种或三种)，经燃烧后A管增重1.76 g，B管增重0.36 g。请回答： (1)用该方法可测定含有哪些元素和什么状态的有机物：_________________ _____________________________________________。 (2)A、B管内均盛有固态试剂，B管的作用是____________________________ ________________________________________。 (3)产生的气体流向为由左向右，所选用的各导管口连接的顺序是______________________________。 (4)E中应盛装的试剂是__________。 (5)如果把CuO网去掉，A管增重可能会________(填“增大”“减小”或“不变”)。 (6)该有机物的最简式为________。 (7)要确定该有机物的分子式，还必须知道的数据是________(填字母)。 A．消耗液体E的质量 B．样品的摩尔质量 C．CuO固体减少的质量 D．C装置增加的质量 E．燃烧消耗O2的物质的量 (8)在整个实验开始之前，需先让D产生的气体通过整套装置一段时间，其目的是______________________。 答案　(1)含C、H或C、H、O元素的固态有机物 (2)吸收燃烧后产生的H2O(g) (3)g接f，e接h，i接c(或d)，d(或c)接a(或b) (4)H2O2溶液　(5)减小　(6)CHO2　(7)B (8)赶出管内空气，减小实验误差 解析　(3)D装置中生成氧气，先通过装有浓硫酸的C装置除去水蒸气，然后进入F装置与样品反应，生成物先通过B装置(吸收水蒸气)，然后通过A装置(吸收二氧化碳)。 (5)CuO网可与有机物不完全燃烧生成的CO反应生成CO2，如去掉CuO网，可能存在部分CO不能被A装置吸收，导致A管增重减小。 (6)B管增重0.36 g，则n(H2O)＝＝0.02 mol，A管增重1.76 g，则n(CO2)＝＝0.04 mol，n(O)＝ ＝0.08 mol，n(C)∶n(H)∶n(O)＝0.04 mol∶0.04 mol∶0.08 mol＝1∶1∶2，故该有机物的最简式为CHO2。 14．薰衣草精油常用作芳香剂、驱虫剂的原料。“DIY”兴趣小组在实验室从新鲜薰衣草中提取少量精油。 查阅资料：薰衣草精油成分复杂，沸点范围100～220 ℃，相同温度时在水中溶解度小于在苯、四氯化碳(有毒、沸点76.8 ℃)等溶剂中的溶解度。 设计方案：小组讨论后提出如下提取方案。(在横线上填写操作名称) (1)步骤①在研钵中将薰衣草捣碎，转移至小烧杯中并加入适量蒸馏水，搅拌使之充分溶解后________。 (2)步骤②在薰衣草水中加入适量CCl4进行________。 (3)步骤③将CCl4层进行________。 方案实施：按预先设计的方案进行实验。 (4)步骤②使用到的主要仪器有________(填字母)。 具体操作为振荡、________、静置、分液。溶有精油的CCl4层在________层(填“上”或“下”)。 (5)步骤③使用如图实验装置，其中仪器e的名称为________，冷却水从________口(填字母)通入。加热，收集温度在________℃的馏分(该馏分可循环使用)。 交流反思：观察产品并进行小组讨论后，认为该方案主要有以下两个缺点： 缺点1　精油中的某些成分有热敏性，受热后品质会发生改变； 缺点2　该方法提取的精油中残留少量CCl4。 (6)基于小组的交流、反思和分析，你认为该小组进一步的研究方向是______________________________________________________________。 答案　(1)过滤　(2)萃取、分液　(3)蒸馏　(4)b　放气　下　(5)蒸馏烧瓶　g　76.8　(6)选取无毒、高效、可进行低温提取精油的萃取剂 15．(1)化合物A的相对分子质量为86，所含碳的质量分数为55.8%，氢的质量分数为7.0%，其余为氧。 ①A的分子式为______________。 ②A有多种同分异构体，写出五个同时满足下列条件的同分异构体的结构简式：________________、________________、______________、________________、________________。 (Ⅰ)含有酯基　(Ⅱ)能使溴的四氯化碳溶液褪色 (2)烃基烯基醚(R—CH==CH—O—R′)B的相对分子质量为176，其分子中碳氢原子个数比为3∶4，则B的分子式为____________。 答案　(1)①C4H6O2　② 　 　 (2)C12H16O 解析　(1)①A分子中N(C)＝≈4，N(H)＝≈6，N(O)＝＝2，故A的分子式为C4H6O2。②由题意可知，该同分异构体的结构中必须含有、，故该同分异构体可以是甲酸酯(3种)、丙烯酸甲酯(1种)、乙酸乙烯酯(1种)。 (2)由题给信息可知，B的分子式可写为(C3H4)nO，则40n＋16＝176，解得n＝4，故B的分子式为C12H16O。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$